Summary
Teknikken med diffusiv gradienter i tynne filmer (DGT) er foreslått for arts studier av plutonium. Denne protokollen beskriver diffusjon eksperimenter sondering oppførselen til Pu (IV) og Pu (V) i nærvær av organisk materiale. DGTS utplassert i en karstkilden tillate vurdering av biotilgjengeligheten av Pu.
Abstract
Den biologisk opptak av plutonium (Pu) i akvatiske økosystemer er spesielt opptatt av, siden det er en alfa-partikkel emitter med lang halveringstid som potensielt kan bidra til eksponering av biota og mennesker. De diffusive gradienter i tynne filmer teknikken er innført her for in-situ målinger av Pu biotilgjengelighet og arts. En diffusjonscelle konstruert for laboratorieforsøk med Pu og den nyutviklede protokollen gjør det mulig å simulere miljøet oppførselen til Pu i modell oppløsninger av forskjellige kjemiske sammensetninger. Justering av oksidasjonstilstander til Pu (IV) og Pu (V) er beskrevet i denne protokollen er avgjørende for å undersøke den komplekse redoks-kjemi av plutonium i miljøet. Kalibreringen av denne teknikken, og de resultater som ble oppnådd i laboratorieeksperimenter gjør det mulig å utvikle en spesifikk DGT anordning for in-situ Pu målinger i ferskvann. Akseleratorbasert massespektrometri målingerav Pu akkumulert av DGTS i en Karst våren tillatt bestemme biotilgjengeligheten av Pu i et mineral ferskvannsmiljø. Anvendelse av denne protokollen for Pu målinger ved hjelp av DGT enheter har et stort potensial til å forbedre vår forståelse av arts og den biologiske overføring av Pu i akvatiske økosystemer.
Introduction
Plutonium er et kunstig radionuklidet stede i miljøet som følge av den globale nedfall etter atombomben tester og atomulykker. Redoks kjemi av plutonium har viktige implikasjoner for sin migrasjon og biogeokjemiske sykling i miljø akvatiske systemer 1. Plutonium har en kompleks kjemi og kan eksistere i fire oksidasjonstilstander (III, IV, V, VI) på samme tid. Derfor, er fordelingen av redoks arter av plutonium i naturlig vann ekstremt følsom for lokal kjemisk miljø 2,3. Oksydasjonstilstanden plutonium avhenger også av opprinnelsen til kilden - denne uttalelsen blir det meste relevant for forurensede miljøer og deponi. Reduserte plutonium arter (+ III og + IV) finnes hovedsakelig i anoksiske miljøer og stammer fra global nedfall og lager avfall utslipp, mens høyere oksidasjonstilstander (+ V og + VI) kan bli funnet blant forfall produkter av andre actinideneog i oksiske miljøer 4.
Mobiliteten og miljøatferd av plutonium kan forutsies i noen grad fra Redox arts. Plutonium i + III og + IV oksidasjons finnes hovedsakelig i fast fase og har økt kapasiteten til å sorbere til uorganiske kolloider og naturlig forekommende organisk materiale (NOM) molekyler. Plutonium i + III + IV og oksidasjonstilstander er ansett å være mindre mobile. Mer løselige oksiderte former av plutonium (+ V og + VI, V + er mest sannsynlig) 5 potensielt kan bidra til en høyere biologisk overføring til akvatiske organismer som følge av høyere mobilitet. Ikke desto mindre, i nærvær av NOM, særlig av humus, Pu (V) blir redusert 17, skiftende partisjoner flere størrelsesordener i favør av nedbør. Til tross for det faktum at reduksjonen frekvensen av Pu (V) til Pu (IV) er 4 til 5 størrelsesordener raskere enn den reverse reaksjonen, re-mobilisering i Pu (IV) under oksyderende betingelser may også skje en. Nyere eksperimentelle data på mineral sedimenter endret med Pu (IV) og utsatt for natur oksyderende betingelser har vist at konsentrasjonen av oppløselige Pu i vandig fase økes over tid 1,6. Forfatterne forklarer det ved oksydativ desorpsjon av Pu (IV) og dannelse av mer oppløselige Pu (V) og (VI) Pu arter. Oksidasjon av Pu (IV) kan også forekomme på grunn av naturlig oppstått manganoksider 7. Disse observasjonene er viktig for biotilgjengelighet modellering og miljørisikovurdering av avfall og forurenset grunn.
Studier av biotilgjengelighet og arts av plutonium er en utfordrende oppgave i både laboratorie- og in-situ forhold. Lave miljø konsentrasjoner variasjon av redox-arter og interaksjoner med naturlige kolloider gjør det vanskelig å simulere den biokjemiske oppførsel av plutonium. Teknikken med diffusiv gradienter i tynne filmer (DGT) basert påspredningen av frie og labile forurensnings arter gjennom en polyakrylamid (PAM) gel er mye brukt for miljø målinger av sporstoffer 8. En DGT sampler representerer et tre-lags anordning fremstilt av en bindende fase (for de fleste spormetaller er det Chelex harpiks inneholdt i PAM gel), diffusive gelsjiktet (PAM gel med varierende tykkelse) og en filtermembran beskytte gelen og holder menigheten sammen. Tynne filmer av polyakrylamid gel som består av 85% vann, gjør det mulig frie og labile komplekse arter diffunderer hurtigere enn plutonium bundet til NOM store molekyler eller naturlige kolloidale partikler. Et oppsett er utformet for å studere plutonium diffusjon i tynne PAM-gel filmene i laboratoriebetingelser kalles en diffusjonscelle 9.
En diffusjon celle er en tokammerbeholder hvor to separate kamre er forbundet med hverandre ved en åpning av en gitt overflate. Åpningen, dvs. vinduet mellom de to kamrene contains en plate av diffusjon gel av en gitt tykkelse. Vi har konstruert en Teflon-celle med to 100 ml lommer og en sirkulær diffusjon vindu 1,7 cm i diameter. En avdeling er flyttbar, tilrettelegging forsamlingen. En 0,5 cm brede spor skåret rundt diffusjon vinduet på den faste rommet tjener til å plassere diffusive gel platen. Spordybden skal være lik PAM gel tykkelse beregnet til bruk. Vi velger å arbeide med en 0,39 mm PAM gel, og dermed spordybden i vår diffusjonscelle er 0,39 mm. Et detaljert bilde av diffusjonscellen er gitt i figur 1.
Når en oppløsning som opprinnelig inneholdt plutonium er plassert i et kammer (A), vil diffundere Pu arter etablere en konsentrasjonsgradient i gelen og vil begynne å akkumulere i det andre kammeret (B), som i utgangspunktet inneholder en løsning av den samme kjemiske sammensetning uten Pu . Den opprinnelige konsentrasjon av Pu arter i kammer A er definert slik at det remains konstant eller endringer svært lite (med 1% -2% på det meste) i hele diffusjon eksperiment. Plotte mengden av diffust Pu som funksjon av tiden gir et middel for å analysere mobiliteten av Pu arter som hersker i de forskjellige simulerte miljøforhold. Diffusjon i tynne filmer gir et verdifullt alternativ for studier av Pu mobilitet og arts og kan med hell brukes i feltforhold 10. Man kan erstatte diffusjonscellen av en passiv sampler, produsert med PAM diffusive gel og Chelex harpiks som innbindings fase, som tjener til å akkumulere som diffunderer Pu arter. En slik prøvetaker kan eksponeres i feltforhold - mengden av Pu akkumulert i harpiksen vil være en indikasjon på arts og biotilgjengeligheten av Pu i det aktuelle miljø 10.
I dette arbeidet har vi brukt en diffusjonscelle å undersøke mobilitet av Pu (IV) og Pu (V) arter og deres samspill med NOM i et laboratorium. FuVidere gir vi brukt store passive DGT prøvetakere av en overflate på 105 cm 2 for å studere biotilgjengeligheten av Pu i en karstkilden av den sveitsiske Jura-fjellene (Venoge River) der en betydelig andel av Pu ble funnet i intracellulære deler av vannlevende moser i en tidligere arbeid 11. På grunn av svært lavt nivå av plutonium til stede i dette uberørte miljøet, ble akseleratorbasert massespektrometri (AMS) teknikker tilgjengelig på ETH Zurich brukes til å måle plutoniumisotopene.
Protocol
1. Plutonium Tracer Forberedelse
- Pu (IV) tracer forberedelse
- Fra Pu stamløsningen overføre en passende alikvot inneholdende den ønskede mengde av Pu for forsøket i et 25 ml begerglass. Arbeid med 10 Bq av 239 Pu gangen.
- Tilsett 1 ml konsentrert HNO3, 0,6 ml 1 M NaHSO 4, 0,4 ml konsentrert H 2 SO 4. Inndamp til tørrhet på en varm plate. Varme langsomt ved 200 ° C i begynnelsen for å unngå syre projeksjon.
- Når ingen væske er igjen i begerglasset, gløde residuet ved 400 ° C - 500 ° C inntil ingen hvite damper utgå. Resten er hvit når det avkjøles og oppløselig i bufferen som er valgt for forsøket.
Note: Pu (IV) kilde fremstilt på denne måten kan lagres tørt opptil flere måneder 12.
- Pu (V) tracer forberedelse 13
- Pu oksidasjon
- Overføre en porsjon fra Pu stock-løsning i en plast 20 ml væske-scintillasjonskyvette med en lekkasjesikker hette. Arbeid med 10 Bq av 239 Pu gangen. Legg 0,01 ml av 0,01 M KMnO 4 og la blandingen i mørke i minst 6 timer.
- Pu (VI) ekstraksjon
- Før ekstraksjon forberede en løsning av 0,5 M tenoyltrifluoraceton (TTA) i sykloheksan og beskytte den mot lys eksponering. Alltid forberede denne løsningen umiddelbart før hvert forsøk.
- Legge til den oksyderte Pu oppløsning 2 ml 0,1 M CH 3 COONa ved pH 4,7, og 2 ml 0,5 M tenoyltrifluoraceton (TTA) i cykloheksan. Pakk flasken med aluminiumsfolie for å holde reaksjonsblandingen i mørket, ristes i 10 minutter. Separer den organiske fase inneholdende Pu (VI) med en pipette og overføres til et rent hetteglass.
- Pu (VI) til Pu (V) photoreduction
- La hetteglass som inneholder Pu (VI) -TTA kompleks i sykloheksan ved rombelysning i 2 timer.
- Pu (V) ekstraksjon
- Legg til lys-eksponerte oppløsning 1 ml 0,1 M CH 3 COONa ved pH 4,7 og rystes i 5 min. Fjern vandige fase, inneholdende Pu (V). Bestemme konsentrasjonen av denne kilden ved væskescintillasjonstelling å ta en 100 pl prøve.
Merk: Forbered Pu (V) løsninger umiddelbart før hvert forsøk siden den langsiktige stabiliteten i Pu i + V oksydasjonstilstanden blir avhørt.
- Legg til lys-eksponerte oppløsning 1 ml 0,1 M CH 3 COONa ved pH 4,7 og rystes i 5 min. Fjern vandige fase, inneholdende Pu (V). Bestemme konsentrasjonen av denne kilden ved væskescintillasjonstelling å ta en 100 pl prøve.
- Pu oksidasjon
2. Utarbeidelse av Solutions brukt i forsøkene
- Forbered bufrede løsninger
- Gjør 10 mM løsning av MOPS (3- (N -morpholino) propansulfonsyre) buffer. Ta 200 ml av denne løsningen og juster til den ønskede pH-verdien ved dråpevis tilsetning av 0,1 M HCl (pH 6,5 for bruk med Pu (IV) og pH 5,5 for bruk med Pu (V)).
- Forberede løsninger for eksperimenter med Pu (IV)
- Løsning A
- Oppløse Pu (IV) forberedt på trinn 1,1 i SEVeral ml av 10 mM MOPS bufret oppløsning ved pH 6,5. Vask begerglasset med den samme oppløsning.
- Bringe volumet til 72 ml med 10 mM MOPS bufret oppløsning ved pH 6,5. Kontroller pH og re-juster til 6,5 med 0,1 M NaOH. Overføring 72 ml av denne løsningen i en ren beholder - dette er (A) løsning som skal føres inn i kammer A fra diffusjonscellen.
- Oppløsning B
- Ta 72 ml av 10 mM MOPS-bufret løsning ved pH 6,5; legge til 0,75 ml av 1 M Na 2 SO 4. Sjekk pH, re-justere til 6.5 hvis det er nødvendig. Overføring 72 ml av denne løsningen i en ren beholder - dette er den «B» oppløsning som skal innføres i «B» kammer i diffusjonscellen.
- Forbered løsninger med NOM
- Veie 1,4 mg frysetørket fulvic eller huminsyre til en oppnå konsentrasjon på 20 ppm og oppløse den i «A» løsning containing Pu (IV). Forbered denne løsningen 24 timer før eksperimentere og å tillate likevekt.
- Løsning A
- Forberede løsninger for eksperimenter med Pu (V)
- Løsning A
- Oppløs Pu (V) oppnådd i trinn 1.2.4 i 72 ml av 10 mM MOPS-bufret løsning ved pH 5,5; legge til 0,75 ml 1 M Nano 3. Kontroller pH-verdien og justeres til 5,5 om nødvendig. Overfør 72 ml av denne løsningen i en ren beholder. Forbered løsningen med Pu (V) umiddelbart før eksperimentere.
- Oppløsning B
- Ta 72 ml av 10 mM MOPS-bufret løsning ved pH 5,5; legge til 0,75 ml 1 M Nano 3. Kontroller pH-verdien og justeres til 5,5 om nødvendig. Overfør 72 ml av denne løsningen i en ren beholder.
- Forbered løsninger med NOM
- Veie 1,4 mg frysetørket fulvic eller huminsyre for å oppnå en konsentrasjon på 20 ppm og oppløses i en oppløsning inneholdende Pu (V). La oppløsningen i 24 timertil å nå stabil tilstand mellom Pu (IV) og (V) Pu arter. Før eksperimentet diffusjon utføre en væskefase ekstraksjon for å bestemme den fraksjon av Pu (V) som beskrevet i seksjon 3.4.2.
- Løsning A
3. Laboratory Diffusion Experiments
- Forbered PAM gel
- Fukt et plastbrett med flere milliliter elektrolytt (f.eks 10 mm Nano 3), plasser PAM gel stripe i og utvide jevnt over overflaten. Plasser forsiktig en skarpt slag på 2,7 cm i diameter på geloverflaten. Unngå å skyve slag over geloverflaten.
- Bruk lokal fokusert belysning om nødvendig, kan det bidra til å visualisere gjennomsiktig PAM gel. Trykk punch godt mot geloverflaten og slipp når det er kuttet.
- Montering av diffusjonscellen
- Plasser PAM gel platen med pinsett inn i sporet over diffusjon vindu i en jevn-faced måte. Drei skruen slik at two avdelinger av diffusjonscellen holde sammen, sammenkoblet via PAM-gel-plate.
- Mark A og B diffusjon cellens kamre. Monter diffusjonscellen med gelen platen umiddelbart før hvert forsøk; ikke tillater å tørke gelen.
- Lansere en diffusjon eksperiment
- Hell sakte A- og B-løsninger i de tilsvarende avdelinger. Kontroller at begge løsninger er strømmet med samme hastighet for å tilveiebringe tilsvarende volum i hvert kammer til enhver tid, ellers diffusive gelen kan bli skadet.
- Starte timeren når løsningene er i cellen. Plasser miniatyr elektriske miksere over diffusjonscellen. På dette tidspunkt er diffusjonen eksperimentet anses startes.
- Tar prøver hele diffusjon eksperiment
- Ta prøver av samme volum innenfor regelmessige tidsintervaller fra A- og B-seksjonene samtidig for å holde konstant volum i løpet av experiment.
- Ta en 1,00 ml prøve samtidig i hvert kammer umiddelbart ved begynnelsen av forsøket for å bestemme den initiale Pu konsentrasjonen i A rommet.
- Bruke en samplingstidsintervall på 10 minutter i forsøk uten tilsetning av NOM og 20 minutter til flere timer i eksperimenter med huminsyre. 2,00 ml prøver er tilstrekkelig til å gi god følsomhet for alfa-spektrometrisk målinger.
- Væskeekstraksjon av Pu (IV) og Pu (V)
- Ved slutten av forsøket diffusjon ta for seg 4 ml prøver av A og B-seksjonene i plast prøverør med lekkasjesikre caps. Surgjør prøver med 1 ml 2 M HCl.
- Tilsett 5 ml av 0,5 M bis- (2-etylheksyl) fosforsyre (HDEHP) oppløsning i cykloheksan og agitere prøverør kraftig i 5 min. La prøvene for å muliggjøre faseseparasjon. Fjern vannfase inneholdende Pu (V).
- Back-utvinning av Pu (IV)
- Back-exskrift Pu (IV) fra den gjenværende organiske fase med 5 ml 5% (NH 4) 2 C 2 O 4.
- Ta prøver av samme volum innenfor regelmessige tidsintervaller fra A- og B-seksjonene samtidig for å holde konstant volum i løpet av experiment.
4. Prøve Treatment
- Spike prøver med en intern standard
- Spike prøver som skal analyseres med et utbytte tracer. Bruk en spiss på 1,00 ml av 242 Pu tracer av 25 MBq ml -1 aktivitetskonsentrasjon for alfa spektrometriske målinger.
- Oksidere prøver 'matrise
- Fordamp prøvene til tørrhet på en varm plate med 2,00 ml konsentrert HNO3.
5. kjemiske Separering av Pu
- Juster Pu oksydasjonstilstanden
- Oppløs tørre prøver fra punkt 4.2.1 i 5 ml 8 M HNO3, tilsett 20 mg NaNO2, varme prøver ved 70 ° C i løpet av 10 min. Dette trinnet kan justere oksydasjonstilstanden Pu til + IV.
- Fastfase-ekstraksjon av Pu
- Fukt et kvaternært aminbasert anionbytterharpiks-kolonne (eksempel TEVA) med 1,5 ml 8 M HNO3. Bruke mikro-kolonne laget av en ml pipettespissen med 100 mg av harpiksen kondisjonert med 1,5 ml 8 M HNO3.
- Passerer løsning av 5.1.1 gjennom harpikskolonnen med strømningshastighet på ca. 1 ml min-1. Skyll prøven beger med 2 ml 8 M HNO 3 tre ganger og overføre washouts til harpiks kolonner.
- Elute Pu
- Vask kolonner med 3 ml 9 M HCl. Elute Pu med 3 ml oppløsning 9 M HCl / 0,1 M HI. Fordampe Eluatene på kokeplate. Behandl med 2 ml konsentrert HNO 3, fordampes til tørrhet. Gjenta om nødvendig til den brune jod fargen forsvinner.
- Bestem Pu-konsentrasjonen i prøvene ved en hvilken som helst tilgjengelig fremgangsmåte.
Note. For konsentrasjoner utvalg av 239 Pu brukt i denne protokollen alfa-spektrometri gir en god følsomhet. Forbered kilder for alpha-spectrometric telling ved galvanisering på rustfrie stålskiver 14. Antall kilder på PIPSs detektor (450 mm 2) i et spektrometer.
6. Analyse av data
- Plot diffust Pu versus tid
- Plott aktiviteten til Pu (mBq) akkumulert i kammeret B som funksjon av tid (min). Riktig for volumet av prøven tatt ut i løpet av diffusjon eksperiment: aktivitet av akkumulert Pu (mBq) ved tiden t er lik konsentrasjonen (mBq -1 ml) bestemt i prøven multiplisert med volumet av oppløsning (ml) i kammer B på tidspunktet for prøvetaking (se eksempel på arket - figur 2).
- Plotte på de samme grafen data fra flere forsøk med ulike Pu konsentrasjoner, bruk konsentrasjoner normalisert til den opprinnelige Pu konsentrasjonen av rommet A.
- Beregn diffusjonskoeffisient
- Beregn diffusjonskoeffisient D (cm 2 -1) av Pu arter for hvert eksperiment 10. Bruk ligning (1):
(1)
hvor Δg er diffusjonen gel tykkelse (cm), C Pu den opprinnelige konsentrasjon (MBq ml) -1, S diffusjonen område (cm 2), og en aktivitet (mBq) av Pu arter som spredes i kammeret B på tidspunktet t (sek). Aa / At er helningen av den lineære plott av Pu diffundert inn i kammeret B som funksjon av tiden.
- Beregn diffusjonskoeffisient D (cm 2 -1) av Pu arter for hvert eksperiment 10. Bruk ligning (1):
(1) 7. biotilgjengelighetsstudier av Pu i Natural Freshwaters
- Forbered DGT prøvetakere
- Fukt et plastbrett med flere milliliter elektrolytt (f.eks 10 mm Nano 3), plasserer bunnplaten (se figur 3) av DGT sampler. Bruk lokal belysning om nødvendig, kan det bidra til å visualisere gjennomsiktige gels.
- Positipå en 6 cm x 22 cm Chelex harpiks gel strimmel og ekspandere jevnt over platens overflate. Plassere på toppen av harpiksen gelsjiktet en 6 cm x 22 cm PAM diffusive gel strimmel og ekspandere jevnt over overflaten. Pass på at gels ikke sklir og er plassert i en jevn-faced måte.
- Dekk diffusive gel-lag med en 6 cm x 22 cm stykke av en filtermembran. Plasser dekkrammen på DGT sampler (se figur 3) over filtermembranen og lukke sammenstillingen lett å trykke på rammen på kantene.
- Skjær strekker gel deler av med en skarp lansett, åpen og omstille gel lag om nødvendig til en jevn plate overflate oppnås. Fest montering med skruer.
- Fukt DGT prøvetakere med flere milliliter elektrolytt (f.eks 10 mm Nano 3). Lagre våt i en forseglet plastpose opptil flere uker ved 4-5 ° C.
- Distribusjon av DGTS i en naturlig kropp av vann
- Distribuere DGTS i vannmassen, enten suspendere dem i et sterkt tau eller installere på en stabil vertikal støtte på en måte for å tilveiebringe en konstant tangential vannstrøm langs overflaten av DGT. Distribuere DGT enheter i ferskvann for to-tre uker for å samle de Pu ved en konsentrasjon tilstrekkelig for målinger.
- Hente DGTS fra vannet. Skru av forsamlingen, ta ut filteret membran og kast. Ta ut den øvre gellaget (PAM diffusive gel) og kast.
- Overfør harpiksen gelen inn i et begerglass som inneholder 20 ml 8 M HNO3 og pigg prøver som skal analyseres med et utbytte tracer. Bruk en spiss på 1,00 ml 242 Pu tracer på 0,25 MBq ml -1 (1,7 pg ml -1) aktivitetskonsentrasjon for AMS målinger. Etter å ha godt agitated, la prøvene O / N for Pu eluering.
- Filter løsninger fra de harpiks gelprøver; Skyll de gjenværende harpiks geler med 5 ml 8 M HNO3 og kombinere utvaskinger med prøver. Tilsett 20 mg NaNO2 til hver prøve, varme oppløsningene ved 70 ° C i løpet av 10 min. Dette trinnet kan justere oksydasjonstilstanden Pu til + IV.
- Fukt et kvaternært aminbasert anionbytterharpiks patron med 10 ml 8 M HNO3. Bestå løsningene av punkt 7.4.1 gjennom ionebytterharpiksen patronen med strømningshastighet på ca. 1 ml min-1. Skyll prøven beger med 5 ml 8 M HNO 3 tre ganger og overføre washouts til utveksling harpiks patron.
- Vask patroner med 10 ml 9 M HCL. Elute Pu med 15 ml oppløsning 9 M HCl / 0,1 M HI. Fordamp eluatet på en varm plate. Unn med 2 ml konsentrert HNO 3, evaporate til tørrhet. Gjenta om nødvendig til den brune jod fargen er helt forsvunnet.
- Gjenta radiokjemisk separasjon av Pu en til to ganger om høyere rensing er nødvendig - avhengig av resultatene av Pu påvise system. Utføre den andre og den tredje separasjoner på mikro Søyler av 1 ml pipettespissen med 100 mg av utveksling harpiks klimaanlegg med 1,5 ml 8 M HNO 3.
- Bestem Pu konsentrasjonen i prøvene. Bruk massespektrometri teknikker for å måle 239 Pu grunn av svært lavt nivå av plutonium i den uberørte miljøet.
Merk: I dette arbeidet bruker AMS anlegget tuned for analyse av aktinider ved Laboratorium for Ion Beam fysikk ved Swiss Federal Institute of Technology i Zürich.
8. Analyse av data
- Beregn konsentrasjonen (C DGT i μBq ml -1) av biotilgjengelig (labil) Pu species i bulk vann fra mengden av Pu akkumulert av DGT under utsetting perioden. Bruk ligning (2):
(2)
hvor A er aktiviteten (μBq) av Pu akkumulert i bindefasen, Δg diffusjonslaget (gel + filtermembran) tykkelse (cm), D diffusjonskoeffisienten av Pu i PAM gel (cm2 sek -1), S diffusjon området (cm 2), og T er varigheten av distribusjonen (sek). - Sammenlign C DGT av Pu bestemt ved DGTS med total Pu konsentrasjon i bulkvann, så vel som med andre tilgjengelige data artsdannelse.
(2) 9. radiokjemiske Separasjon for bestemmelse av total Pu i Bulk Water
- Tilstand vannprøve
- Pumpe vann fra den undersøkte vannmassen gjennom et 45 um membranfilter inn i en plastic mottaker. Arbeid med prøver av 10 til 50 L for AMS målinger. Surgjøre vann til pH 2 med HNO 3 umiddelbart etter prøvetaking ved prøvetakingsstedet før transport til laboratoriet.
- Fremskynde Pu på jern hydroksider
- I laboratoriet innføre en overhead-rører i mottakeren. Spike prøven med Pu utbytte tracer. Bruk en spiss på 1,00 ml 242 Pu tracer på 0,25 MBq ml -1 (1,7 pg ml -1) aktivitetskonsentrasjon for AMS målinger.
- Legg FeCl3 · 6 H 2 O tar ca 0,25 g per 10 L prøven. Etter å ha rørt i 30 min, bunnfallet jern- hydroksyder med NH4OH ved pH 8.
- Second utfelling av Pu på jern hydroksider
- Dekanter supernatanten fra vannprøven fra punkt 9.2.2. Gjenopprette utfelling av jern hydroksider i en 2 liters glassbeger, skyll mottakeren med avionisert vann og bland de washouts med SAMPle.
- Oppløs bunnfallet i ~ 100 ml 5 M HCl, varme til 90 ° C for å dekomponere karbonatene. Filtrerer om nødvendig når løsningen avkjøles. Re-felle jern hydroksider med NH 4 OH ved pH 8.
- Tilstand jern hydroksider for analyse
- Dekanter supernatanten fra prøven fra punkt 9.3.2. Gjenopprette bunnfallet av jern hydroksid i en sentrifugering fartøy. Sentrifuger, kast supernatanten. Vask bunnfallet med deionisert vann. Gjenta 2-3 ganger.
- Løs opp bunnfallet i 10 ml 8 M HNO 3, sender til radiokjemiske separasjon av Pu som tidligere beskrevet i avsnittene 7,4-7,6.
10. Forbered Prøver for AMS Målinger
- Fremskynde Pu på jern hydroksider
- Etter radiokjemisk separering, oppløse den siste prøven i 0,5 ml 1 M HCl, overføre prøven med en plastpipette inn i et 2,5 mL hetteglass. Skyll prøven begeret twice med 0,5 ml 1 M HCl, overfører utvaskinger til den samme beholderen.
- Tilsett 0,5 ml 2 mg ml -1 Fe 3+ stamløsning for å tilveiebringe 1 mg jern. Utfelle jern hydroksider legge noen dråper konsentrert NH4OH. Sentrifuger og dekanter supernatanten.
- Vask bunnfallet med avionisert vann, sentrifuger og dekanter supernatanten. Tørk bunnfallet på varmeplate ved 90 ° C.
- Forbered mål for AMS målinger
- Bake hydroksydene utfelles fra punkt 10.1.3 i en ovn i 2-3 timer ved 650 ° C. Bland med 3-4 mg niob metallpulver og trykk inn en Ti mål holder for AMS målinger.
Merk: Vi målte prøvene med kompakt (0,6 MV) AMS system "TANDY" på Swiss Federal Institute of Technology (ETH Zürich) Følg med for målinger av actinides 15,16.
- Bake hydroksydene utfelles fra punkt 10.1.3 i en ovn i 2-3 timer ved 650 ° C. Bland med 3-4 mg niob metallpulver og trykk inn en Ti mål holder for AMS målinger.
Representative Results
Diffusjon eksperimenter
Plotting aktivitetene til 239 Pu diffundert inn i kammeret B av diffusjonscellen som funksjon av tiden gir en visuell representasjon av fluksen av de 239 Pu art som diffunderer gjennom PAM gel. Diffusjonskoeffisienter beregnet fra disse plottene i henhold til ligning 1 gi et ekstra middel for å sammenligne forskjellige mobilitet 239 Pu redox-arter i forskjellige kjemiske miljøer (figur 2). Figur 5 viser spredningsforsøk med Pu (IV) og Pu (IV) -Pu (V) blandet art, henholdsvis i MOPS-buffer og i nærvær av 20 ppm av HA. En sammenligning av disse plottene viser at Pu (V) er betydelig mer mobile enn Pu (IV) .Dette er spesielt gyldig for Pu (IV) og Pu (V) når HA (MW 5-40 kDa i våre eksperimenter, karakterisert ved at SI ved Cusnir et al.) 10 tilsettes som komplekserende molekyler. Pu (V) kilde solution fremstilt i henhold til den protokoll som er beskrevet i dette dokumentet inneholder overveiende Pu (V) arter. Væskeekstraksjon med HDEHP ved slutten av eksperimentet diffusjon i MOPS bufret oppløsning fant 80% ± 10% av Pu (V). Det kjemiske utbyttet av denne ekstraksjon er 80%. Løsningen med Pu (V) i nærvær av 20 ppm av HA ble ekvilibrert under 24 timer og Pu (V) fraksjon i denne modellen oppløsning ble 35% ± 10%.
Studier av Pu biotilgjengelighet i naturlige ferskvann
Flere DGT enheter bygget i vårt laboratorium ble vellykket utsatt for perioder på to til tre uker i en Karst våren av de sveitsiske Jura-fjellene. Dette er et mineral fjær med pH i vannet i området fra 6,5 til 7,5, konduktivitet over 400 uS cm-1 og mettet med oksygen. Disse eksperimentene demonstrerte god anvendbarhet og robust gel sammenstillingene med ingen spor av biologisk forurensning, muligens også på grunn av tHan lav temperatur av fjæren (7 ° C). DGTS hentet etter at distribusjoner var godt bevart, med gel lag intakt, bevare den opprinnelige form og utseende. Pu akkumulert av DGTS ble analysert av AMS. AMS gir betydelige fordeler fremfor andre analyseteknikker: det er meget følsom (ned til sub-FG nivåer), og krever mye lavere opprinnelige prøve mengde enn a-spektrometri eller ICP-MS-teknikker. I tillegg er molekyl isobariske forstyrrelser, slik som uran-hydrid (238 UH), eller andre molekyler effektivt undertrykkes i løpet av AMS måling og ikke interferere med 239 Pu deteksjon. For noen tekniske årsaker (mest sannsynlig en forurensning med 239 Pu under kjemiske separasjoner), vi var ikke i stand til å bruke data for 239 Pu for de første programmene av DGTS i feltet. Likevel, de 240 Pu resultatene var upartisk. Dermed har vi beregnet 239 Pu innhold fra den målte <sup> 240 Pu, tar 0,18 som 240 Pu / 239 Pu atomforholdet for nedfall plutonium. Resultatene er oppsummert i tabell 1.
239 Pu konsentrasjoner målt i bulk vannprøver tilsvarer konsentrasjonen tidligere rapportert for denne akvifer (1-7 μBq L -1) 11. Videre, 239 Pu konsentrasjoner beregnet ut fra DGT målingene er lik innenfor usikkerheten i målingen. Siden DGTS akkumuleres bare gratis og labile Pu arter, kan man anslå brøkdel av biotilgjengelig Pu i dette vannet. Dataene er gitt i tabell 1 viser at alle de 239 Pu arten er til stede i bulk vann finnes i en biotilgjengelig form. Dette er et interessant resultat i lys av tidligere funn 11, som har åpenbart den fremherskende akkumulering av 239 + 240 Pu i den intracellulære fraksjon av de akvatiske moser som vokser i forhold til fjæren
Figur 1. Diffusion cellen som brukes for eksperimenter på Pu diffusjon gjennom PAM gel. De groove tykkelse 0,5 cm, spordybde 0,39 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Snapshot av Excel regneark som brukes for beregning av diffusjonskoeffisient. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Stor-overflaten DGT enhet for miljø Pu arts målinger Deler av DGT enhet -. Bunnplaten og dekkrammen -. Avbildet til venstre, forsamlingen med mannskap hullene på høyre Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. DGT sampler enheter fast i holderen (til venstre) som utsettes i Venoge spring (til høyre) for Pu biotilgjengelighet målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Plot av 239 Pu diffundert inn i kammeret B fra diffusjonscellen i forskjellige kjemiske miljøer. Eksperimentelle datapunkter er gitt for 239 Pu (IV) og 239 Pu (V), henholdsvis i MOPS buffer, så vel som for 239 Pu (IV) - 239 Pu (V) blandet arter (35% ± 10% av Pu (V)) i nærvær av HA. Linjen vist for 239 Pu (IV) -ha er beregnet ved hjelp av en diffusjonskoeffisient 0,50 × 10 -6 cm 2 sek -1 bestemt tidligere 10. Diffusjonskoeffisienter beregnet fra ligning 1 er: Pu (IV) i MOPS buffer - 2,29 × 10 -6 cm 2 sek -1, Pu (V) i MOPS buffer - 3,50 × 10 -6 cm 2 sek -1, Pu (IV) - Pu (V) med HA - 0,92 × 10 -6 cm 2 sek -1. Fra topp til bunn: Pu (V) i MOPS buffer (rød åpen sirkel), Pu (IV) i MOPS buffer (blå åpne trekanter), Pu (IV) - Pu (V) i nærvær av 20 ppm av HA (grønn åpne firkanter), Pu (IV) i nærvær av 20 ppm av HA (brune åpne diamanter). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Prøvetype | Antall målinger | 239 Pu konsentrasjon, μBq L -1 |
| Bulk vann | 2 | 1.9 ± 0.55 |
| DGT 0,39 mm | 2 1,74 ± 0,9 | |
| DGT 0,78 mm | 1 | 1,79 ± 0,9 |
Tabell 1. Representative resultater for 239 Pu målingene ved AMS i bulkvann og DGT prøvetakere. 239 Pu i bulk vann ble ko-utfelt fra 20 l vann med jern-hydroksyder, ekstrahert på aktinid-spesifikke ionebytterharpiks og målt ved AMS . 239 Pu konsentrasjoner for DGT målinger beregnes ved hjelp av ligning 2 og diffusjonskoeffisient for Pu (IV). Usikkerhet for k = 2; u (95).
Discussion
Den DGT metoden beskrevet her for eksperimenter med Pu bruker en diffusjonscelle gir en pålitelig metode for ulike studier på Pu redoks arter og deres samspill med organiske molekyler, kolloidale partikler og simulerte miljøsystemer. Ytterligere anvendelser av DGTS for miljø målinger av Pu vil bidra til vår forståelse av biotilgjengelighet og skjebnen til dette radionuklide i akvatiske økosystemer.
Laboratory diffusjon eksperimenter
For å utføre en vellykket diffusjon eksperiment med meningsfulle konklusjoner om Pu mobilitet og samhandling vedrørende en spesifikk kjemisk miljø, godt definert og kontrollerbare forhold må oppgis. Justeringen av Pu oksidasjonstilstander før eksperimentet er viktig for å forenkle tolkningen av data, samt for å simulere forskjellige biokjemiske oppførsel av Pu redox-arter. Sensitiviteten av Pu arterpH-variasjoner gjør bufring løsningene et must. Spesiell oppmerksomhet bør bli trukket til diffusjonscellen funksjoner og oppsett: bruk av ikke-sorbere Teflon polymermaterialet unngår adsorpsjon på celleveggene og gir en robust lekkasjesikker montering, hindre tap av Pu fra å spre løsninger under forsøket.
Den opprinnelige Pu konsentrasjon til å bli innført i kammeret A, så vel som samplingsintervallet, og volumet av hver prøve tatt under diffusjonen forsøket er avhengig av analysemetoden finnes i laboratoriet. Enhver tilgjengelig analysemetode kan brukes for bestemmelse av Pu-konsentrasjonen i prøvene fra diffusjonscellen, men dette valget er tett bundet til den opprinnelige aktivitet av Pu tatt for forsøket. 10 Bq av 239 Pu som anbefalt i denne protokollen (gi 100-140 MBq ml -1 eller ~ 2 × 10 -13 mol ml -1) er tilstrekkelig til å gi nok følsomhet for måling utenentene av alfa-spektrometri og generelt ikke byr på spesielle problemer for strålevernforskriften. Den initiale konsentrasjon av Pu kan reduseres hvis andre, mer sensitive, analytiske teknikker er tilgjengelige for bestemmelse Pu (f.eks, massespektrometri). Samplingsintervall kan velges for hver diffusjon eksperiment, avhengig av Pu opprinnelige konsentrasjon, og den forventede diffusjon gjennom PAM gel. Til tross for det faktum at alikvoter fra diffusjons- forsøk ikke inneholder annet enn Pu radionuklider, kan tilstedeværelsen av mineralsalter og i MOPS buffer forstyrre analytiske fremgangsmåten, noe som reduserer effektiviteten og presisjonen av kvantitativ analyse. Derfor er det å foretrekke å utføre en kjemisk separasjon av Pu på disse prøvene.
Diffusjonscellen gir den beste tilnærmingen for å studere diffusjon i PAM gelen, siden gelen utsettes direkte til en godt omrørt oppløsning. Dermed blir virkningen av den diffusive boundary lag (DBL) på geloverflaten anses som ubetydelig. God omrøring av oppløsningene i løpet av et eksperiment diffusjon er viktig, slik at for minimering av DBL effekter. På samme tid, må man gå forsiktig for ikke å forstyrre PAM gel.
Studier av Pu biotilgjengelighet i naturlige ferskvann
Resultatene fra denne protokollen viser at måling av plutonium med DGT enheter gir et effektivt verktøy for å studere biotilgjengeligheten av plutonium i ferskvann. DGT målinger gi tids gjennomsnittlige konsentrasjonen av frie og labile arter, de to viktigste formene for biologisk opptak av levende organismer. I tillegg kan kinetikken av interaksjonen av Pu med organisk materiale skal undersøkes ved hjelp av geler med forskjellig tykkelse. Den nødvendige tid for Pu-NOM-arter til å diffundere inn i gelen vil gi rom for de mest labile komplekser å dissosiere. DGT målinger kan suppleres by ultrafiltreringsteknikker, som gir prosentandelen av Pu kolloidale arter over en gitt størrelse (f.eks, 8 kDa). Pu kolloidale arter er vanligvis betraktet som ikke-biotilgjengelige arter og er en del av Pu fraksjonen ikke målbar bruker DGT.
På dette punktet ble DGT enheter utplassert bare i ferskvann av en karst våren de sveitsiske Jura-fjellene. Lave miljø konsentrasjoner av Pu krever en langsiktig distribusjon av DGT enheter, noe som kan støte potensielle ulemper. Begroing av DGT overflate representerer en betydelig ulempe, øke DBL tykkelse og dermed begrense strømmen av Pu gjennom PAM gel. Binding fase av DGTS eksponert i marine farvann eller farvann med høy mineralisering kan raskt mettet med andre spormetaller, ikke ekte dataene for akkumulering av Pu. Bestemmelse av spor nivåer av miljø Pu krever en grundig radiokjemisk separasjon og svært følsomme analysemetoder. AMS målings anvendes i denne protokollen ikke er allment tilgjengelig, men kan erstattes av andre massespektrometri teknikker. Imidlertid er en streng radiokjemisk atskillelse er nødvendig for å eliminere interferens isobar 238 UH fra naturlig forekommende uran.
Ligning 2 viser at størrelsen på DGT enheten er en viktig parameter som kan være innstilt for å øke mengden av akkumulert Pu i løpet av en gitt tid utplassering. Kommersielle gel strimler er tilgjengelig med en maksimal overflate av 6 cm x 22 cm. Derfor har vinduet i DGT prøvetakeren er økt til 105 cm 2 (5 cm x 21 cm), som gjør mulig å samle nok av Pu arter for relativt korte installasjonstiden. Monteringen av en slik DGT sampler krever presisjon og særlig vurdering av PAM gel ark egenskaper samtidig manipulere. Det er av grunnleggende betydning for å montere gel lag til en glatt-faced uniform "sandwich" for å gi en homogegent fluks av Pu arter fra hovedmengden vannet gjennom diffusive gel. God vanngjennomstrømning på DGT overflaten er også en viktig parameter, men det er stort sett bestemt av strømningsforholdene i det vannførende lag. Det anbefales å plassere DGT anordninger for Pu målinger ved omtrent 45 ° mot vannstrømmens retning for å gi en jevn vanntilførsel og minimalisere virkningene av DBL.
Diffusjonskoeffisient anvendt i ligning 2 må korrigeres hvis temperaturen i den undersøkte legeme av vann er forskjellig fra den temperatur ved hvilken diffusjonskoeffisienten ble bestemt. Temperatureffekter på diffusjonskoeffisienter er gitt av Stokes-Einstein-ligningen (ligning 3): 
(3)
der D 1 og D 2 er diffusjonskoeffisienter (cm 2 sek -1), η 1 og η 2 er viskositet (MPA sek) av water ved temperaturer T og T 1 2 (K) respektivt.
Foreløpig er det ingen metode for å undersøke Pu arts i uberørte omgivelser, med unntak av termodynamiske beregninger basert på, for eksempel, pH og redoks-parametere. Disse parametrene er kun tilgjengelige for makro-komponenter, slik som karbonater, jern eller mangan-kationer. Dermed er Pu arts avledet fra disse målbare arter, men representerer ikke en "ekte" måling. Her tror vi at diffusjon i tynne PAM gel film teknikk som presenteres i denne rapporten er et viktig steg i oppløsningen av Pu arts problem fordi det tillater å måle in situ gratis og labile arter og eventuelt beviser plutonyl arter. Selv om bare noen få DGT målinger av miljø Pu i ferskvann har blitt gjennomført så langt, er de oppnådde resultatene oppmuntrende for videre anvendelser av DGT teknikk for Pu arts og biotilgjengelighetsstudier.Distribusjon av DGTS i organiske rike vannet vil potensielt gi viktig informasjon om Pu mobilitet og samhandling i nærvær av NOM molekyler. Interessante resultater bør forventes fra DGT målinger i forurensede marine miljøer, slik som de kystnære havområder rundt Sellafield kjernefysiske reprosesseringsanlegget og den skadede Fukushima Daiichi kjernekraftverk.
Materials
| 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 |
References
- Kaplan, D. I., et al. Influence of oxidation states on plutonium mobility during long-term transport through an unsaturated subsurface environment. Environ. Sci. Technol. 38 (19), 5053-5058 (2004).
- Taylor, D. M. Environmental plutonium - Creation of the universe to twenty-first century mankind. Plutonium in the Environment. 1, 1-14 (2001).
- Maher, K., Bargar, J. R., Brown, G. E. Environmental Speciation of Actinides. Inorganic Chemistry. 52 (7), 3510-3532 (2013).
- Kurosaki, H., Kaplan, D. I., Clark, S. B. Impact of environmental curium on plutonium migration and isotopic signatures. Environ. Sci. Technol. 48 (23), 13985-13991 (2014).
- Orlandini, K. A., Penrose, W. R., Nelson, D. M. Pu(V) as the stable form of oxidized plutonium in natural-waters. Marine Chemistry. 18 (1), 49-57 (1986).
- Kaplan, D. I., et al. Eleven-year field study of Pu migration from Pu III, IV, and VI sources. Environ. Sci. Technol. 40 (2), 443-448 (2006).
- Morgenstern, A., Choppin, G. R. Kinetics of the oxidation of Pu(IV) by manganese dioxide. Radiochim. Acta. 90 (2), 69-74 (2002).
- Davison, W., Zhang, H. In-situ speciation measurements of trace components in natural-waters using thin-film gels. Nature. 367 (6463), 546-548 (1994).
- Zhang, H., Davison, W. Diffusional characteristics of hydrogels used in DGT and DET techniques. Anal. Chim. Acta. 398 (2-3), 329-340 (1999).
- Cusnir, R., Steinmann, P., Bochud, F., Froidevaux, P. A DGT Technique for Plutonium Bioavailability Measurements. Environ. Sci. Technol. 48 (18), 10829-10834 (2014).
- Froidevaux, P., Steinmann, P., Pourcelot, L. Long-Term and Long-Range Migration of Radioactive Fallout in a Karst System. Environ. Sci. Technol. 44 (22), 8479-8484 (2010).
- Bajo, S., Eikenberg, J. Preparation of a stable tracer solution of plutonium (IV). Radiochim. Acta. 91 (9), 495-497 (2003).
- Saito, A., Roberts, R. A., Choppin, G. R. Preparation of solutions of tracer level plutonium (V). Anal. Chem. 57 (1), 390-391 (1985).
- Bajo, S., Eikenberg, J. Electrodeposition of actinides for alpha-spectrometry. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 242 (3), 745-751 (1999).
- Dai, X. X., Christl, M., Kramer-Tremblay, S., Synal, H. A. Ultra-trace determination of plutonium in urine samples using a compact accelerator mass spectrometry system operating at 300 kV. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 27 (1), 126-130 (2012).
- Christl, M., et al. The ETH Zurich AMS facilities: Performance parameters and reference materials. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 294, 29-38 (2013).
- Blinova, O., et al. Redox interactions of Pu(V) in solutions containing different humic substances. Journal of Alloys and Compounds. 444, 486-490 (2007).
