Summary
Der foreslås en teknik, diffusive gradienter i tynde film (DGT) for speciering undersøgelser af plutonium. Denne protokol beskriver diffusionsforsøg sondering adfærd Pu (IV) og Pu (V) i nærvær af organisk stof. DGTs indsat i en karstic foråret tillader vurdering af biotilgængeligheden af Pu.
Abstract
Den biologiske optagelse af plutonium (Pu) i akvatiske økosystemer er særlig bekymring, da det er en alfa-partikel emitter med lang halveringstid, som potentielt kan bidrage til eksponering af biota og mennesker. Den diffusive gradienter i tynde film teknik introduceres her for in-situ målinger af Pu biotilgængelighed og artsdannelse. En diffusionscelle konstrueret til laboratorieforsøg med Pu og den nyudviklede protokol gør det muligt at simulere den miljømæssige adfærd Pu i model opløsninger af forskellige kemiske sammensætninger. Justering af oxidationstrin til Pu (IV) og Pu (V) beskrevet i denne protokol er afgørende for at undersøge komplekse redox kemi plutonium i miljøet. Kalibreringen af denne teknik, og de opnåede resultater i laboratorieforsøg gøre det muligt at udvikle en specifik DGT enhed til in-situ Pu målinger i ferskvand. Accelerator-baseret massespektrometri målingerPu akkumuleret ved DGTs i en karst foråret tilladt bestemmelse af biotilgængelighed Pu i et mineral ferskvand miljø. Anvendelse af denne protokol for Pu målinger med DGT-enheder har et stort potentiale til at forbedre vores forståelse af artsdannelse og den biologiske overførsel af Pu i akvatiske økosystemer.
Introduction
Plutonium er en kunstig radionuklid stede i miljøet som følge af den globale nedfald efter testene nukleare bombe og atomulykker. Redox kemi plutonium har vigtige implikationer for sin migration og biogeokemiske kredsløb i miljømæssige akvatiske systemer 1. Plutonium en kompleks kemi og kan eksistere i fire oxidationstrin (III, IV, V, VI) på samme tid. Derfor er fordelingen af redox arter af plutonium i naturlige vandområder er meget følsom over for den lokale kemiske miljø 2,3. Oxidationstrin af plutonium afhænger også af oprindelsen af kilden - denne erklæring er primært relevant for forurenede miljøer og lossepladser. Reduceret plutonium arter (+ III og + IV) findes overvejende i anoxiske miljøer og stammer fra den globale nedfald og tilførslerne affald spildevand, mens højere oxidationstrin (+ V og + VI) kan findes blandt nedbrydningsprodukter af andre aktiniderog iltede miljøer 4.
Mobiliteten og den miljømæssige adfærd plutonium kan forudsiges i nogen grad fra redox artsdannelse. Plutonium i + III, og + IV oxidationstrin findes overvejende i fast fase og har øget evne til at sorbere til uorganiske kolloider og naturligt forekommende organisk stof (NOM) molekyler. Plutonium i + III + IV og oxidationstrin anses for at være mindre mobile. Mere opløselige oxiderede former af plutonium (+ V og VI +, + V er mest sandsynligt) 5 kan potentielt bidrage til en højere biologisk overførsel til vandorganismer grund af højere mobilitet. Ikke desto mindre, i tilstedeværelse af NOM, især humussyre, Pu (V) reduceres 17, skiftende opdelingen flere størrelsesordener til fordel for nedbør. Trods det faktum, at reduktionen på Pu (V) til Pu (IV) er 4 til 5 størrelsesordener hurtigere end den omvendte reaktion, remobilisering af Pu (IV) under oxiderende betingelser may også finde sted 1. De seneste eksperimentelle data om mineralske sedimenter ændres med Pu (IV) og udsat for naturlige oxiderende forhold har vist, at koncentrationen af opløseligt Pu i vandig fase steg over tid 1,6. Forfatterne forklare det ved oxidativ desorption af Pu (IV) og dannelse af mere opløselige Pu (V) og Pu (VI) arter. Oxidation af Pu (IV) kan også forekomme på grund af naturligt støder manganoxider 7. Disse observationer er vigtige for biotilgængelighed modellering og vurdering af bortskaffelse af affald og forurenede grunde miljørisiko.
Undersøgelser af biotilgængelighed og artsdannelse af plutonium er en udfordrende opgave i både laboratoriet og in-situ forhold. Lave miljømæssige koncentrationer, variabiliteten af redox arter og samspillet med naturlige kolloider gør det vanskeligt at simulere biogeokemiske opførsel af plutonium. Teknikken med diffusive gradienter i tynde film (DGT) baseret påudbredelsen af frie og labile forurenende arter gennem en polyacrylamid (PAM) gel er meget brugt til miljømålinger af sporstoffer 8. En DGT sampler betegner en trelags anordning fremstillet af en bindende fase (for de fleste af spormetaller er Chelex harpiks indeholdt i PAM gel), diffusive gellag (PAM gel af varierende tykkelse) og en filtermembran beskytte gelen og at holde samlingen sammen. Tynde film af polyacrylamidgel, der består af 85% vand, mulighed for fri og labile kompleks arter at diffundere hurtigere end plutonium bundet til store NOM molekyler eller naturlige kolloide partikler. En set-up formål at studere plutonium diffusion i tynde PAM gel film under laboratorieforhold kaldes en diffusionscelle 9.
En diffusionscelle er en to-kammer beholder, hvor to separate rum er indbyrdes forbundet med en åbning i en given overflade. Åbningen, dvs. vinduet mellem de to kamre contains en skive af diffusion gel af en given tykkelse. Vi konstruerede en Teflon celle med to 100 ml rum og en cirkulær diffusion vindue 1,7 cm i diameter. Et rum er aftagelige, lette samlingen. En 0,5 cm bred rille skåret omkring diffusion vinduet på den faste rum tjener til at placere den diffusive gel disken. Rilledybden bør svare til PAM geltykkelsen beregnet til anvendelse. Vi vælger at arbejde med en 0,39 mm PAM gel, således rillen dybde i vores diffusionscelle er 0,39 mm. Et detaljeret billede af diffusionscelle er angivet i figur 1.
Når en opløsning, der indledningsvist indeholder plutonium anbringes i et rum (A), vil diffundere Pu arter etablere en koncentrationsgradient i gelen og vil begynde at ophobe sig i det andet rum (B), der oprindeligt indeholdt en opløsning af samme kemiske sammensætning uden Pu . Den oprindelige koncentration af Pu arter i rummet A er defineret således, at det remains konstante eller ændringer meget lidt (med 1% -2% på de fleste) i hele diffusion eksperiment. Plotte mængden af spredt Pu versus tid tilvejebringer et middel til at analysere mobilitet Pu arter, der hersker i de forskellige simulerede miljøforhold. Diffusion i tynde film giver et værdifuldt alternativ til undersøgelser af Pu mobilitet og artsdannelse og held kan anvendes i markforhold 10. Man kan erstatte diffusionscellen ved en passiv sampler, fremstillet med PAM diffusive gel og Chelex harpiks som den bindende fase, der tjener til at akkumulere diffunderende Pu arter. En sådan sampler kan eksponeres i felten - mængden af Pu akkumuleret i harpiksen vil være indikativ for artsdannelse og biotilgængeligheden af Pu i de respektive miljø 10.
I dette arbejde, vi brugte en diffusionscelle at undersøge mobilitet Pu (IV) og Pu (V) arter og deres samspil med NOM i laboratorieforhold. Furthermore, vi anvendte store passive DGT samplere med et areal på 105 cm2 for at studere biotilgængeligheden af Pu i en karstic foråret af den schweiziske Jura-bjergene (Venoge-floden), hvor en væsentlig del af Pu blev fundet i de intracellulære dele af akvatiske mosser i en tidligere arbejde 11. På grund af det meget lave plutonium til stede i denne uberørt miljø blev speeder-baserede massespektrometri (AMS) teknikker til rådighed på ETH Zürich bruges til at måle plutoniumisotoper.
Protocol
1. Plutonium Tracer Forberedelse
- Pu (IV) sporstof forberedelse
- Fra Pu stamopløsning overføre en passende alikvot del indeholdende den ønskede mængde Pu for eksperimentet i en 25 ml glasbæger. Arbejde med 10 Bq 239 Pu ad gangen.
- Der tilsættes 1 ml koncentreret HNO3, 0,6 ml 1 M NaHSO 4, 0,4 ml koncentreret H 2 SO 4. Der inddampes til tørhed på en varmeplade. Opvarm langsomt ved 200 ° C i starten for at undgå syre projektion.
- Når der ikke er væske tilbage i bægeret, anneale remanensen ved 400 ° C - 500 ° C, indtil ingen hvide dampe udsendes. Resten er hvidt, når den afkøles og opløselige i det valgte for eksperimentet buffer.
Bemærk: Pu (IV) kilde forberedt på denne måde kan opbevares tørt op til flere måneder 12.
- Pu (V) sporstof fremstilling 13
- Pu oxidation
- Overfør en portion fra Pu stock opløsning i en plastik 20 ml væske-scintillationshætteglas med en tæt hætte. Arbejde med 10 Bq 239 Pu ad gangen. Tilføj 0,01 ml 0,01 M KMnO 4 og lade blandingen i mørke i mindst 6 timer.
- Pu (VI) ekstraktion
- Inden ekstraktionen forberede en opløsning af 0,5 M thenoyltrifluoracetone (TTA) i cyclohexan og beskytte den mod lys eksponering. Altid forberede denne løsning umiddelbart før hvert forsøg.
- Tilføj til den oxiderede Pu 2 ml opløsning af 0,1 M CH3 COONa ved pH 4,7 og 2 ml 0,5 M thenoyltrifluoracetone (TTA) i cyclohexan. Wrap flaske med aluminiumfolie for at holde reaktionsblandingen i mørke, rystes i 10 minutter. Den organiske fase indeholdende Pu (VI) med en pipette og overføres til et rent hætteglas adskilt.
- Pu (VI) til Pu (V) fotoreduktion
- Lad glasbeholder indeholdende Pu (VI) -TTA kompleks i cyclohexan ved rumbelysning i 2 timer.
- Pu (V) ekstraktion
- Tilføj til lyseksponerede opløsning 1 ml 0,1 M CH3 COONa ved pH 4,7 og omrystes i 5 min. Fjern vandige fase, indeholdende Pu (V). Bestemme koncentrationen af denne kilde ved væskescintillationstælling tage en 100 pi portion.
Bemærk: Forbered Pu (V) opløsninger umiddelbart før hvert forsøg, da stabiliteten af Pu i + V oxidationstrin langsigtede bliver udspurgt.
- Tilføj til lyseksponerede opløsning 1 ml 0,1 M CH3 COONa ved pH 4,7 og omrystes i 5 min. Fjern vandige fase, indeholdende Pu (V). Bestemme koncentrationen af denne kilde ved væskescintillationstælling tage en 100 pi portion.
- Pu oxidation
2. Forberedelse af de løsninger, der anvendes i forsøgene
- Forbered pufrede opløsninger
- Lav 10 mM opløsning af MOPS (3- (N -morpholino) propansulfonsyre) puffer. Tag 200 ml af denne opløsning og justere til den ønskede pH ved dråbevis tilsætning af 0,1 M HCl (pH 6,5 til brug med Pu (IV) og pH 5,5 til brug med Pu (V)).
- Forbered løsninger til eksperimenter med Pu (IV)
- Opløsning A
- Opløs Pu (IV) udarbejdet på trin 1.1 i sig selvVeral milliliter 10 mM MOPS bufferopløsning ved pH 6,5. Vaskes bægerglasset med den samme løsning.
- Bringe volumenet til 72 ml med 10 mM MOPS bufferopløsning ved pH 6,5. PH kontrolleres og genjustere til 6,5 med 0,1 M NaOH. Transfer 72 ml af denne opløsning i et rent bægerglas - dette er (A) opløsning, der skal indføres i kammer A i diffusionscelle.
- Opløsning B
- Tag 72 ml 10 mM MOPS bufferopløsning ved pH 6,5; tilføj 0,75 ml 1 M Na 2 SO 4. PH kontrolleres ved at ændre til 6,5 om nødvendigt. Transfer 72 ml af denne opløsning i et rent bægerglas - dette er "B" opløsning, der skal indføres i «B» rum i diffusionscellen.
- Forbered løsninger med NOM
- 1,4 mg frysetørret fulvic eller humussyre afvejes med en opnå koncentration på 20 ppm og opløse den i «A» løsning containing Pu (IV). Forbered denne løsning 24 timer før at eksperimentere og give mulighed for ligevægt.
- Opløsning A
- Forbered løsninger til eksperimenter med Pu (V)
- Opløsning A
- Opløs Pu (V) opnået på trin 1.2.4 i 72 ml 10 mM MOPS bufferopløsning ved pH 5,5; tilføj 0,75 ml 1 M NaNO 3. Kontroller pH og juster til 5,5 hvis nødvendigt. Overfør 72 ml af denne opløsning i en rent bægerglas. Forbered opløsningen med Pu (V) umiddelbart før eksperimentere.
- Opløsning B
- Tag 72 ml 10 mM MOPS bufferopløsning ved pH 5,5; tilføj 0,75 ml 1 M NaNO 3. Kontroller pH og juster til 5,5 hvis nødvendigt. Overfør 72 ml af denne opløsning i en rent bægerglas.
- Forbered løsninger med NOM
- 1,4 mg frysetørret fulvic eller humussyre afvejes til opnåelse af en koncentration på 20 ppm og opløses i en opløsning indeholdende Pu (V). Lad opløsningen i 24 timerat nå steady state mellem Pu (IV) og Pu (V) arter. Forud for diffusion eksperiment udføre en væskefase ekstraktion for at bestemme den del af Pu (V) som beskrevet i afsnit 3.4.2.
- Opløsning A
3. Laboratorium Diffusion Eksperimenter
- Forbered PAM gel
- Fugt en plastbakke med flere milliliter elektrolyt (f.eks 10 mM NANO 3), placere PAM gel stribe i og udvide ensartet over overfladen. Placer forsigtigt en skarp dorn på 2,7 cm i diameter på gelen overflade. Undgå at skubbe dornen over geloverfladen.
- Brug lokal fokuseret belysning, hvis nødvendigt, kan det hjælpe med at visualisere den gennemsigtige PAM gel. Tryk dornen fast mod gel overflade og frigivelse, når den skæres.
- Montering af diffusionscellen
- Placer PAM gel disken med en pincet ind i rillen over diffusion vindue i en jævn-faced måde. Dreje skruen, således at two rum i diffusionscellen holde sammen, indbyrdes forbundet via PAM gel disken.
- Mark A og B diffusionscellens rum. Saml diffusionscellen med gelen disken umiddelbart før hvert forsøg; ikke tillader gelen tørre.
- Oplæg til diffusion eksperiment
- Hæld langsomt A- og B-løsninger i de tilsvarende rum. Kontroller, at begge opløsninger hældes ved den samme hastighed for at tilvejebringe lige så stort volumen i hvert rum til enhver tid, ellers den diffusive gel kan blive beskadiget.
- Starte timeren når løsningerne er i cellen. Placer miniature elektriske mixere over diffusionscellen. På dette tidspunkt diffusion eksperimentet anses startet.
- Tage prøver hele diffusion eksperiment
- Tag prøver af samme volumen inden for regelmæssige tidsintervaller fra A- og B-rum samtidigt for at holde volumen konstant hele experiment.
- Tag en 1,00 ml prøve samtidigt i hvert rum umiddelbart ved begyndelsen af forsøget for at bestemme den oprindelige Pu koncentration i et rum.
- Brug en prøveudtagning tidsinterval på 10 minutter i forsøg uden tilsætning af NOM og 20 minutter til flere timer i eksperimenter med humussyre. 2,00 ml portioner er tilstrækkelige til at tilvejebringe en god følsomhed for alfa-spektrometriske målinger.
- Flydende fase ekstraktion af Pu (IV) og Pu (V)
- Ved afslutningen af eksperimentet diffusion tager separat 4 ml prøver fra A- og B-segmenter i plast reagensglas med tætte låg. Forsure prøver med 1 ml 2 M HCI.
- Der tilsættes 5 ml 0,5 M bis- (2-ethylhexyl) phosphorsyre (HDEHP) opløsning i cyclohexan og omrør reagensglas kraftigt i 5 min. Efterlad prøver at muliggøre faseadskillelse. Fjern vandfasen indeholdende Pu (V).
- Back-ekstraktion af Pu (IV)
- Back-extarmkanalen Pu (IV) fra den resterende organiske fase med 5 ml 5% (NH4) 2 C 2 O 4.
- Tag prøver af samme volumen inden for regelmæssige tidsintervaller fra A- og B-rum samtidigt for at holde volumen konstant hele experiment.
4. Prøve Behandling
- Spike prøver med en intern standard
- Spike prøver, der skal analyseres med et udbytte sporstof. Brug en stigning på 1,00 ml 242 Pu sporstof på 25 MBq ml -1 koncentration aktivitet for alfa-spektrometriske målinger.
- Oxidere prøver 'matrix
- Inddampes til tørhed prøver på en varmeplade med 2,00 ml koncentreret HNO3.
5. radiokemiske Adskillelse af Pu
- Juster Pu oxidationstrin
- Opløs tørre prøver fra punkt 4.2.1 i 5 ml 8 M HNO3, tilsættes 20 mg NaNO2, varme prøver ved 70 ° C i løbet af 10 min. Dette trin tillader justering af oxidationstrin Pu til + IV.
- Fastfaseekstraktion af Pu
- Fugt en kvaternær amin-baseret anionbytterharpiks søjle (såsom TEVA) med 1,5 ml 8 M HNO3. Brug mikro-kolonner fremstillet af 1 ml pipettespids med 100 mg af harpiksen konditioneret med 1,5 ml 8 M HNO3.
- Passere opløsning af punkt 5.1.1 gennem harpikssøjlen med strømningshastighed på ca. 1 ml min-1. Skyl prøven bæger med 2 ml 8 M HNO 3 tre gange, og overføre washouts til harpiks kolonner.
- Elute Pu
- Vask kolonner med 3 ml 9 M HCI. Eluer Pu med 3 ml opløsning 9 M HCI / 0,1 M HI. Inddampes eluater på varmepladen. Behandl med 2 ml koncentreret HNO 3, inddampes til tørhed. Gentag om nødvendigt, indtil den brune iodfarve forsvinder.
- Bestem Pu-koncentration i prøverne ved enhver tilgængelig metode.
Bemærk. For koncentrationer intervallet 239 Pu anvendt i denne protokol alfa-spektrometri giver en god følsomhed. Forbered kilder til alfa-spectrometric tælle ved galvanisering på rustfrit stål skiver 14. Tæl kilder på PIPS detektor (450 mm 2) i et spektrometer.
6. Analyse af data
- Plot diffust Pu versus tid
- Plot aktiviteten af Pu (mBq) akkumuleres i B rum versus tid (min). Korrekt for volumen af prøven taget i løbet af diffusion eksperiment: aktivitet af akkumulerede Pu (mBq) til tiden t er lig med koncentrationen (mBq ml -1) besluttet i prøven ganget med volumen af opløsningen (ml) i kammer B på tidspunktet for prøveudtagning (se eksempel på regnearket - figur 2).
- For at plotte på den samme graf data fra flere eksperimenter med forskellige Pu-koncentrationer, brug koncentrationer normaliseret til den oprindelige Pu koncentration af afdeling A.
- Beregn diffusionskoefficient
- Beregn diffusionskoefficient D (cm2 -1) i Pu arter for hvert forsøg 10. Brug ligning (1):
(1)
hvor AG er tykkelsen diffusion gel (cm), C den oprindelige Pu fusion (MBq ml -1), S diffusionen område (cm2), og A aktiviteten (mBq) Pu arter spredt i kammer B på tidspunktet t (sek). Aa / AT er hældningen af den lineære afbildning af Pu diffunderet ind i rummet B mod tiden.
- Beregn diffusionskoefficient D (cm2 -1) i Pu arter for hvert forsøg 10. Brug ligning (1):
(1) 7. biotilgængelighedsundersøgelser af Pu i Natural Ferskvandsbadeområderne
- Forbered DGT samplere
- Våd en plastbakke med få ml elektrolyt (f.eks, 10 mM NaNO 3), placere bundpladen (se figur 3) af DGT sampler. Brug lokal belysning, hvis nødvendigt, kan det hjælpe med at visualisere gennemsigtige geler.
- Positipå en 6 cm x 22 cm Chelex harpiks gelstrimlen og udvide ensartet over pladens overflade. Placere på toppen af harpiksen gellaget en 6 cm x 22 cm PAM diffusive gelstrimlen og udvide ensartet over overfladen. Sørg for, at geler ikke glider og er placeret i en jævn-faced måde.
- Dæk diffusive gellag med en 6 cm x 22 cm stykke af en filtermembran. Placer dækrammen af DGT sampler (se figur 3) over filteret membran og lukke samlingen let at trykke rammen på kanterne.
- Skær de udragende dele gel ud med en skarp lancet, åbne og justere gellag om nødvendigt indtil en glat pladens overflade opnås. Fastgør enheden med skruer.
- Fugt DGT samplere med flere milliliter elektrolyt (f.eks 10 mM NANO 3). Opbevares vådt i en forseglet plastpose op til flere uger ved 4-5 ° C.
- Implementering af DGTs i en naturlig vandmasse
- Implementer DGTs i kroppen af vand enten suspendere dem på en stærk reb eller installerer på en stabil lodret støtte på en måde at give et konstant tangential vandstrøm langs overfladen af DGT. Implementere DGT enheder i de ferske for to til tre uger med henblik på at akkumulere Pu ved en tilstrækkelig koncentration for målinger.
- Hent DGTs fra vandet. Skru samling, tegne filter membran og kassér. Tag det øverste gel lag (PAM diffusiv gel) og kassér.
- Overfør harpiksen gelen i et bægerglas indeholdende 20 ml 8 M HNO3 og spike prøver, der skal analyseres med et udbytte sporstof. Brug en stigning på 1,00 ml 242 Pu sporstof på 0,25 MBq ml -1 (1,7 pg ml -1) aktivitet koncentration for AMS-målinger. Efter at have godt AGItated, lad prøver O / N til Pu eluering.
- Filtrere løsninger fra harpiksen gelprøver; skylles de resterende harpiks geler med 5 ml 8 M HNO3 og kombinere washouts med prøver. Der tilsættes 20 mg NaNO2 til hver prøve, varme opløsningerne ved 70 ° C i løbet af 10 min. Dette trin tillader justering af oxidationstrin Pu til + IV.
- Fugt en kvaternær amin-baseret anionbytterharpiks patron med 10 ml 8 M HNO3. Passere opløsninger af punkt 7.4.1 gennem ionbytterharpiks patron med strømningshastighed på ca. 1 ml min-1. Skyl prøven bæger med 5 ml 8 M HNO 3 tre gange, og overføre washouts til bytterharpiks patron.
- Vask patroner med 10 ml 9 M HCL. Eluer Pu med 15 ml opløsning 9 M HCI / 0,1 M HI. Der inddampes eluatet på en varmeplade. Behandl med 2 ml koncentreret HNO 3, evaporate til tørhed. Gentag om nødvendigt, indtil den brune iod farve er fuldstændigt forsvundet.
- Gentag radiokemiske adskillelse af Pu en til to gange mere, hvis højere rensning er påkrævet - afhængigt af udførelsen af Pu påvisning system. Udfør den anden og den tredje separationer på mikro-søjler lavet af 1 ml pipettespids med 100 mg ionbytterharpiks aircondition med 1,5 ml 8 M HNO 3.
- Bestem Pu-koncentration i prøverne. Brug massespektrometri teknikker til at måle 239 Pu grund af det meget lave niveau af plutonium i uberørt miljø.
Bemærk: I dette arbejde, skal du bruge AMS facilitet tunet til analyse af actinider på Laboratoriet for Ion Beam fysik ved det schweiziske føderale Institute of Technology i Zürich.
8. Analyse af data
- Beregn koncentrationen (C DGT i μBq ml -1) af biotilgængeligt (labil) Pu species i bulk vand fra mængden af Pu akkumuleret ved DGT i indsættelsen periode. Brug ligning (2):
(2)
hvor A er aktiviteten (μBq) Pu akkumuleret i bindingsfasen, AG diffusionslaget (gel + filtermembran) tykkelse (cm), D diffusionskoefficienten for Pu i PAM gel (cm2 sek -1), S diffusion område (cm2), og t varigheden af indsættelsen (sek). - Sammenlign C DGT Pu bestemt ved DGTs med total Pu koncentration i størstedelen af vandet, samt med andre tilgængelige speciering data.
(2) 9. radiokemiske adskillelsesoperationer til bestemmelse af det samlede Pu i Bulk Vand
- Betingelse vandprøve
- Pumpe vand fra den undersøgte kroppen af vand gennem en 45 um membranfilter i en plastic modtager. Arbejde med prøver af 10 til 50 L for AMS-målinger. Forsure vandet til pH 2 med HNO 3 umiddelbart efter prøveudtagning på prøvetagningsstedet før transport til laboratoriet.
- Udfældes Pu om jernhydroxider
- I laboratoriet indføre en overliggende omrører i recipienten. Spike prøven med Pu udbytte sporstof. Brug en stigning på 1,00 ml 242 Pu sporstof på 0,25 MBq ml -1 (1,7 pg ml -1) aktivitet koncentration for AMS-målinger.
- Tilføj FeCl3 · 6H 2 O tager ca. 0,25 g pr 10 L prøven. Efter at have omrørt i 30 min, udfældes jernhydroxider med NH4OH ved pH 8.
- Andet udfældning af Pu på jernhydroxider
- Dekanteres supernatanten fra vandprøven fra punkt 9.2.2. Genvinde bundfaldet af jernhydroxider i en 2 L bægerglas, skylles modtageren med deioniseret vand og kombinere washouts med Sample.
- Bundfaldet opløses i 100 ml ~ 5 M HCI, opvarm til 90 ° C for at nedbryde karbonater. Filtreres om nødvendigt, når opløsningen nedkøles. Re-udfældning jernhydroxider med NH4OH ved pH 8.
- Tilstand jernhydroxider til analyse
- Dekanteres fra prøven fra punkt 9.3.2. Opsaml bundfaldet af jernhydroxid i en centrifugering fartøj. Centrifuge, kasseres supernatanten. Bundfaldet vaskes med deioniseret vand. Gentag 2-3 gange.
- Opløs bundfaldet i 10 ml 8 M HNO 3 forelægge radiokemiske adskillelse af Pu som tidligere beskrevet i afsnittene 7,4-7,6.
10. Forbered Prøver for AMS Målinger
- Udfældes Pu om jernhydroxider
- Efter radiokemiske adskillelse, opløse den sidste prøve i 0,5 ml 1 M HCI, overføre prøven med en plastik pipette i en 2,5 ml hætteglas. Skyl prøven bægerglas TWICe med 0,5 ml 1 M HCI, overføre washouts til samme hætteglas.
- Tilsæt 0,5 ml 2 mg ml-1 Fe 3+ stamopløsning for at tilvejebringe 1 mg jern. Bundfald jernhydroxider tilføje par dråber koncentreret NH4OH. Centrifuger og dekanter supernatanten.
- Bundfaldet vaskes med deioniseret vand, centrifugeres og dekanter supernatanten. Bundfaldet tørres på varmepladen ved 90 ° C.
- Forbered mål for AMS-målinger
- Bag hydroxider udfældes fra punkt 10.1.3 i en ovn til 2-3 timer ved 650 ° C. Blandes grundigt med 3-4 mg niobium metalpulver og tryk i en Ti mål holder til AMS-målinger.
Bemærk: Vi målte prøverne med den kompakte (0,6 MV) AMS-system "Tandy" i Schweiziske Føderale Institut for Teknologi (ETH Zürich) tunet til målinger af actinider 15,16.
- Bag hydroxider udfældes fra punkt 10.1.3 i en ovn til 2-3 timer ved 650 ° C. Blandes grundigt med 3-4 mg niobium metalpulver og tryk i en Ti mål holder til AMS-målinger.
Representative Results
Diffusionsforsøg
Plotte aktiviteter 239 Pu spredt i B rum i diffusionscellen mod tiden giver en visuel repræsentation af fluxen af de 239 Pu arter at diffundere gennem PAM gel. Diffusionskoefficienter beregnet ud fra disse plots ifølge ligning 1 giver en yderligere mulighed for at sammenligne mobilitet forskellige 239 Pu redox arter i forskellige kemiske miljøer (Figur 2). Figur 5 illustrerer diffusionsforsøg med Pu (IV) og Pu (IV) -Pu (V) blandede arter, henholdsvis i MOPS-buffer og i tilstedeværelsen af 20 ppm af HA. En sammenligning af disse grunde, at Pu (V) er betydeligt mere mobile end Pu (IV) .Dette er især gældende for Pu (IV) og Pu (V), når HA (MW 5-40 kDa i vores forsøg, kendetegnet ved, at SI af Cusnir et al.) 10 tilsættes som kompleksdannende molekyler. Pu (V) kilde solution fremstillet ifølge protokollen beskrevet i dette dokument, indeholder primært består Pu (V) arter. Flydende fase ekstraktion med HDEHP ved udgangen af diffusion eksperiment i MOPS bufferopløsning fundet 80% ± 10% af Pu (V). Den kemiske Udbyttet af denne ekstraktion er 80%. Opløsningen med Pu (V) i nærvær af 20 ppm HA blev ækvilibreret i 24 timer og Pu (V) fraktion i denne model opløsning blev 35% ± 10%.
Undersøgelser af Pu biotilgængelighed i naturlige ferske vande
Adskillige DGT enheder konstrueret i vores laboratorium lykkedes udsat for perioder på to til tre uger i en karst foråret de schweiziske Jura-bjergene. Dette er et mineral fjederen med den pH af vandet i området 6,5-7,5, ledningsevne over 400 mikrosiemens cm -1 og mættet med oxygen. Disse eksperimenter viste god anvendelighed og robusthed af gelen samlinger uden spor af biologisk forurening, muligvis også på grund af tHan lav temperatur af fjederen (7 ° C). DGTs hentet efter implementeringer var godt bevaret, med gel lag intakte, bevare den oprindelige form og udseende. Pu akkumuleret af DGTs blev analyseret ved AMS. AMS giver betydelige fordele i forhold til andre analytiske teknikker: Det er meget følsom (ned til sub-fg-niveauer), og kræver meget lavere oprindelige stikprøve beløb end alfa-spektrometri eller ICP-MS-teknikker. Desuden er molekylære isobare interferenser, såsom uran hydrid (238 UH) eller andre molekyler effektivt undertrykt i AMS måling og ikke interfererer med 239 Pu detektion. For nogle tekniske årsager (sandsynligvis en forurening med 239 Pu under kemiske separationer), var vi ikke i stand til at bruge dataene til 239 Pu for de første anvendelser af DGTs på området. Ikke desto mindre er de 240 Pu resultaterne var saglig. Således har vi beregnet 239 Pu indhold fra den målte <sup> 240 Pu, idet 0,18 til 240 Pu / 239 Pu atomforhold for nedfald plutonium. Resultaterne er opsummeret i tabel 1.
239 Pu koncentrationer målt i løs vandprøver ligner koncentrationer tidligere er rapporteret for denne vandførende lag (1-7 μBq L -1) 11. Desuden 239 Pu koncentrationer beregnet ud fra DGT målinger er ens inden for usikkerheden af målingen. Da DGTs ophobes kun frie og labile Pu arter, kan man anslå den del af biotilgængeligt Pu i dette vand. Tallene i tabel 1 viser, at alle de 239 Pu arter i størstedelen af vandet findes i en biotilgængelig form. Dette er et interessant resultat i lyset af tidligere resultater 11, som har afsløret den fremherskende akkumulering af 239 + 240 Pu i den intracellulære del af de akvatiske mosser vokser i foråret i forhold til
Figur 1. Diffusion celle bruges til eksperimenter på Pu diffusion gennem PAM gelen. De groove tykkelse 0,5 cm, rillen dybde 0,39 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Snapshot af Excel-regneark bruges til beregninger af diffusionskoefficienten. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Stor-overflade DGT enhed til miljømæssige Pu speciering målinger Dele af DGT enhed -. Bundpladen og dækslet ramme -. Afbildet på venstre, samling med besætning huller på højre Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. DGT sampler enheder fast i holderen (venstre) eksponeret i Venoge forårsbng (til højre) for Pu biotilgængelighed målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Plot af 239 Pu diffunderet ind B rum i diffusionscellen i forskellige kemiske miljøer. Eksperimentelle datapunkter er givet for 239 Pu (IV) og 239 Pu (V), henholdsvis i MOPS-buffer samt for 239 Pu (IV) - 239 Pu (V) blandet arter (35% ± 10% af Pu (V)) i nærværelse af HA. Den viste for 239 Pu (IV) Ha linje er blevet beregnet ved hjælp af en diffusionskoefficient på 0,50 × 10 -6 cm 2 sek -1 tidligere 10 bestemmes. Diffusionskoefficienter beregnet ud fra ligning 1 er: Pu (IV) i MOPS-buffer - 2,29 × 10 -6 cm2 sek -1, Pu (V) i MOPS-buffer - 3,50 × 10 -6 cm2 sek -1, Pu (IV) - Pu (V) med HA - 0,92 × 10 -6 cm2 sek -1. Fra top til bund: Pu (V) i MOPS-buffer (rød åben cirkel), Pu (IV) i MOPS-buffer (blå åbne trekanter), Pu (IV) - Pu (V) i nærvær af 20 ppm af HA (grøn åbne firkanter), Pu (IV) i tilstedeværelse af 20 ppm HA (brune åbne ruder). Klik her for at se en større version af dette tal.
| Prøvetype | Antal målinger | 239 Pu-koncentration, μBq L -1 |
| Bulkvand | 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. Repræsentative resultater for 239 Pu målinger med AMS i størstedelen af vandet og DGT prøveudtagere. 239 Pu i størstedelen af vandet blev co-udfældet fra 20 l vand med jernhydroxider, ekstraheret på actinid-specifikke ionbyttermateriale og målt ved AMS . 239 Pu koncentrationer for DGT målinger beregnet ved hjælp af ligning 2 og diffusionskoefficient for Pu (IV). Usikkerheder for k = 2; u (95).
Discussion
DGT metode beskrevet her til forsøg med Pu hjælp af en diffusionscelle giver en pålidelig metode til forskellige undersøgelser af Pu redox arter og deres interaktioner med organiske molekyler, kolloide partikler og simulerede miljø-systemer. Yderligere anvendelser af DGTs til miljømålinger af Pu vil bidrage til vores forståelse af biotilgængelighed og skæbne denne radionuklid i akvatiske økosystemer.
Laboratory diffusionsforsøg
For at udføre en succesfuld diffusion eksperiment med meningsfulde konklusioner om Pu mobilitet og interaktioner med hensyn til en specifik kemisk miljø, veldefinerede og kontrollerbare betingelser skal gives. Tilpasningen af Pu oxidationstrin før eksperimentere er vigtigt at forenkle fortolkningen data samt at simulere forskellige biogeokemiske adfærd af Pu redox arter. Følsomheden af Pu arterpH-variationer gør buffering løsningerne et must. Bør drages særlig vægt på diffusionscellen funktioner og opsætning: brugen af ikke-sorberende Teflon-polymer materiale undgår adsorption på cellevæggene og muliggør en robust vandtæt samling, forhindre tab af Pu fra diffundere løsninger under eksperimentet.
Den oprindelige Pu fusion skal indføres i et rum, samt prøvetagning interval og mængden af hver prøve taget under diffusion eksperiment afhænger af den analytiske metode til rådighed i laboratoriet. Alle tilgængelige analysemetode kan anvendes til bestemmelse af Pu-koncentrationen i prøverne fra diffusionscellen, men dette valg er tæt bundet til den oprindelige aktivitet af Pu taget til eksperimentet. 10 Bq af 239 Pu som anbefalet i denne protokol (hvilket giver 100-140 MBq ml -1 eller ~ 2 × 10 -13 mol ml -1) er tilstrækkelige til at give nok følsomhed til measuremenser med alfa-spektrometri og generelt ikke udgør særlige problemer for regler om strålingsbeskyttelse. Den oprindelige koncentration af Pu kan reduceres, hvis andre og mere følsomme, analytiske teknikker er tilgængelige til bestemmelse Pu (f.eks massespektrometri). Kan vælges samplinginterval for hver diffusion eksperiment afhængigt Pu oprindelige koncentration, og det forventede diffusionshastigheden gennem PAM gel. På trods af det faktum, at aliquoter fra diffusionsforsøg ikke indeholde andre stoffer end Pu radionuklider, kan tilstedeværelsen af mineralske salte og MOPS-buffer forstyrrer analyseprocedure, hvilket reducerer effektiviteten og nøjagtigheden af kvantitativ analyse. Det er derfor at foretrække at udføre en kemisk behandling af Pu på disse prøver.
Diffusionscellen giver den bedste metode til at studere diffusion i PAM gel, da gelen udsættes direkte for en godt omrørt opløsning. Således virkningerne af den diffusive boundary lag (DBL) ved geloverfladen er ubetydelige. God omrøring af opløsningerne under en diffusion eksperiment er afgørende, gør det muligt for minimering af DBL virkninger. På samme tid, bør man gå forsigtigt for ikke at forstyrre PAM gel.
Undersøgelser af Pu biotilgængelighed i naturlige ferske vande
De produceres af denne protokol, viser, at måling plutonium med DGT-enheder giver et effektivt værktøj til at studere biotilgængeligheden af plutonium i ferskvand resultater. DGT-målinger giver tid-gennemsnitlige koncentration af frie og labile arter, de to vigtigste former for biologisk optagelse af levende organismer. Desuden kan kinetikken i samspillet mellem Pu med organisk stof undersøges ved hjælp af geler af forskellig tykkelse. Den nødvendige tid til Pu-NOM arter at diffundere gennem gelen vil give mulighed for de mest labile komplekser til dissocierer. DGT-målinger kan suppleres by ultrafiltreringsteknikker, der giver procentdelen af Pu kolloide arter over en given størrelse (fx 8 kDa). Pu kolloide arter er normalt betragtes som ikke-biotilgængelige arter og er en del af Pu fraktionen ikke kan måles ved hjælp af DGT.
På dette tidspunkt blev de DGT enheder udløses kun i ferskvand af en karst foråret de schweiziske Jura-bjergene. Lave koncentrationer af Pu miljømæssige kræver en langsigtet implementering af DGT-enheder, som kan støde potentielle ulemper. Biologisk begroning af DGT overfladen udgør en væsentlig ulempe, øge DBL tykkelse og dermed begrænse strømmen af Pu gennem PAM gel. Bindende fase af DGTs eksponeret i havvand eller vand i høj mineralisering kan hurtigt mættet med andre spormetaller, fortegne dataene for ophobning af Pu. Bestemmelse af spor af miljø- Pu kræver en grundig radiokemisk separation og meget følsomme analysemetoder. AMS målings anvendes i denne protokol er ikke bredt tilgængelige, men kan erstattes af andre massespektrometri teknikker. Men er det nødvendigt med en streng radiokemisk adskillelse at eliminere isobarisk interferens 238 UH fra naturligt forekommende uran.
Ligning 2 viser, at størrelsen af DGT enheden er en væsentlig parameter, der kan indstilles til at øge mængden af opsamlet Pu i en given implementering tid. Kommercielle gel strips er kun tilgængelige med en maksimal overflade på 6 cm x 22 cm. Derfor har vinduet af DGT sampler blevet øget til 105 cm2 (5 cm x 21 cm), der gør det muligt at akkumulere nok af Pu arter i relativt korte opstartsfase. Samlingen af en sådan DGT sampler kræver præcision og særlig hensyntagen af PAM gel arkegenskaber mens manipulere. Det er af fundamental betydning at samle gel lag i en glatte uniform "sandwich" med henblik på at give en homogegennemstrømnings- flux af Pu arter fra størstedelen af vandet gennem diffusive gel. God vandstrøm ved DGT overflade er også en vigtig parameter, men det er for det meste bestemt af strømningsforholdene i grundvandsmagasinet. Det anbefales at placere DGT anordninger til Pu målinger ved ca. 45 ° i den retning af vandstrømmen for at tilvejebringe en stabil vandforsyning og minimere virkningerne af DBL.
Diffusionskoefficient anvendes i ligning 2 skal korrigeres, hvis temperaturen på det studerede vandmasse er forskellig fra den temperatur, ved hvilken diffusionskoefficienten blev bestemt. Temperaturpåvirkninger på diffusionskoefficienter er givet ved Stokes-Einstein (ligning 3): 
(3)
hvor D 1 og D 2 er diffusionskoefficienter (cm 2 sek -1), η 1 og η 2 er viskositeter (MPA SEC) af water ved temperaturer T 1 og T 2 (K) hhv.
I øjeblikket er der ingen metode til at undersøge Pu artsdannelse i uberørt miljø, bortset fra termodynamiske beregninger baseret på, f.eks, pH og redox parametre. Disse parametre er kun tilgængelige for makro-komponenter, såsom carbonater, jern eller mangan kationer. Således er Pu artsdannelse stammer fra disse målbare arter, men udgør ikke en "rigtig" måling. Her mener vi, at diffusion i tynde PAM gel film teknik som præsenteres i dette papir er et vigtigt skridt i løsningen af Pu artsdannelse problem, fordi det giver mulighed for at måle på stedet fri og labile arter og eventuelt dokumenterer plutonyl arter. Selv om kun et par DGT målinger af den miljømæssige Pu i ferskvand er blevet gennemført hidtil, er de opnåede resultater opmuntrende for yderligere anvendelser af DGT teknik til Pu speciering og biotilgængelighedsundersøgelser.Implementering af DGTs i organiske-rige farvande vil potentielt give vigtige oplysninger om Pu mobilitet og interaktioner i tilstedeværelse af NOM molekyler. Interessante resultater bør forventes fra DGT målinger i kontaminerede marine miljøer, såsom de kystnære farvande omkring Sellafield nukleare oparbejdningsanlæg og beskadigede Fukushima Daiichi atomkraftværk.
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).
