Speciatie en biologische beschikbaarheid Metingen van Milieu Plutonium gebruik van Diffusion in Thin Films

Summary

De techniek van diffusieve gradiënten in dunne films (DGT) voorgesteld voor speciatie plutonium. Dit protocol beschrijft diffusie experimenten sonderen het gedrag van Pu (IV) en Pu (V) in aanwezigheid van organisch materiaal. DGTs ingezet in een karstic voorjaar laat de beoordeling van de biologische beschikbaarheid van Pu.

Abstract

De biologische opname van plutonium (Pu) in aquatische ecosystemen is van bijzonder belang omdat het een alfa-deeltjeszender met lange halfwaardetijd die potentieel kunnen bijdragen aan de blootstelling van levende organismen en mensen. De diffusie gradiënten in dunne films techniek wordt hier ingevoerd voor in-situ metingen van Pu biobeschikbaarheid en soortvorming. Een diffusiecel geconstrueerd laboratoriumexperimenten met Pu en de nieuw ontwikkelde protocol maakt het mogelijk om het milieu gedrag van Pu model in oplossingen van verschillende chemische samenstelling te simuleren. Aanpassing van de oxidatietoestanden Pu (IV) en Pu (V) beschreven in dit protocol is essentieel om de complexe redox chemie van plutonium in het milieu te onderzoeken. De kalibrering van deze techniek en de resultaten in het laboratorium resultaten stellen een specifiek DGT inrichting te ontwikkelen voor in-situ Pu metingen in zoet water. -Versneller op basis van massaspectrometrie metingenvan Pu opgebouwd door DGTs in een karstbron mogen bepalen van de biologische beschikbaarheid van Pu in een minerale zoetwater omgeving. Toepassing van dit protocol voor Pu metingen met behulp van DGT-apparaten heeft een groot potentieel om ons begrip van de soortvorming en de biologische overdracht van Pu in aquatische ecosystemen te verbeteren.

Introduction

Plutonium een ​​kunstmatig radionuclide in het milieu als gevolg van de globale neerslag na atoombom tests en nucleaire ongelukken. De redox chemie van plutonium heeft belangrijke gevolgen voor de migratie en biogeochemische cycli in milieu aquatische systemen ^1. Plutonium heeft een complexe chemie en kunnen bestaan ​​in vier oxidatietoestanden (III, IV, V, VI) tegelijkertijd. Daarom is de verdeling van de redox-stof plutonium in natuurlijk water is zeer gevoelig voor lokale chemische milieu ^2,3. De oxidatietoestand van plutonium hangt ook af van de oorsprong van de bron - deze verklaring wordt vooral relevant voor verontreinigde omgevingen stortplaatsen. Verminderde plutonium soorten (+ III en IV +) zijn voornamelijk te vinden in zuurstofloze omgevingen en zijn afkomstig uit de wereldwijde gevolgen en gevulde afval afvalwater, terwijl hogere oxidatietoestanden (+ V en + VI) kan worden gevonden onder verval producten van andere actinidenen oxische omgevingen ^4.

De mobiliteit en milieu gedrag van plutonium te voorspellen enigszins af van de redox soortvorming. Plutonium + III en IV + oxidatie staten bestaat voornamelijk in vaste fase en heeft een grotere capaciteit te sorberen anorganische colloïden en natuurlijk voorkomende organisch materiaal (NOM) moleculen. Plutonium + III + IV oxidatietoestanden geacht minder mobiel. Meer oplosbare geoxideerde vormen van plutonium (+ V en VI +, + V zijnde waarschijnlijk) ⁵ kunnen mogelijk bijdragen aan een hogere biologische transfer naar waterorganismen door hogere mobiliteit. Niettemin, in aanwezigheid van NOM, vooral humuszuur, Pu (V) wordt gereduceerd ^17, verschuiven van de afscherming verschillende ordes van grootte ten behoeve van neerslag. Ondanks het feit dat de afnamesnelheid van Pu (V) aan Pu (IV) is 4 tot 5 ordes van grootte sneller dan de omgekeerde reactie, remobilisatie Pu (IV) onder oxiderende omstandigheden may vinden ook plaats ^1. Recente experimentele data minerale sedimenten gewijzigd Pu (IV) en onderworpen aan natuurlijke oxiderende condities hebben aangetoond dat de concentratie van oplosbare Pu in waterfase toegenomen tijd ^1,6. De auteurs verklaren door oxidatieve desorptie van Pu (IV) en de vorming van meer oplosbaar Pu (V) en Pu (VI) species. Oxidatie van Pu (IV) kunnen ook optreden als gevolg van nature aangetroffen mangaanoxide ^7. Deze waarnemingen zijn belangrijk voor de biologische modellering en milieurisicobeoordeling van afvalverwerking en verontreinigde locaties.

Studies over de biologische beschikbaarheid en soortvorming plutonium is een uitdagende taak, zowel in het laboratorium en in-situ-omstandigheden. Lage milieuconcentraties, de variabiliteit van de redox-stof en de interactie met natuurlijke colloïden bemoeilijken het biogeochemisch gedrag van plutonium te simuleren. De techniek van diffusieve gradiënten in dunne films (DGT) op basis vande diffusie van vrije en labiele verontreinigende soorten door een polyacrylamide (PAM) gel wordt veel gebruikt voor omgevingsmetingen van sporenelementen ^8. Een DGT sampler geeft een drielaags inrichting bestaande uit een bindende fase (voor het merendeel van sporenmetalen is Chelex-hars in de PAM gel) diffusieve gellaag (PAM gel variërende dikte) en een filter membraan beschermt de gel en die de vergadering bijeen. Dunne films van polyacrylamide gel, bestaande uit 85% water, mogelijk vrije en labiel complex species sneller diffunderen dan plutonium gebonden aan grote NOM moleculen of natuurlijke colloïdale deeltjes. A set-up plutonium diffusie in gel PAM dunne films in laboratoriumomstandigheden studie wordt een diffusiecel ^9.

Een diffusiecel Twee compartimenten verblijf waar twee aparte compartimenten zijn verbonden door een opening van een bepaald oppervlak. De opening, dat wil zeggen, het venster tussen de twee kamers contains een schijf van diffusie gel van een bepaalde dikte. Wij construeerden een Teflon cel met twee compartimenten 100 ml en een rond venster diffusie 1,7 cm in diameter. Één compartiment is afneembaar, de montage te vergemakkelijken. Een 0,5 cm brede gleuf gesneden rond de diffusie venster op de vaste compartiment dient voor het diffusieve gelstrook plaatsen. De groefdiepte dient Soortgelijke PAM gel dikte bestemd voor gebruik. We kiezen om te werken met een 0,39 mm PAM gel, waardoor de groefdiepte in onze diffusiecel is 0,39 mm. Een gedetailleerd beeld van de diffusie cel wordt gegeven in figuur 1.

Wanneer een oplossing eerst plutoniumhoudende wordt geplaatst in een compartiment (A), diffunderen Pu species een concentratiegradiënt te vestigen in de gel en zal beginnen te accumuleren in het tweede compartiment (B), aanvankelijk een oplossing van dezelfde chemische samenstelling zonder Pu bevattende . De initiële concentratie van Pu soorten in compartiment A is zodanig gedefinieerd dat het Remains constante of weinig verandert (met 1% -2% bedraagt) gedurende het diffusie-experiment. Uitzetten van de hoeveelheid gediffundeerd Pu versus tijd verschaft een middel om de mobiliteit van Pu species die in de verschillende gesimuleerde omgevingsomstandigheden analyseren. Diffusie in dunne films een waardevol alternatief voor studies over Pu mobiliteit en soortvorming en kan met succes in veldomstandigheden ¹⁰ worden toegepast. Men kan de diffusie cel te vervangen door een passieve sampler, vervaardigd met PAM diffusieve gel en Chelex hars als bindende fase, die dient om diffunderende Pu species accumuleren. Een dergelijke monsternemer kan worden blootgesteld veldomstandigheden - de hoeveelheid Pu opgebouwd in de hars indicatief voor de speciatie en biobeschikbaarheid van Pu in zijn eigen omgeving ¹⁰ zijn.

In dit werk, gebruikten we een diffusiecel de mobiliteit van Pu (IV) en Pu (V) species en hun interacties met NOM onder laboratoriumomstandigheden onderzoeken. Furthermore, we toegepast grote passieve DGT samplers van een oppervlak van 105 cm ^{2 om de} biologische beschikbaarheid van Pu studeren in een karstic voorjaar van de Zwitserse Jura (Venoge River) waar een aanzienlijk deel van Pu werd gevonden in de intracellulaire delen van aquatische mossen in een eerdere werk ^11. Door de zeer lage plutonium aanwezig in dit ongerepte omgeving werden versneller gebaseerd massaspectrometrie (AMS) technieken bij ETH Zurich gebruikt plutoniumisotopen meten.

Protocol

1. Plutonium Tracer Voorbereiding

1. Pu (IV) tracer voorbereiding
   1. Uit de Pu voorraadoplossing overbrengen passende hoeveelheid die de gewenste hoeveelheid van Pu het experiment in een 25 ml bekerglas. Werk met 10 Bq ²³⁹ Pu tegelijk.
   2. Voeg 1 ml geconcentreerd HNO _3, 0,6 ml 1 M NaHSO _4, 0,4 ml geconcentreerd H ₂ SO _4. Damp droog op een hete plaat. Verhit zacht bij 200 ° C aan het begin zure projectie voorkomen.
   3. Zodra geen vloeistof er nog in de beker, gloeien het residu bij 400 ° C - 500 ° C tot er geen witte dampen afkomstig. De rest is wit wanneer gekoeld en oplosbaar is in de gekozen voor het experiment buffer.
      Opmerking: Pu (IV) bron op deze wijze kan droog worden opgeslagen tot meerdere maanden ^12.
2. Pu (V) tracer bereiding ¹³
   1. Pu oxidatie
      1. Transfer een monster uit de Pu stock oplossing in een kunststof 20 ml vloeistof-scintillatie fiool met een lekvrije dop. Werk met 10 Bq ²³⁹ Pu tegelijk. Voeg 0,01 ml 0,01 M _KMnO4 en laat het mengsel in het donker gedurende minimaal 6 uur.
   2. Pu (VI) extractie
      1. Voorafgaand aan extractie bereiden van een oplossing van 0,5 M thenoyltrifluoroacetone (TTA) in cyclohexaan en te beschermen tegen blootstelling aan licht. Bereiden altijd deze oplossing direct voorafgaand aan elk experiment.
      2. Aan de geoxideerde Pu oplossing 2 ml van 0,1 M CH ₃ COONa bij pH 4,7 en 2 ml 0,5 M thenoyltrifluoroacetone (TTA) in cyclohexaan. Wikkel de fles met aluminiumfolie om het reactiemengsel te houden in het donker, schud gedurende 10 min. Scheid de organische fase die Pu (VI) met een pipet en transfer naar een schone glazen flacon.
   3. Pu (VI) naar pu (V) fotoreductie
      1. Laat de glazen flacon met Pu (VI) -TTA complex in cyclohexaan bij kamertemperatuur licht voor 2 uur.
   4. Pu (V) extractie
      1. Naar de belichte oplossing 1 ml 0,1 M CH ₃ COONa bij pH 4,7 en schud gedurende 5 min. Verwijder waterfase bevattende Pu (V). Bepaal de concentratie van deze bron door vloeistofscintillatietelling die een 100 pi aliquot.
         Opmerking: Bereid Pu (V) oplossingen onmiddellijk vóór elk experiment omdat de langetermijnstabiliteit van Pu in + V oxidatietoestand wordt ondervraagd.

2. Bereiding van de oplossingen gebruikt in de experimenten

1. Bereid gebufferde oplossingen
   1. Voeg 10 mM oplossing van MOPS (3- (N -morpholino) propaansulfonzuur) buffer. Neem 200 ml van deze oplossing en op de gewenste pH door druppelsgewijze toevoeging van 0,1 M HCl (pH 6,5 voor gebruik met Pu (IV) en pH 5,5 voor gebruik met Pu (V)).
2. Bereid oplossingen voor experimenten met Pu (IV)
   1. Oplossing A
      1. Ontbinden Pu (IV) bereid in de stap 1.1 in seVeral ml 10 mM MOPS gebufferde oplossing bij pH 6,5. Grondig de beker met dezelfde oplossing.
      2. Breng het volume op 72 ml met 10 mM MOPS gebufferde oplossing bij pH 6,5. Controleer de pH en het bijstellen tot 6,5 met 0,1 M NaOH. Overdracht 72 ml van deze oplossing in een schone beker - dit is de (A) te onderzoeken oplossing ingebracht in compartiment A van de diffusiecel.
   2. Oplossing B
      1. Neem 72 ml van 10 mM MOPS gebufferde oplossing bij pH 6,5; Voeg 0,75 ml van 1 M Na ₂ SO _4. Controleer de pH, past op 6,5 indien nodig. Overdracht 72 ml van deze oplossing in een schone beker - dit is de "B" te onderzoeken oplossing ingebracht in «B» compartiment van de diffusiecel.
   3. Bereid oplossingen met NOM
      1. Weeg 1,4 mg gevriesdroogde fulvic of huminezuur om een ​​concentratie te verkrijgen van 20 ppm en oplossen in de "A" oplossing containing Pu (IV). Bereid deze oplossing 24 uur voorafgaand aan het experimenteren en te zorgen voor evenwicht brengen.
3. Bereid oplossingen voor experimenten met Pu (V)
   1. Oplossing A
      1. Los Pu (V) verkregen bij stap 1.2.4 in 72 ml 10 mM MOPS gebufferde oplossing bij pH 5,5; Voeg 0,75 ml van 1 M _NaNO3. Controleer de pH en stel met 5,5 indien nodig. Breng 72 ml van deze oplossing in een schone beker. Bereid de oplossing Pu (V) onmiddellijk voorafgaand aan experiment.
   2. Oplossing B
      1. Neem 72 ml van 10 mM MOPS gebufferde oplossing bij pH 5,5; Voeg 0,75 ml van 1 M _NaNO3. Controleer de pH en stel met 5,5 indien nodig. Breng 72 ml van deze oplossing in een schone beker.
   3. Bereid oplossingen met NOM
      1. Weeg 1,4 mg gevriesdroogde fulvic of huminezuur tot een concentratie van 20 ppm te verkrijgen en oplossen in de oplossing A bevattende Pu (V). Laat de oplossing gedurende 24 uurde steady state bereikt tussen Pu (IV) en Pu (V) species. Vóór diffusie experiment uitvoeren van een vloeibare fase extractie op de fractie van Pu (V) te bepalen zoals beschreven in Paragraaf 3.4.2.

3. Laboratorium Diffusion Experimenten

1. Bereid PAM gel
   1. Bevochtig een plastic bakje met enkele milliliters elektrolyt (bijvoorbeeld 10 mM NaNO _3), plaatst u de PAM gel strip in en uit te breiden gelijkmatig over het oppervlak. Plaats voorzichtig een scherpe punch van 2,7 cm in diameter op het gel oppervlak. Vermijd schuiven de punch over de gel oppervlak.
   2. Gebruik lokale gerichte verlichting indien nodig, kan het helpen om de transparante PAM gel te visualiseren. Druk de stempel stevig tegen gel oppervlak en laat als het eenmaal is gesneden.
2. Vergadering van de diffusiecel
   1. Plaats de PAM gel schijf met een pincet in de groef over de verspreiding venster in een vloeiende-faced manier. Draai de schroef zodanig dat de two compartimenten van de diffusiecel bij elkaar te houden, met elkaar verbonden via de PAM gel disc.
   2. Mark A en compartimenten B diffusie cel. Monteer de diffusiecel met gel schijf onmiddellijk voorafgaand aan elk experiment; niet mogelijk de gel te drogen.
3. De lancering van een diffusie experiment
   1. Giet langzaam de oplossing A en B in de overeenkomstige compartimenten. Zorg ervoor dat beide oplossingen worden gegoten met dezelfde snelheid om gelijke volume in elk compartiment op elk moment beschikbaar stellen anders de diffusieve gel kunnen beschadigen.
   2. Start de timer zodra de oplossingen in de cel. Plaats de miniatuur elektrische mixers over de diffusie cel. Op dit moment is de diffusie experiment wordt beschouwd gestart.
4. Het nemen van monsters in heel diffusie experiment
   1. Monsters van gelijk volume binnen regelmatige tijdsintervallen uit de compartimenten A en B gelijktijdig om volumes constant gedurende de experime houdennt.
      1. Neem een ​​1,00 ml monster simultaan in elk compartiment onmiddellijk bij het begin van het experiment om de aanvankelijke concentratie in het Pu Een compartiment bepalen.
      2. Gebruik een sampling tijdsinterval van 10 min in experimenten zonder toevoeging van NOM en 20 minuten tot enkele h in experimenten met humuszuur. 2,00 ml fracties zijn voldoende om een ​​goede gevoeligheid voor alfa-spectrometrische metingen.
   2. Vloeibare fase extractie van Pu (IV) en Pu (V)
      1. Aan het einde van de diffusie experiment nemen afzonderlijk 4 ml monsters van de A en B compartimenten in plastic reageerbuisjes met lekvrije doppen. Zuur monsters met 1 ml 2 M HCl.
      2. Voeg 5 ml 0,5 M bis- (2-ethylhexyl) fosforzuur (HDEHP) oplossing in cyclohexaan en schud reageerbuizen krachtig gedurende 5 min. Laat monsters om voor fasescheiding. Verwijder de waterfase die Pu (V).
   3. Back-extractie van Pu (IV)
      1. Back-extract Pu (IV) uit de overblijvende organische fase met 5 ml van 5% (NH _{4) 2} C ₂ O _4.

4. Voorbeeld Behandeling

1. Spike monsters met een interne standaard
   1. Spike monsters worden geanalyseerd met een rendement tracer. Gebruik een piek van 1,00 ml ^van 242 Pu tracer van 25 mBq ml ^-1 activiteitsconcentratie voor alfa-spectrometrische metingen.
2. Oxideren matrix monsters '
   1. Damp monsters droog op een verwarmingsplaat met 2,00 ml geconcentreerd HNO _3.

5. Radiochemische Scheiding van Pu

1. Pas Pu oxidatietoestand
   1. Los droge monsters van punt 4.2.1 in 5 ml 8 M _HNO3, voeg 20 mg NaNO _2, warmte monsters bij 70 ° C gedurende 10 min. Deze stap maakt het aanpassen van de oxidatietoestand van Pu tot + IV.
2. Vaste fase extractie van Pu
   1. Bevochtig een quaternaire amine gebaseerde anionenwisselaar kolom (bijvoorbeeld TEVA) met 1,5 ml 8 M _HNO3. Gebruik micro-kolommen van 1 ml pipet tip met 100 mg van het hars geconditioneerd met 1,5 ml 8 M _HNO3.
   2. Laat de oplossing in punt 5.1.1 door de kolom hars met debiet van ongeveer 1 ml min ^-1. Spoel het monster beker met 2 ml 8 M HNO ₃ drie keer en overdracht washouts hars kolommen.
3. Elute Pu
   1. Kolommen wassen met 3 ml 9 M HCl. Elueer Pu met 3 ml oplossing 9 M HCl / 0,1 M HI. Damp eluaten op de hete plaat. Behandelen met 2 ml geconcentreerd HNO _3, verdampen tot droog. Herhaal dit indien nodig tot de bruine jodium kleur verdwijnt.
   2. Bepaal Pu concentratie in de monsters met alle beschikbare methode.
      Opmerking. Voor de concentraties range ^van 239 Pu gebruikt in dit protocol alpha-spectrometrie zorgt voor een goede gevoeligheid. Bereid bronnen voor alfa-spectrometric tellen door galvaniseren op roestvrij stalen schijven ^14. Telling bronnen pitten detector (450 mm ²⁾ in een spectrometer.

6. Analyse van de gegevens

1. Perceel verspreid Pu versus tijd
   1. Plot van de activiteit van Pu (mBq) opgebouwd in de B-compartiment versus tijd (min). Corrigeren voor volume van de diffusie tijdens het experiment genomen monster: activiteit van geaccumuleerde Pu (mBq) op tijdstip t is gelijk aan de concentratie (mBq ^-1 ml) bepaald in het vermenigvuldigd met het volume van de oplossing (ml) in het monster compartiment B op het moment van monstername (zie voorbeeld van de spreadsheet - Figuur 2).
   2. Uitgezet op dezelfde grafiek gegevens uit verschillende experimenten met verschillende concentraties Pu, gebruiksconcentraties genormaliseerd tot de aanvankelijke concentratie van Pu compartiment A.
2. Bereken diffusiecoëfficiënt
   1. Bereken diffusiecoëfficiënt D (cm ² sec ^-1) van Pu soort voor elk experiment ^10. Met vergelijking (1):
      (1)
      waarbij Ag de diffusie gel dikte (cm), C de aanvankelijke concentratie Pu (mBq ml ^-1), S het diffusiegebied (cm ²⁾ en A de activiteit (mBq) van Pu soorten verspreid in compartiment B ten tijde t (sec). AA / At is de helling van de lineaire grafiek van Pu gediffundeerd in het compartiment B versus tijd.

7. Biologische Studies van Pu in Natural Freshwaters

1. Bereid DGT samplers
   1. Bevochtig een plastic bakje met enkele milliliters elektrolyt (bijvoorbeeld 10 mM NaNO ₃₎ Plaats de bodemplaat (zie figuur 3) van de DGT sampler. Gebruik lokale verlichting, indien nodig, kan het helpen om transparante gels visualiseren.
   2. Positiop een 6 cm x 22 cm Chelex hars gel strip en uitbreiden gelijkmatig over het oppervlak van de plaat. Plaats op de bovenkant van de hars gellaag een 6 cm x 22 cm PAM diffusieve gelstrip en vergroten gelijkmatig over het oppervlak. Zorg ervoor dat de gels niet schuiven en worden geplaatst in een glad gezicht manier.
   3. Bedek de diffusieve gellaag met een 6 cm x 22 cm stuk van een filter membraan. Plaats het afdekraam van de DGT sampler (zie figuur 3) over het filter membraan en sluit de montage lichte druk het frame op de randen.
   4. Snijd de uitbreiding gel onderdelen af ​​met een scherp lancet, open en opnieuw uitlijnen gel lagen indien nodig tot een gladde plaat oppervlak wordt verkregen. Bevestig de montage met schroeven.
   5. Bevochtig de DGT samplers met enkele milliliters elektrolyt (bijvoorbeeld 10 mM NaNO _3). Bewaren in een afgesloten plastic zak tot enkele weken bij 4-5 ° C.
2. Inzet van DGTs in een natuurlijke watermassa
   1. Neem de DGT sampler uit de plastic zak. Fix DGT samplers in de houder zoals aangegeven op de figuur 4.
   2. Implementeren DGTs in het waterlichaam een ​​opschorting ze op een sterk touw of installeren op een stabiele verticale steun op een manier om een ​​constante tangentiële waterstroom langs het oppervlak van de DGT verschaffen. Implementeren DGT inrichtingen in de zoete gedurende 2 tot 3 weken om de Pu accumuleren in een concentratie voldoende voor metingen.
3. Behandeling van opgehaalde DGTs
   1. DGTs halen uit het water. Schroef de montage, neem filter membraan en gooi. Haal de bovenste laag gel (PAM diffusie gel) en gooi.
   2. Breng het hars gel in een bekerglas met 20 ml 8 M _HNO3 en spike te analyseren monsters met een opbrengst tracer. Gebruik een piek van 1,00 ml ^van 242 Pu tracer van 0,25 mBq ml ^-1 (1,7 pg ml ^-1) activiteitsconcentratie voor AMS metingen. Na goed agitated, laat monsters O / N voor Pu elutie.
4. Voorwaarde DGT eluaten
   1. Filtreer de oplossing van de hars gel monsters; Spoel de overblijvende hars gels met 5 ml 8 M _HNO3 combineren verzakkingen monsters. Voeg 20 mg NaNO ₂ aan elk monster, verhit de oplossing bij 70 ° C gedurende 10 min. Deze stap maakt het aanpassen van de oxidatietoestand van Pu tot + IV.
5. Vaste fase extractie van Pu
   1. Bevochtig een quaternaire amine gebaseerde anionenuitwisselingshars patroon met 10 ml 8 M _HNO3. Laat de oplossing punt 7.4.1 via uitwisselingshars cartridge stroomsnelheid van ongeveer 1 ml min ^-1. Spoel het monster bekerglas met 5 ml 8 M HNO ₃ drie keer en de overdracht van de washouts te wisselen hars cartridge.
6. Elute Pu
   1. Was cartridges met 10 ml 9 M HCL. Elueer Pu met 15 ml oplossing van 9 M HCl / 0,1 M HI. Damp eluaat op een hete plaat. Behandelen met 2 ml geconcentreerd HNO _3, evaporate tot droog. Herhaal dit indien nodig tot de bruine jodium kleur volledig is verdwenen.
   2. Herhaal radiochemische scheiding van Pu 1-2 keer hoger wanneer zuivering nodig is - afhankelijk van de prestatie van Pu detectiesysteem. Voer de tweede en de derde scheidingen micro-kolommen van 1 ml pipet tip met 100 mg uitwisselingshars geconditioneerd met 1,5 ml 8 M _HNO3.
   3. Bepaal Pu-concentratie in de monsters. Gebruik de massaspectrometrie technieken voor het meten van ²³⁹ Pu vanwege de zeer lage niveau van plutonium in de ongerepte omgeving.
      Opmerking: In dit werk, gebruik maken van de AMS-faciliteit tuned voor de analyse van actiniden bij het Laboratorium van Ion Beam Natuurkunde aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich.

8. Analyse van de gegevens

1. Bereken de concentratie (C _DGT in μBq ml ^-1) van biologisch beschikbaar (labiele) Pu species in de bulk water uit de hoeveelheid van Pu geaccumuleerd door DGT tijdens de implementatie periode. Met vergelijking (2):
   (2)
   waarbij A de activiteit (μBq) Pu opgebouwd in de bindende fase, Ag de diffusielaag (gel + filtermembraan) dikte (cm), D de diffusiecoëfficiënt van Pu in de PAM gel (cm ² sec ^-1), S het diffusiegebied ⁽² cm), en t de duur van de inzet (sec).
2. Vergelijk C _DGT van Pu bepaald DGTs met Pu totale concentratie in de massa water, alsook met andere beschikbare data soortvorming.

9. Radiochemische Scheiding voor het bepalen van totaal Pu in de Bulk Water

1. Voorwaarde watermonster
   1. Pompen water uit de bestudeerde lichaam van het water door middel van een 45 pm membraanfilter in een plastic ontvanger. Werken met monsters van 10 om 50 L AMS metingen. Zuur water tot pH 2 met HNO ₃ onmiddellijk na bemonstering op de prikplaats voorafgaand aan transport naar het laboratorium.
2. Neerslaan Pu op ijzerhydroxiden
   1. In het laboratorium introduceren een bovenroerder in de ontvanger. Spike het monster met Pu opbrengst tracer. Gebruik een piek van 1,00 ml ^van 242 Pu tracer van 0,25 mBq ml ^-1 (1,7 pg ml ^-1) activiteitsconcentratie voor AMS metingen.
   2. Voeg _FeCl3 · 6H _{2 O} waarbij ongeveer 0,25 g per 10 L monster. Na 30 min geroerd, ijzerhydroxiden precipiteren met _NH4OH bij pH 8.
3. Tweede neerslaan van Pu op ijzerhydroxiden
   1. Schenk de bovenstaande vloeistof uit het water monster van punt 9.2.2. Herstellen van de neerslag van ijzer hydroxiden in een 2 L glazen beker, spoel de ontvanger met gedemineraliseerd water en combineren de washouts de sample.
   2. Los het precipitaat in ~ 100 ml 5 M HCl, warmte 90 ° C tot carbonaten ontleden. Filtreer indien nodig, wanneer de oplossing wordt afgekoeld. Opnieuw neerslaan -hydroxiden met _NH4OH bij pH 8.
4. Voorwaarde ijzerhydroxiden voor analyse
   1. Schenk de bovenstaande vloeistof uit het monster van punt 9.3.2. Herstellen van de neerslag van ijzer hydroxide in een centrifugeren schip. Centrifuge, gooi het supernatant. Was het neerslag met gedemineraliseerd water. Herhaal 2-3 keer.
   2. Los het neerslag in 10 ml 8 M _HNO3, bij radiochemische scheiding van Pu zoals eerder beschreven in de secties 7,4-7,6.

10. Bereid Monsters voor AMS Metingen

1. Neerslaan Pu op ijzerhydroxiden
   1. Na radiochemische scheiding los het eindmonster in 0,5 ml 1 M HCl, overbrengen van het monster met een plastic pipet in een 2,5 ml glazen flesje. Spoel de monsterbeker TWICe met 0,5 ml 1 M HCl, overdragen washouts dezelfde flacon.
   2. Voeg 0,5 ml van 2 mg ml ^-1 Fe ³⁺ stockoplossing aan 1 mg ijzer verschaffen. Neerslaan ijzerhydroxiden toevoegen van enkele druppels geconcentreerd _NH4OH. Centrifuge en giet het supernatant.
   3. Was het neerslag met gedemineraliseerd water, centrifuge en decanteer de bovenstaande vloeistof. Droog het neerslag op de hete plaat bij 90 ° C.
2. Bereid je doel voor AMS metingen
   1. Bak de hydroxiden neerslaan vanuit punt 10.1.3 in een oven gedurende 2-3 uur bij 650 ° C. Grondig mengen met 3-4 mg niobium metaalpoeder en druk in een Ti doel houder AMS metingen.
      Opmerking: We meten de monsters met de compacte (0,6 MV) AMS-systeem "TANDY" bij het ​​Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH Zürich) tuned voor metingen van actiniden ^15,16.

Results

Diffusie experimenten

Uitzetten van de activiteiten van ²³⁹ Pu gediffundeerd in het B-compartiment van de diffusiecel tegen de tijd geeft een visuele weergave van de flux van ²³⁹ Pu species diffunderen door de PAM gel. Diffusie coëfficiënten berekend uit deze plots volgens vergelijking 1 vormen een extra middel ter vergelijking mobiliteit van verschillende ²³⁹ Pu redox-stof in verschillende chemische omgevingen (Figuur 2). Figuur 5 illustreert de diffusie experimenten met Pu (IV) en Pu (IV) -PU (V) gemengde species, respectievelijk in de MOPS buffer en in aanwezigheid van 20 ppm HA. Een vergelijking van deze percelen blijkt dat Pu (V) aanzienlijk mobieler dan Pu (IV) .Dit is bijzonder geldig voor Pu (IV) en Pu (V) wanneer HA (MW 5-40 kDa in onze experimenten, gekenmerkt door de SI door Cusnir et al.) ¹⁰ wordt toegevoegd als complexerende moleculen. Pu (V) bron solution bereid volgens de in dit document beschreven protocol bevat voornamelijk Pu (V) soorten. Vloeibare fase extractie met HDEHP aan het einde van de diffusie experiment in de MOPS gebufferde oplossing gevonden 80% ± 10% van Pu (V). De chemische opbrengst van deze extractie is 80%. De oplossing Pu (V) in aanwezigheid van 20 ppm HA werd geëquilibreerd gedurende 24 uur en Pu (V) fractie in dit model werd 35% ± 10%.

Studies over Pu biobeschikbaarheid in natuurlijk zoet water

DGT meerdere apparaten gebouwd in ons laboratorium werden met succes blootgesteld voor een periode van twee tot drie weken in een karstbron van de Zwitserse Jura. Dit is een minerale bron met de pH van het water in het gebied van 6,5-7,5, geleidbaarheid boven 400 microsiemens cm ^-1 en verzadigd met zuurstof. Deze experimenten toonden goede toepasbaarheid en robuustheid van de gel samenstellingen zonder sporen van biofouling, mogelijk mede door thij lage temperatuur van de veer (7 ° C). DGTs teruggehaald nadat de implementaties zijn goed bewaard gebleven, met gel lagen intact, het behoud van de oorspronkelijke vorm en het uiterlijk. Pu opgebouwd door DGTs werd geanalyseerd door AMS. AMS biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van andere analytische technieken: het is zeer gevoelig (tot sub-fg niveaus), en vereist veel lagere initiële hoeveelheid monster dan alfa-spectrometrie of ICP-MS technieken. Daarnaast worden moleculaire isobare interferenties, zoals uranium hydride ⁽²³⁸ UH) of andere moleculen effectief onderdrukt tijdens de AMS meten en niet interfereren met de detectie ²³⁹ Pu. Voor sommige technische redenen (waarschijnlijk een verontreiniging met ²³⁹ Pu tijdens chemische scheidingen), waren we niet in staat om de gegevens voor ²³⁹ Pu gebruiken voor de eerste toepassingen van DGTs in het veld. Toch is de ²⁴⁰ Pu resultaten waren onpartijdige. Zo hebben we berekend dat de ²³⁹ Pu content van de gemeten ^{240 Pu, met 0,18 als 240 Pu / 239 Pu atomaire ratio voor fallout plutonium. De resultaten zijn samengevat in tabel 1.}

²³⁹ Pu gemeten concentraties in bulk watermonsters zijn vergelijkbaar met de concentraties eerder gemeld voor deze watervoerende laag (1-7 μBq L ^{-1) 11.} Bovendien ²³⁹ Pu concentraties berekend uit DGT metingen vergelijkbaar binnen de onzekerheden van de meting. Sinds DGTs ophopen alleen gratis en labiele Pu soorten, kan men een schatting van de fractie van biologisch beschikbaar Pu in dit water. De gegevens in tabel 1 geven aan dat de ²³⁹ Pu soorten in de massa water in een biologisch beschikbare vorm. Dit is een interessant resultaat op basis van eerdere bevindingen ^11, die in het intracellulaire gedeelte van het water mossen gebleken de overheersende ophoping van ^{239 + 240} Pu groeien in het voorjaar opzichte ^{241 Am en 90 Sr. De auteurs 11 gesuggereerd dat de verhoogde mobiliteit van Pu in deze natuurlijke aquifer werd door de vorming van een oplosbaar carbonaat Pu complex, mogelijk als Pu (V) plutonyl vorm vergelijkbaar met natuurlijk voorkomende uranyl-carbonaatcomplex. Water van de Venoge de lente is hard water, met een hoge concentratie carbonaat en een zeer laag gehalte NOM (ongeveer 1 ppm).}

Figuur 1. diffusiecel gebruikt voor experimenten op Pu diffusie door de PAM gel. De groef dikte van 0,5 cm, de groef diepte van 0,39 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2. Snapshot van het Excel-werkblad gebruikt voor berekeningen van de diffusiecoëfficiënt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. Groot-oppervlak DGT apparaat voor het milieu Pu soortvorming metingen Delen van de DGT apparaat -. De bodemplaat en het deksel frame -. Afgebeeld aan de linkerkant, de montage met gaten bemanning op de juiste Klik hier om een grotere versie te bekijken van dit cijfer.

Figuur in de houder vast 4. DGT sampler apparaten (links) blootgesteld in de Venoge spring (rechts) voor Pu biologische metingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5. Plot van ²³⁹ Pu gediffundeerd in B compartiment van de diffusiecel in verschillende chemische omgevingen. Experimentele datapunten worden gegeven voor ²³⁹ Pu (IV) en ²³⁹ Pu (V) respectievelijk in MOPS buffer en voor ²³⁹ Pu (IV) - ²³⁹ Pu (V) gemengde species (35% ± 10% van Pu (V)) in aanwezigheid van HA. Het voor ²³⁹ Pu (IV) -HA lijn is berekend met behulp van een diffusie-coëfficiënt van 0,50 x 10 ^-6 cm ² sec ^-1 vooraf ¹⁰ bepaald. Diffusiecoëfficiënten berekend op basis van vergelijking 1 zijn: Pu (IV) in MOPS buffer - 2,29 x 10 ^-6 cm ² s ^-1, Pu (V) in MOPS buffer - 3,50 x 10 ^-6 cm ² s ^-1, Pu (IV) - Pu (V) met HA - 0,92 x 10 ^-6 cm ² sec ^-1. Van boven naar beneden: Pu (V) in MOPS buffer (rood open cirkel), Pu (IV) in de MOPS buffer (blauw open driehoeken), Pu (IV) - Pu (V) in aanwezigheid van 20 ppm van HA (groen open vierkantjes), Pu (IV) in aanwezigheid van 20 ppm van HA (bruin open ruiten). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Monstertype	Aantal metingen	239 Pu concentratie, μBq L -1
Bulk water	2	1,9 ± 0,55
DGT 0,39 mm	2	1,74 ± 0,9
DGT 0,78 mm	1	1.79 ± 0,9

Tabel 1. Representatieve resultaten voor ²³⁹ Pu metingen door AMS in de bulk water en DGT samplers. ²³⁹ Pu in de bulk water werd gecoprecipiteerd van 20 liter water met ijzerhydroxiden, gewonnen op de actinide-specifieke uitwisseling hars en gemeten door AMS . ²³⁹ Pu concentraties DGT metingen berekend met vergelijking 2 en diffusiecoëfficiënt voor Pu (IV). Onzekerheden voor k = 2; u (95).

Discussion

De hier beschreven experimenten met Pu met een diffusiecel DGT methodologie biedt een betrouwbare benadering van verschillende studies Pu redox soorten en hun interacties met organische moleculen, colloïdale deeltjes en gesimuleerde milieusystemen. Verdere toepassingen van DGTs voor milieu-metingen van Pu zal bijdragen aan ons begrip van de biologische beschikbaarheid en het lot van deze radionucliden in aquatische ecosystemen.

Laboratorium diffusie experimenten

Om een ​​succesvolle diffusie experiment met zinvolle conclusies over Pu mobiliteit en interacties met betrekking tot een specifieke chemische omgeving presteren, goed gedefinieerde en controleerbare voorwaarden moet worden verstrekt. De aanpassing van Pu oxidatietoestanden vóór experiment is essentieel voor de interpretatie van gegevens te vereenvoudigen en te simuleren verschillende biochemische gedrag van Pu redox-stof. De gevoeligheid van Pu soortenpH variaties maakt het bufferen van de oplossingen een must. Moet bijzondere aandacht worden besteed aan de diffusiecel functies en setup: het gebruik van niet-sorberende Teflon polymeer materiaal voorkomt adsorptie aan de celwanden en laat een robuuste lekvrije montage, het voorkomen van verlies van Pu van het verspreiden van oplossingen tijdens het experiment.

De aanvankelijke Pu concentratie worden ingebracht in het compartiment A, en de sampling interval en het volume van elk monster genomen tijdens de diffusie experiment afhankelijk van de analysemethode in het laboratorium. Elke beschikbare analytische methode kan worden gebruikt voor de bepaling van Pu-concentratie in de monsters uit de diffusiecel, maar deze keuze is stevig gebonden aan de oorspronkelijke activiteit van Pu genomen voor het experiment. 10 Bq ^van 239 Pu, zoals aanbevolen in dit protocol (het geven van 100-140 mBq ml ^-1 of ~ 2 × 10 ^-13 mol ml ^-1) zijn voldoende om genoeg gevoeligheid voor measurem biedenenten door alfa-spectrometrie en in het algemeen geen bijzondere problemen voor de bescherming tegen straling regelgeving vormen. De beginconcentratie van Pu kan worden verminderd indien andere, meer gevoelige analytische technieken beschikbaar voor Pu bepalen (bijvoorbeeld massaspectrometrie). Sampling interval kan worden geselecteerd voor elk experiment diffusie, afhankelijk Pu beginconcentratie en de verwachte snelheid van diffusie door het gel PAM. Ondanks het feit dat de aliquots van diffusie experimenten geen uitzondering Pu radionucliden bevatten, kan de aanwezigheid van minerale zouten en de MOPS buffer verstoren analysemethode, waardoor de efficiëntie en nauwkeurigheid van de kwantitatieve analyse. Het verdient daarom de voorkeur een chemische scheiding van Pu voeren op deze monsters.

De diffusiecel geeft de beste benadering voor diffusie studeren in de PAM gel omdat de gel direct wordt blootgesteld aan een goed geroerde oplossing. Dus de effecten van de diffusieve boundary laag (DBL) bij de gel oppervlak worden verwaarloosbaar geacht. Goed roeren van de oplossing gedurende een diffusie experiment noodzakelijk, waardoor het minimaliseren van de effecten DBL. Op hetzelfde moment, moet men zorgvuldig te werk gaan om de PAM gel niet verstoren.

Studies van Pu biobeschikbaarheid in natuurlijk zoet water

De door dit protocol blijkt dat het meten van plutonium met DGT-apparaten biedt een efficiënt instrument om de biologische beschikbaarheid van plutonium studeren in zoetwater resultaten. DGT metingen opbrengst tijdsgemiddelde concentratie vrije en gevoelige moleculen, de twee belangrijkste vormen voor biologische opname door levende organismen. Bovendien kan de kinetiek van de interactie van Pu met organische stoffen worden onderzocht met behulp van gels van verschillende dikte. De tijd die nodig Pu-NOM species diffunderen door de gel zal de meest labiele complexen dissociëren. DGT metingen kunnen worden aangevuld by ultrafiltratie technieken, waar het percentage Pu colloïdale soorten opleveren boven een bepaalde grootte (bijvoorbeeld 8 kDa). Pu colloïdale soorten worden gewoonlijk beschouwd als niet-biologisch beschikbaar species en zijn onderdeel van het Pu breuk niet meetbaar middels DGT.

Op dit punt werden de DGT apparaten ingezet alleen in zoet water van een karstbron van de Zwitserse Jura. Lage milieuconcentraties van Pu vereisen een langdurige inzet van DGT inrichtingen, die mogelijke nadelen ondervinden. Biofouling van de DGT oppervlak een aanzienlijk nadeel, waardoor de DBL dikte en daarmee de flux van Pu beperken door PAM gel. Bindende fase van de DGTs blootgesteld in mariene wateren of wateren van hoge mineralisatie kan snel worden verzadigd met andere spoormetalen, verkeerde voorstelling van de gegevens voor de accumulatie van Pu. Bepaling van sporen niveaus van milieu Pu vereist een gedegen radiochemische scheiding en zeer gevoelige analytische methoden. AMS metings toegepast in dit protocol zijn niet algemeen beschikbaar, maar kan worden vervangen door andere massaspectrometrie technieken. Echter, een strikte scheiding radiochemische name de isobare interferentie ²³⁸ UH elimineren van natuurlijk voorkomende uranium.

Vergelijking 2 laat zien dat de omvang van de DGT inrichting is een essentiële parameter die kan worden afgestemd op de hoeveelheid geaccumuleerde Pu stijgen tijdens een bepaalde implementatietijd. Commerciële gel strips zijn alleen beschikbaar met een maximale oppervlakte van 6 cm x 22 cm. Daarom is het raam van de DGT sampler verhoogd tot 105 cm ² (5 cm x 21 cm), het mogelijk maken van voldoende van Pu soorten accumuleren relatief korte implementatie tijden. De montage van een dergelijke DGT sampler vereist precisie en bijzondere aandacht van de PAM gelblad eigenschappen, terwijl het manipuleren. Het is van fundamenteel belang voor gel lagen samenvoegen tot een glad gezicht uniform "sandwich" met het oog op een homoge biedentane flux van Pu soorten uit de bulk water door de diffuse gel. Goede waterstroom aan het DGT oppervlak is een belangrijke parameter, maar het wordt meestal bepaald door de stroomomstandigheden in de aquifer. Het wordt aanbevolen om DGT inrichtingen voor Pu metingen plaats bij ongeveer 45 ° in de richting van de waterstroom teneinde een constante watervoorziening en de effecten van de DBL minimaliseren.

Diffusiecoëfficiënt toegepast in de vergelijking 2 worden gecorrigeerd als de temperatuur in de bestudeerde waterlichaam verschilt van de temperatuur waarbij de diffusiecoëfficiënt bepaald. Temperatuurseffecten op diffusie coëfficiënten van de Stokes-Einstein vergelijking (vergelijking 3):
(3)
waarbij D _{1 en} D2 zijn diffusiecoëfficiënten (cm ² sec ^-1), η ₁ en η ₂ zijn viscositeit (mPa sec) water bij temperaturen _{T1 en} T2 (K) respectievelijk.

Momenteel bestaat er geen methode om Pu speciatie in ongerepte omgeving onderzoeken, behalve thermodynamische berekeningen op basis van, bijvoorbeeld, pH en redox parameters. Deze parameters zijn alleen beschikbaar voor macro-componenten, zoals carbonaten, ijzer en mangaan kationen. Aldus wordt Pu speciatie uit deze meetbare species, maar geen "echte" meting vertegenwoordigen. Hier denken we dat de diffusie in dunne PAM gelfilm techniek in dit document is een belangrijke stap in de oplossing van het Pu soortvorming probleem, omdat het laat meten in situ vrij en labiele soorten en, eventueel, waaruit plutonyl soorten. Hoewel slechts enkele DGT metingen van het milieu Pu in zoet water nu toe zijn uitgevoerd, worden de resultaten bemoedigend voor verdere toepassingen van de DGT techniek voor Pu speciatie en biologische studies.Inzet van DGTs in organisch-rijke wateren zal mogelijk belangrijke informatie over Pu mobiliteit en interacties op in aanwezigheid van NOM moleculen. Interessante resultaten moeten worden verwacht van DGT metingen in vervuilde mariene milieu, zoals de kustwateren rond de nucleaire opwerkingsfabriek Sellafield en de beschadigde Fukushima Daiichi kerncentrale.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
239Pu tracer	CEA		Source PU239-ELSC10
242Pu tracer	LNSIRR		Source Pu242 N° 790 from Laboratory for National Standards of Ionizing Radiation of Russia
25 ml Beakers
Pipette	Socorex
Disposable plastic pipettes	Semadeni
20 ml Plastic scintillation vial	Semadeni
Aluminium foil
Hot plate
Tweezers
Actinide exchange resin - TEVA - B	Triskem	TE-B50-A
Actinide exchange resin - TEVA - R cartridges	Triskem	TE-R10-S
1 ml Pipette tips	Socorex
PAM gel strip 6×21 cm	DGT Research Ltd		0.39 mm and 0.78 mm thickness / www.dgtresearch.com
Chelex gel strip 6×21 cm	DGT Research Ltd		0.40 mm thickness / www.dgtresearch.com
Diffusion cell			Fabricated / in-house workshop
Ø 27 mm Punch			Fabricated / in-house workshop
Plastic tray
DGT set-up			Fabricated / in-house workshop
Membrane filter	PALL Corporation		HT-450 Tuffryn Polysulfone Membrane Disc Filter 0.45 μm / 145 μm thickness
Nitric acid	Carlo Erba	408025
Sulfuric acid	Sigma-Aldrich	84720
Hydrocloric acid	Carlo Erba	403981
Hydriodic acid	Merck	100341
Potassium permanganate	Merck	105082
Sodium hydrogen sulfate	Merck	106352
Sodium sulfate	Merck	106647
Sodium nitrate	Sigma-Aldrich	31440
Sodium nitrite	Fluka	71759
Sodium acetate	Merck	106281
Ammonium oxalate	Fluka	9900
Bis-(2-ethyl hexyl) phosphoric acid (HDEHP)	Merck	177092
2-thenoyltrifluoroacetone (TTA)	Fluka	88300
MOPS buffer	Sigma-Aldrich	M9381	MOPS sodium salt
Cyclohexane	Carlo Erba
Humic acid			Extracted from an organic-rich soil of an Alpine Valley, freeze-dried, MW 5-40 kDa
NH4OH	Carlo Erba	419943
FeCl3·H2O	Sigma-Aldrich	44944