Summary
Техника диффузионных градиентов в тонких пленках (DGT) предлагается видообразования исследований плутония. Этот протокол описывает диффузии эксперименты зондирования поведение Ри (IV) и Pu (V) в присутствии органического вещества. DGTs развернуты в карстовой весной позволяют оценку биодоступности Pu.
Abstract
Биологическая поглощение плутония (Pu) в водных экосистемах представляет особый интерес, так как это излучатель альфа-частиц с длительным периодом полураспада, которые потенциально могут способствовать воздействия биоты и человека. Диффузионного градиенты в тонких пленках техники вводится здесь в натурных измерений Pu биодоступности и видообразования. Диффузионной ячейке построены для лабораторных экспериментов с Pu и недавно разработанной протокола позволяют имитировать экологическое поведение плутония в модельных растворах различного химического состава. Регулировка степени окисления до Ри (IV) и Ри (У), описанных в этом протоколе важно, чтобы исследовать сложную окислительно-восстановительный химию плутония в окружающую среду. Калибровка этого метода и результаты, полученные в лабораторных экспериментах позволит разработать конкретное устройство DGT для натурных измерений Pu в пресных водах. Измерения масс-спектрометрии основе ускорителяРи накопленный DGTs в карстового источника позволил определить биодоступность Pu в минеральной пресноводной среде. Применение этого протокола для измерения плутония с использованием устройства DGT имеет большой потенциал для улучшения нашего понимания видообразования и передачу биологического плутония в водных экосистемах.
Introduction
Плутоний является искусственным радионуклидов в окружающей среде в результате глобальных выпадений следующей ядерных испытаний бомбы и ядерных аварий. Редокс химии плутония имеет важные последствия для ее миграции и биохимические циклы в окружающей среде водных систем 1. Плутоний имеет сложный химический состав, и может существовать в четырех состояниях окисления (III, IV, V, VI), в то же время. Таким образом, распределение видов окислительно-восстановительных плутония в природных водах чрезвычайно чувствительны к химической среде местного 2,3. Степень окисления плутония также зависит от происхождения источника - это утверждение является главным отношение к загрязненных сред и мест захоронения. Сокращение видов плутония (+ III и IV +) находятся преимущественно в бескислородных условиях и происходят из глобальных выпадений и заполненный стоков отходов, в то время как более высокие состояния окисления (+ V и VI +) можно найти среди продуктов распада других актинидови в кислородной среде 4.
Подвижность и поведение в окружающей среде плутония можно предсказать в какой-то степени от окислительно-восстановительного видообразования. Плутоний в III + и + IV степени окисления существует преимущественно в твердой фазе и увеличился способность сорбировать неорганических коллоидов и естественным органические вещества (Nom) молекул. Плутоний в III + и + IV степени окисления считается менее подвижны. Более растворимые окисленные формы плутония (+ V и VI +, + V будучи наиболее вероятно) 5 может потенциально способствовать более высокой биологической передачи водных организмов в связи с более высокой подвижностью. Тем не менее, в присутствии НОМ, особенно гуминовых кислот, Ри (У) сокращается 17, перекладывая разбиения на несколько порядков в пользу осадков. Несмотря на то, что скорость восстановления Pu (V) до Ри (IV), составляет от 4 до 5 порядков быстрее, чем обратной реакции, ремобилизация Ри (IV), в окислительных условиях мау также состоится 1. Последние экспериментальные данные по минеральных осадков поправками с Pu (IV) и подвергнутые природных окислительных условиях показали, что концентрация растворимого Pu в водной фазе увеличилась за время 1,6. Авторы объясняют это окислительного десорбции плутония (IV) и формирование более растворимого Pu (V) и Pu (VI) видов. Окисление Pu (IV), может также произойти из-за возникших естественным оксидов марганца 7. Эти наблюдения имеют важное значение для биодоступности моделирования и оценки риска для окружающей среды утилизации отходов и загрязненных участков.
Исследования биодоступности и видообразования плутония является сложной задачей и в лаборатории и на месте условий. Низкие концентрации в окружающей среде, изменчивость окислительно-восстановительных видов и взаимодействия с природными коллоидов сделать его сложно смоделировать биогеохимических поведение плутония. Техника диффузионных градиентов в тонких пленках (DGT) на основедиффузия свободных и лабильных видов загрязняющих через полиакриламидном PAM) (геля широко используется для экологических измерений микроэлементов 8. ДГТ Пробоотборник представляет собой трехслойную устройство, изготовленное из связующей фазы (для большинства следов металлов это Chelex смолы, содержащиеся в PAM гель), диффузионное слой геля (РАМ гель различной толщины) и мембранный фильтр защиты гель и проведения собрания вместе. Тонкие пленки полиакриламидного геля, состоящий из 85% воды, позволяют свободно и лабильные сложные виды диффундировать быстрее, чем связанного с большими молекулами NOM или природных коллоидных частиц плутоний. Набор-до предназначен для изучения плутония диффузии в гелевых пленок тонкие PAM в лабораторных условиях называется диффузионной ячейки 9.
Диффузионной ячейке является двухкамерный сосуд, где два отдельных отсеков соединены между собой открытия данной поверхности. Открытие, т.е. окно между двумя камерами Contains диск диффузионного гель заданной толщины. Мы сконструировали клетку тефлоновую с двумя 100 мл отсеков и круговой диффузии окна 1,7 см в диаметре. Один отсек съемным, что облегчает сборку. 0,5 см в ширину паза резные вокруг окна диффузии на фиксированной купе служит для поместите диск диффузный гель. Глубина канавки должна быть похожа на толщину PAM гель, предназначенный для использования. Мы решили работать с 0.39 мм PAM геля, таким образом, глубина канавки в нашей диффузионной ячейки 0,39 мм является. Подробное изображение диффузионной ячейки приведена на рис 1.
Когда раствор изначально содержащий плутоний помещают в одном отсеке (А), диффундирующих видов Pu создаст градиента концентрации в геле и начнет скапливаться во втором отсеке (B), первоначально содержащий раствор того же химического состава без Pu , Начальная концентрация видов Pu в секции А определяется таким образом, что она Remaiнс постоянные или изменения очень мало (по 1% -2% на большинство) в течение эксперимента диффузии. Построение количество рассеянного Pu в зависимости от времени предоставляет средства для анализа подвижности видов плутония, преобладающих в различных моделируемых условиях окружающей среды. Диффузия в тонких пленках предоставляет ценную альтернативу для исследований по Pu мобильности и видообразования и может с успехом применяться в полевых условиях 10. Можно заменить диффузионной ячейки пассивным сэмплер, изготовленного с PAM диффузионного геля и Chelex смолы в качестве связующей фазы, который служит для накопления диффундирующие видов Pu. Такой пробник может быть выставлен в полевых условиях - количество Pu, накопленных в смоле будут указывать на комплексов и биодоступность Pu в соответствующем среде 10.
В этой работе мы использовали диффузионной ячейке, чтобы исследовать подвижность Ри (IV) и Pu (V) видов и их взаимодействий с НОМ в лабораторных условиях. Марихуанаrthermore, мы применили большие пассивные DGT пробники поверхности 105 см 2, чтобы изучить биодоступность Pu в карстовой весной Швейцарии горы Юра (Venoge реки), где значительная доля Pu был найден во внутриклеточных частей водных мхов в предыдущая работа 11. Из-за очень низкого уровня плутония настоящее время в этой нетронутой окружающей среды, масс-спектрометрия (AMS) методы ускоритель на базе имеющихся в ETH Zurich, были использованы для измерения изотопов плутония.
Protocol
1. Плутоний Tracer Подготовка
- Ри (IV) подготовка трассирующими
- Из маточного раствора Pu передачи соответствующего аликвоту, содержащую необходимое количество Pu для эксперимента в стеклянном стакане 25 мл. Работа с 10 Бк 239 Pu в то время.
- Добавить 1 мл конц HNO 3, 0,6 мл 1 М NaHSO 4, 0,4 мл концентрированной H 2 SO 4. Выпаривают досуха на горячей плите. Тепло медленно при 200 ° С в начале, чтобы избежать кислотную проекцию.
- После жидкость не осталось в стакане, отжига остаток при 400 ° С - 500 ° С до исчезновения белых паров не исходит. Остаток белого цвета при охлаждении и растворимый в буфере, выбранной для эксперимента.
Примечание: Pu (IV), источником подготовлен таким образом можно хранить в сухом до нескольких месяцев 12.
- Подготовка Ри (У) трассирующими 13
- Окисление Pu
- Перенесите аликвоту из СТО PuCK раствора в пластиковой 20 мл жидкого сцинтилл ционный флакон с герметичной крышкой в. Работа с 10 Бк 239 Pu в то время. Добавить 0,01 мл 0,01 М KMnO 4 и оставить смесь в темноте в течение не менее 6 ч.
- Пу (VI), добыча
- Перед экстракцией приготовить раствор 0,5 М теноилтрифторацетона (TTA) в циклогексане и защитить его от воздействия света. Всегда приготовления этого раствора непосредственно перед каждым экспериментом.
- Добавить к окисленного раствора Pu 2 мл 0,1 М CH 3 COONa при рН 4,7 и 2 мл 0,5 М теноилтрифторацетона (TTA) в циклогексане. Оберните бутылку с алюминиевой фольгой, чтобы сохранить реакционную смесь в темноте, встряхивают в течение 10 мин. Отдельные органической фазы, содержащей Pu (VI) с помощью пипетки и переносят в чистую стеклянную пробирку.
- Пу (VI), в Pu (V) фотовосстановление
- Оставьте стеклянный пузырек, содержащий Pu (VI) -TTA комплекс в циклогексане при комнатной света в течение 2 ч.
- Ри (У) добыча
- Добавить к воздействию света растворе 1 мл 0,1 М CH 3 COONa при рН 4,7 и встряхивают в течение 5 мин. Удалить водную фазу, содержащий Pu (V). Определить концентрацию этого источника по сцинцилл принимая 100 мкл аликвоты.
Примечание: Подготовка Pu (V) решения непосредственно перед каждым экспериментом, поскольку в долгосрочной стабильности в государстве Pu + V окисления под сомнение.
- Добавить к воздействию света растворе 1 мл 0,1 М CH 3 COONa при рН 4,7 и встряхивают в течение 5 мин. Удалить водную фазу, содержащий Pu (V). Определить концентрацию этого источника по сцинцилл принимая 100 мкл аликвоты.
- Окисление Pu
2. Приготовление растворов, используемых в экспериментах
- Подготовка буферные растворы
- Сделайте 10 мМ раствора MOPS (3- (N) -morpholino пропансульфоновой кислоты) буфер. Возьмем 200 мл этого раствора и регулировать до нужного рН от каплям добавлением 0,1 М HCl (рН 6,5 для использования с Pu (IV) и рН 5,5 для использования с Pu (V)).
- Готовят растворы для экспериментов с Pu (IV)
- Раствор А
- Растворите Ри (IV), полученного на стадии 1.1, в себеVeral миллилитров мМ MOPS 10 буферном растворе при рН 6,5. Тщательно вымойте стакан с тем же раствором.
- Довести объем до 72 мл 10 мМ MOPS буферном растворе при рН 6,5. Проверяют рН и произвести повторную регулировку до 6,5 с помощью 0,1 М NaOH. Передача 72 мл этого раствора в чистый стакан, - это (A), раствор должен быть введен в секции А в диффузионной ячейке.
- Раствор B
- Возьмем 72 мл 10 мМ MOPS буферном растворе при рН 6,5; добавить 0,75 мл 1 М Na 2 SO 4. Проверьте рН, подрегулировать до 6,5, если необходимо. Передача 72 мл этого раствора в чистый стакан, - это «B» решение быть введены в «B» отсеке диффузионной ячейки.
- Готовят растворы с NOM
- Взвесьте 1,4 мг лиофилизированного фульвеновых или гуминовых кислот в концентрации получения 20 частей на миллион и растворить его в «A» containi решениянг Pu (IV). Подготовьте решение 24 ч до эксперимента и позволяют равновесия.
- Раствор А
- Готовят растворы для экспериментов с Pu (V)
- Раствор А
- Растворите Pu (V), полученного на стадии 1.2.4 72 мл 10 мМ MOPS буферном растворе при рН 5,5; добавить 0,75 мл 1 М NaNO 3. Проверяют рН и отрегулировать до 5,5, если это необходимо. Передача 72 мл этого раствора в чистый стакан. Приготовьте раствор с Pu (V) непосредственно перед экспериментировать.
- Раствор B
- Возьмем 72 мл 10 мМ MOPS буферном растворе при рН 5,5; добавить 0,75 мл 1 М NaNO 3. Проверяют рН и отрегулировать до 5,5, если это необходимо. Передача 72 мл этого раствора в чистый стакан.
- Готовят растворы с NOM
- Взвешивают 1,4 мг лиофилизированной фульвеновых или гуминовой кислоты, чтобы получить концентрацию 20 частей на миллион и растворить в растворе, содержащем плутоний (V). Оставьте раствор в течение 24 часовдостичь устойчивого состояния между Ри (IV) и Pu (V) видов. Перед экспериментом диффузии выполнить извлечение жидкой фазы, чтобы определить фракцию Pu (V), как описано в разделе 3.4.2.
- Раствор А
3. Лаборатория диффузии Эксперименты
- Подготовка PAM гель
- Смочите пластиковый лоток с несколькими миллилитрами электролита (например, 10 мМ NaNO 3), поместите полоску геля в РАМ и расширить равномерно по всей поверхности. Поместите осторожно резкое штампа 2,7 см в диаметре на поверхности геля. Избегайте скольжения удар по поверхности геля.
- Используйте местную целенаправленного освещения, при необходимости, он может помочь визуализировать прозрачную PAM гель. Нажмите удар категорически против гель поверхности и отпустите, когда он будет вырезать.
- Ассамблея диффузионной ячейки
- Расположите гель диск PAM с помощью пинцета в паз над окном диффузии в гладкой лицом образом. Поверните винт такой, что TWO отсеки диффузионной ячейки скрепить, соединены между собой посредством диска PAM гель.
- Отметить А и B отсеки диффузии клетки. Сборка диффузионной ячейки с гелем диска непосредственно перед каждым экспериментом; не позволяют гель для просушки.
- Запуск эксперимента диффузии
- Медленно влить решения А и В в соответствующих отсеках. Убедитесь, что оба раствора выливают на той же скорости, чтобы обеспечить равный объем в каждом отсеке, в любое время, в противном случае диффузионный гель может быть поврежден.
- Запуск таймера после того, как растворы в клетке. Поместите миниатюрные электрические смесители на диффузионной ячейке. В это время диффузии эксперимент рассматривается начала.
- Взятие проб в течение диффузии эксперимента
- Брать пробы равным объемом в регулярные промежутки времени из отсеков А и В одновременно, чтобы сохранить объемы постоянным в течение experimeнт.
- Отбор пробы 1,00 мл одновременно в каждом отсеке непосредственно в начале эксперимента, чтобы определить начальную концентрацию Pu в отсеке A.
- Используйте время выборки интервал 10 мин в экспериментах без добавления НОМ и 20 минут до нескольких часов в экспериментах с гуминовых кислот. 2,00 мл аликвоты достаточно, чтобы обеспечить хорошую чувствительность для альфа-спектрометрические измерения.
- Извлечение жидкой фазы Pu (IV) и Pu (V)
- В конце эксперимента диффузии принимают отдельно 4 мл пробы из А и Б в пластиковые отсеки пробирки с крышками герметичных. Подкислите образцы 1 мл 2 М HCl.
- Добавляют 5 мл 0,5 М бис (2-этилгексил) фосфорной кислоты (HDEHP) раствор в циклогексане и перемешивают пробирки энергично в течение 5 мин. Оставьте образцы для обеспечения разделения фаз. Извлеките водной фазы, содержащей Pu (V).
- Вернуться экстракция Pu (IV)
- Вернуться экс-тракта Pu (IV) от остальной органической фазы с 5 мл 5% (NH 4) 2 C 2 O 4.
- Брать пробы равным объемом в регулярные промежутки времени из отсеков А и В одновременно, чтобы сохранить объемы постоянным в течение experimeнт.
4. Образец Лечение
- Образцы Спайк с внутренним стандартом
- Образцы Spike быть проанализированы с Выход по изотопу. Используйте всплеск 1,00 мл 242 Pu индикатора 25 МБк мл -1 концентрация активности для альфа-спектрометрические измерения.
- Oxidize матрицу образцов "
- Выпаривают досуха образцы на горячей плите с 2,00 мл концентрированной HNO 3.
5. радиохимического разделения Ри
- Отрегулируйте степень окисления Pu
- Растворите сухие образцы из точки 4.2.1 в 5 мл 8 М HNO 3, добавляют 20 мг NaNO 2, образцы тепла при 70 ° С в течение 10 мин. Этот шаг позволяет регулировать степень окисления Pu до + IV.
- Добыча твердой фазы Ри
- Влажный четвертичного амина на основе анион-обменной смолой колонку (например, Тева) с 1,5 мл 8 М HNO 3. Использование микро-колонн из 1 мл пипетки с 100 мг смолы кондиционируют 1,5 мл 8 М HNO 3.
- Пропускают раствор точке 5.1.1 через колонку со смолой с расходом около 1 мл мин -1. Промыть образец стакан с 2 мл 8 М HNO 3 в три раза и передачи размывы Ресина столбцов.
- Элюировать Пу
- Промыть колонки 3 мл 9 М HCl. Элюировать Пу 3 мл раствора 9 М HCl / 0,1 М HI. Выпарить элюаты на горячей плите. Treat 2 мл концентрированного HNO 3, выпаривают досуха. При необходимости повторите до коричневого цвета йода исчезает.
- Определить концентрацию Pu в образцах любым доступным способом.
Примечание. Для диапазона концентраций 239 Pu используемые в настоящем Протоколе альфа-спектрометрии обеспечивает хорошую чувствительность. Подготовка источников для альфа-spectrometriС считая гальваническим на дисках из нержавеющей стали 14. Граф источников на PIPS детектора (450 мм 2) в спектрометре.
6. Анализ данных
- Участок рассеянный Pu в зависимости от времени
- Участок деятельность Ри (мБк), накопленного в отделении B в зависимости от времени (мин). Правильное по объему образца, взятого из ходе эксперимента диффузии: Активность накопленного Pu (МБк) в момент времени Т равна концентрации (мБк мл -1) определяется в образце, умноженной на объем раствора (мл) в Отсек B в момент отбора проб (см пример таблицы - рисунок 2).
- Для построения на тех же графических данных из нескольких опытов с различными концентрациями плутония, используемых концентрациях, нормированная на начальной концентрации Pu купе А.
- Рассчитать коэффициент диффузии
- Рассчитать коэффициент диффузии D (см 2 с -1) видов плутония для каждого эксперимента 10. Использование уравнения (1):
(1)
где Δg является толщина диффузии гель (см), С начальная концентрация Pu (МБк мл -1), S площадь диффузии (см 2), и деятельность (мБк) видов Pu распространенных в секции Б на время Т (сек). ΔA / & Dgr; t представляет собой наклон линейной участке Pu диффундирует в отсеке B в зависимости от времени.
- Рассчитать коэффициент диффузии D (см 2 с -1) видов плутония для каждого эксперимента 10. Использование уравнения (1):
(1) 7. Исследования биодоступности Ри в природных пресных
- Подготовка DGT пробники
- Смочите пластиковый лоток с несколькими миллилитрами электролита (например, 10 мМ NaNO 3), поместите нижнюю пластину (рисунок 3) в DGT сэмплер. Используйте местное освещение, при необходимости, он может помочь визуализировать прозрачные гели.
- Positiна 6 см × 22 см Chelex полосы смолы гель и расширить равномерно по поверхности пластинки. Место на верхней части смолы гелевого слоя 6 см × 22 см PAM диффузионного гель Газа и расширить равномерно по поверхности. Убедитесь, что гели не скольжения и расположены в гладких лицом образом.
- Накройте диффузионный слой геля с 6 см × 22 см кусок фильтровальной мембраны. Поместите крышку кадр DGT сэмплер (рисунок 3) на фильтре мембраны и закрыть собрание слегка нажимая рамку по краям.
- Отрежьте выступающие части геля от острым скальпелем, открытый и перестроить гель слоев, если необходимо, пока не будет получена гладкая поверхность пластины. Закрепите сборку с помощью винтов.
- Смочите пробники DGT с несколькими миллилитрами электролита (например, 10 мМ NaNO 3). Храните мокрые в герметичной пластиковой упаковке до нескольких недель при 4-5 ° С.
- Развертывание DGTs в естественном водоеме
- Развертывание DGTs в водоем либо части их суспендированием в сильной каната или установкой на устойчивую вертикальную опору таким образом, чтобы обеспечить постоянную тангенциального потока воды вдоль поверхности ДГТ. Развертывание устройства DGT в пресных водах в течение двух-трех недель, чтобы накопить Pu в концентрации, достаточной для измерений.
- Получить DGTs из воды. Открутите сборку, вынуть мембрану фильтра и выбросить. Выньте верхний слой геля (PAM диффузная гель) и выбросьте.
- Перевести смолы гель в стеклянный стакан, содержащий 20 мл 8 М HNO 3 и образцов шип для анализа с выходом индикатора. Используйте шип 1,00 мл 242 Pu индикатора 0,25 МБк мл -1 (1,7 мкг мл -1) концентрация активности для измерений AMS. После хорошо агирован, оставьте образцы O / N для Pu элюирования.
- Фильтры решения с образцов смолы гель; промойте оставшиеся гели смолы с 5 мл 8 М HNO 3 и объединить размывов с образцами. Добавить 20 мг NaNO 2 в каждом образце, нагрева растворов при 70 ° С в течение 10 мин. Этот шаг позволяет регулировать степень окисления Pu до + IV.
- Влажный четвертичного амина на основе анионообменной смолы картридж 10 мл 8 М HNO 3. Пропускают растворы точки 7.4.1 через картридж смолой с расходом около 1 мл мин-1. Промыть образец стакан с 5 мл 8 М HNO 3 в три раза и передачи размывов в обмен смолы картриджа.
- Вымойте картриджей 10 мл 9 М HCl. Элюировать Пу с 15 мл раствора HCl 9 м / 0,1 М HI. Выпаривают элюат на горячей плите. Отнеситесь с 2 мл концентрированной HNO 3, еvaporate досуха. При необходимости повторите до коричневого йода цвет полностью исчез.
- Повторите радиохимического разделения плутония одного более двух раз, если выше очистка не требуется - в зависимости от производительности системы обнаружения Pu. Выполните второе и третье разделение на микро-колонн, изготовленных из 1 мл пипетки с 100 мг ионообменной смолы условных 1,5 мл 8 М HNO 3.
- Определить концентрацию Pu в образцах. Используйте методы масс-спектрометрии для измерения 239 Pu из-за очень низкого уровня плутония в чистой окружающей среде.
Примечание: В данной работе, использовать объект AMS настроенный для анализа актиноидов в лаборатории ионного пучка физики в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе.
8. Анализ данных
- Рассчитать концентрацию (С DGT в μBq мл -1) биодоступным (лабильная) Пу зрecies в объеме воды от суммы Ри накопленного DGT период развертывания. Использование уравнения (2):
(2)
где А представляет собой активность (μBq) из Pu, накопленных в связующей фазы, Δg диффузионного слоя (гель + мембранный фильтр) Толщина (см), D коэффициент диффузии Pu в PAM геля (см 2 сек -1), S диффузия площадь (см2), и т длительность развертывания (сек). - Сравнение C ДГТ в Pu определяется DGTs с общей концентрацией Pu в объемной воды, а также с другими имеющимися данными видов.
(2) 9. радиохимического разделения для определения общего Pu в массовых воды
- Образец Состояние воды
- Насос воды из исследуемого водоема через мембранный фильтр 45 мкм в пластполучатель IC. Работа с образцами от 10 до 50 л для измерения AMS. Подкислите воду до рН 2 с HNO 3 сразу же после отбора проб на месте отбора проб до транспортировки в лабораторию.
- Осадок Pu на гидроокиси железа
- В лаборатории ввести верхней мешалки реципиенту. Спайк образца с Пу доходности индикатора. Используйте шип 1,00 мл 242 Pu индикатора 0,25 МБк мл -1 (1,7 мкг мл -1) концентрация активности для измерений AMS.
- Добавить FeCl 3 · 6H 2 O принимать около 0,25 г на 10 л образца. После перемешивали в течение 30 мин, осадок гидроксидов железа с NH 4 OH при рН 8.
- Во-вторых осадков Ри на гидроокиси железа
- Слейте супернатант из пробы воды с точки 9.2.2. Восстановление осадок гидроокиси железа в 2 л стеклянном стакане, промыть получателя с деионизированной водой и объединить размывов с SAMPле.
- Растворения осадка в ~ 100 мл 5 М HCl, тепла до 90 ° С, чтобы разложить карбонаты. Фильтр при необходимости, когда раствор остынет. Re-осаждения железа гидроксиды с NH 4 OH при рН 8.
- Состояние гидроокиси железа для анализа
- Декантировать супернатант из образца от точки 9.3.2. Восстановление осадок гидроокиси железа в центрифугирования судна. Центрифуга отбросить супернатант. Вымойте осадок деионизированной водой. Повторите 2-3 раз.
- Растворите осадок в 10 мл 8 М HNO 3, представить радиохимического разделения плутония, как описано ранее в разделах 7.4-7.6 в.
10. Подготовка образцов для измерения AMS
- Осадок Pu на гидроокиси железа
- После радиохимического разделения, растворения окончательного образца в 0,5 мл 1 М HCl, переноса образца с пластиковой пипетки в стеклянный сосуд 2,5 мл. Промыть образец МЕНЗУРКУ TWICэлектронной 0,5 мл 1 М HCl, передавать размывов в том же флаконе.
- Добавить 0,5 мл 2 мг мл -1 Fe 3+ раствор, чтобы обеспечить 1 мг железа. Осадок железа гидроксиды добавление нескольких капель концентрированной NH 4 OH. Центрифуга и переливать супернатант.
- Промывают осадок деионизированной водой, центрифугируют и декантируют супернатант. Сушат осадок на горячей плите при 90 ° С.
- Подготовка цель для измерения AMS
- Выпекать гидроксиды выпадают из точки 10.1.3 в печи в течение 2-3 ч при 650 ° С. Тщательно смешать с 3-4 мг ниобия металлического порошка и нажмите в целевой держателя Ti для измерения AMS.
Примечание: Мы измерили образцы с компактной (0,6 М.В.) AMS системы "Тэнди" в Швейцарском федеральном технологическом институте (ETH Zurich), настроенного для измерения актинидов 15,16.
- Выпекать гидроксиды выпадают из точки 10.1.3 в печи в течение 2-3 ч при 650 ° С. Тщательно смешать с 3-4 мг ниобия металлического порошка и нажмите в целевой держателя Ti для измерения AMS.
Representative Results
Диффузионные эксперименты
Построение деятельности 239 Pu рассеянные в B отсеке диффузионной ячейки в зависимости от времени дает визуальное представление потока 239 видов Pu диффундирующих через PAM геля. Коэффициенты диффузии вычисляются на основе этих участков в соответствии с уравнением 1 обеспечивают дополнительные средства для сравнения мобильности различных видов 239 Pu в различных окислительно-восстановительных химических сред (рисунок 2). Рисунок 5 иллюстрирует диффузии эксперименты с Pu (IV) и Pu (IV), -Pu (V) смешанные виды, соответственно, в MOPS буфере и в присутствии 20 частей на миллион HA. Сравнение этих участков показывает, что Ри (У) является значительно более подвижны, чем Pu (IV) .Это особенно актуально для Pu (IV) и Ри (У), когда HA (МВт 5-40 кДа в наших экспериментах, характеризуется в СИ по Cuşnir и др.) 10 добавляется в качестве комплексообразующих молекул. Ри (У) Источник Solutионный получают в соответствии с методикой, описанной в этой статье содержит преимущественно Pu (V) видов. Извлечение жидкой фазы с HDEHP в конце диффузионного эксперимента в MOPS буферном растворе обнаружено 80% ± 10% от Pu (V). Химический выход этого извлечения 80%. Решение с Pu (V) в присутствии 20 частей на миллион HA уравновешивали в течение 24 ч и Pu (V) фракции в этом модельном растворе составила 35% ± 10%.
Исследования биодоступности Pu в природных пресных водах
Некоторые устройства DGT, построенные в нашей лаборатории были успешно выставлены на срок от двух до трех недель в карстовой весной швейцарских горах Юра. Это минеральный источник с рН воды в диапазоне 6,5-7,5, проводимость выше 400 мкс см -1 и насыщенным кислородом. Эти эксперименты показали, хорошую применимость и надежность гелевых агрегатов без следа обрастания, возможно, также из-за тОн низкая температура пружины (7 ° C). DGTs полученные после развертывания были хорошо сохранились, с гелевыми слоев нетронутыми, сохраняя первоначальную форму и внешний вид. Пу накопленный DGTs анализировали AMS. AMS обеспечивает значительные преимущества по сравнению с другими аналитическими методами: он очень чувствителен (до уровня суб-FG), и требует гораздо более низкую начальную сумму образец, чем альфа-спектрометрии или методов ИСП-МС. Кроме того, молекулярные изобарических помехи, такие как гидрид урана (238 UH), или других молекул эффективное подавление во время измерения AMS и не мешают обнаружению 239 Pu. Для некоторых технических причин (наиболее вероятно загрязнение 239 Pu при химических разделений), мы не смогли использовать данные для 239 Pu в течение первых применений DGTs в области. Тем не менее, результаты 240 Pu были объективными. Таким образом, мы рассчитали содержание 239 Pu из измеренная <SUP> 240 Pu, принимая 0,18 в 240 Pu / 239 атомным отношением Pu для выпадений плутония. Результаты суммированы в таблице 1.
239 Pu концентрации, измеренные в образцах воды оптом аналогичны концентрациям сообщалось ранее для этого водоносного горизонта (1-7 л μBq -1) 11. Кроме того, 239 Pu, рассчитанные концентрации из измерений DGT похожи в неопределенности измерения. Так DGTs накапливаются только свободные и лабильные виды ПУ, можно оценить долю биологически Pu в этой воде. Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что все виды 239 Pu, присутствующей в объемном воды найдены в биодоступной форме. Это интересный результат в свете результатов предыдущих 11, которые выявили преобладающую накопление 239 Pu + 240 внутриклеточного фракции водных мха, растущих в сравнении с пружиной
Рисунок 1. Распространение клеток использовали для экспериментов по Pu диффузии через PAM геля. Канавка толщина 0,5 см, глубина канавки 0,39 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. SnapshOT в Excel листе, используемого для расчетов коэффициента диффузии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Большой-поверхность DGT устройство для измерения видообразования экологических Pu Части устройства DGT -. Нижняя пластина и крышка рамы -. Изображенную слева, в сборе с экипажа отверстия на правой Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию из этой фигуры.
Рисунок 4. DGT пробоотборник устройства, установленные в держателе (слева) подвергается в Venoge ОПСРнг (справа) для измерения биодоступности Pu. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5. Земельный 239 Pu диффундирует в B отсеке диффузионной ячейки в различных химических средах. Экспериментальные точки данных приведены для 239 Pu (IV) и 239 Pu (V), соответственно, в MOPS буфер, а также для 239 Pu (IV) - 239 Pu (V) смешивают видов (35% ± 10% от Pu (V)) в присутствии ГК. Линия показано 239 Pu (IV) -HA была рассчитана с использованием коэффициента диффузии 0,50 × 10 -6 см 2 с -1 определяется ранее 10. Коэффициенты диффузии, рассчитанные из уравнения 1,: Ри (IV) в MOPS буфере - 2,29 × 10 -6 см 2 с -1, Ри (У) в MOPS буфере - 3,50 × 10 -6 см 2 с -1, Ри (IV) - Pu (V) с ХА - 0,92 × 10 -6 см 2 с -1. Сверху вниз: Pu (V) в MOPS буфера (красный открытый круг), Pu (IV) в буфере MOPS (синий открытые треугольники), Ри (IV), - Ри (У) в присутствии 20 частей на миллион га (зеленый открытые квадраты), Ри (IV), в присутствии 20 частей на миллион га (коричневых алмазов открытым). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Тип образца | Количество измерений | 239 концентрация плутония, μBq л -1 |
| Массовая воды | 2 | 1.9 ± 0.55 |
| DGT 0,39 мм | 2 1.74 ± 0.9 | |
| DGT 0,78 мм | 1 | 1.79 ± 0.9 |
Таблица 1. Типичные результаты измерений 239 Pu по AMS в объемной воды и DGT пробоотборников. 239 Pu в объемном воды совместно осаждают из 20 л воды с гидроксидами железа, экстрагировали на актинидов конкретных смолой и измеряется AMS . 239 Pu концентрации для измерений DGT рассчитанные с использованием уравнения 2 и коэффициент диффузии для Pu (IV). Неопределенности для к = 2; и (95).
Discussion
Методология DGT описано здесь для экспериментов с использованием плутония диффузионной ячейке обеспечивает надежный подход для различных исследований по Pu видов окислительно-восстановительных и их взаимодействий с органическими молекулами, коллоидные частицы и смоделированных экологических систем. Дальнейшие применения DGTs для измерений параметров окружающей среды Ри будет способствовать нашему пониманию биологической и судьбе этого радионуклида в водных экосистемах.
Лаборатория диффузии эксперименты
Для того, чтобы выполнить успешную диффузии эксперимент с содержательных выводов о Пу мобильности и взаимодействий в отношении конкретного химического окружения, хорошо определены и должны быть обеспечены контролируемых условиях. Регулировка Pu окисления до эксперимента существенно упростить интерпретацию данных, а также моделировать различные биогеохимические поведения плутония видов окислительно-восстановительных. Чувствительность видов плутония ввариации рН составляет буферизации решения обязательным. Особое внимание должно быть обращено на особенности диффузии клеток и настройки: использование не-сорбирующих тефлоновой полимерного материала позволяет избежать адсорбции на клеточных стенках и позволяет надежную сборку герметичность, предотвращая потерю Pu диффузия решения в ходе эксперимента.
Начальная концентрация Pu быть введены в отсек A, а также интервала дискретизации и объем каждой пробы, отобранной в ходе эксперимента диффузии зависит от аналитического метода в лаборатории. Любой доступный метод анализа может быть использован для определения концентрации Pu в пробах из диффузионной ячейки, однако этот выбор тесно связан с исходной активности Pu, необходимое для эксперимента. 10 Бк 239 Pu, как рекомендуется в этом протоколе (давая 100-140 МБк мл -1 или ~ 2 × 10 -13 моль мл -1) являются достаточными для обеспечения достаточной чувствительности для measuremЭнты по альфа-спектрометрии и вообще не представляют особых проблем для правил радиационной защиты. Начальная концентрация Pu может быть снижена, если другие, более чувствительные методы, аналитические доступны для определения Pu (например, масс-спектрометрии). Интервал выборки могут быть выбраны для каждого эксперимента диффузии, в зависимости от исходной концентрации Pu, и ожидаемый скорость диффузии через PAM геля. Несмотря на то, что аликвоты от диффузионных экспериментов не содержат, помимо Pu радионуклиды, наличие минеральных солей и буфера MOPS могут мешать аналитической процедуры, снижая эффективность и точность количественного анализа. Поэтому желательно, чтобы выполнить химическое разделение Pu на этих образцах.
Диффузионной ячейки обеспечивает наилучший подход для изучения диффузии в геле, так как PAM гель подвергается непосредственно к решению хорошо перемешивают. Таким образом, эффекты диффузионного боundary слой (DBL) на поверхности гелевую считать незначительным. Хорошем перемешивании растворов во время эксперимента диффузии существенно, что позволяет минимизировать эффекты DBL. В то же время, следует исходить осторожно, чтобы не нарушить PAM гель.
Исследования биодоступности Pu в природных пресных водах
Результаты, полученные с помощью этого протокола, показывают, что измерения плутония с устройствами DGT обеспечивает эффективный инструмент для изучения биодоступности плутония в пресной воде. Измерения DGT выход времени средняя концентрация свободных и лабильных видов, два наиболее важных форм для биологического поглощения от живых организмов. Кроме того, кинетика взаимодействия с Pu органического вещества может быть исследована с помощью гели различной толщины. Время, необходимое для Pu-NOM видов диффундировать через гель позволит наиболее лабильных комплексов диссоциировать. Измерения DGT могут быть дополнены бМетоды ультрафильтрации г, что получения процента Pu коллоидных видов выше заданного размера (например, 8 кДа). Pu коллоидные видов, как правило, считается не биодоступных видов и часть фракции Pu не измеримой с помощью DGT.
На данный момент, устройства DGT были развернуты только в пресной воде карстового источника швейцарских горах Юра. Низкие концентрации в окружающей среде Ри требует долгосрочного развертывания DGT устройств, которые могут возникнуть потенциальные недостатки. Биообрастания поверхности ДГТ представляет собой существенный недостаток, увеличение толщины двухместных и тем самым ограничивая поток Pu через PAM геля. Связывание фаза DGTs подвергающихся в морских водах или водах высокой минерализации может быть быстро насыщается с другими тяжелых металлов, искажая данные для накопления плутония. Определение следовых окружающей Pu требует тщательного радиохимического разделения и очень чувствительные аналитические методы. Измерение AMSс, применяемые в данном протоколе не являются широко доступными, но могут быть заменены другими методами масс-спектрометрии. Однако строгое разделение радиохимического необходимо устранить помехи изобарический 238 UH из природных урана.
Уравнение 2 показывает, что размер устройства ДГТ является важным параметром, который может быть настроен, чтобы увеличить количество накопленного Pu в течение заданного времени развертывания. Коммерческие полоски гель доступны только с максимальной поверхности 6 см х 22 см. Таким образом, окно DGT сэмплер был увеличен до 105 см 2 (5 см × 21 см), что делает возможным накапливать достаточное количество видов плутония на сравнительно короткое время развертывания. Сборка такого DGT сэмплер требует точности и особое внимание свойств геля листовых PAM манипулируя. Это имеет принципиальное значение, чтобы собрать гель слои в гладкой лицом форме "сэндвич" для того, чтобы обеспечить homogeое поток видов плутония из объемной воды через диффузионного геля. Хорошо расход воды на поверхности DGT также является важным параметром, но это в основном определяется условиями течения в водоносный горизонт. Рекомендуется размещать DGT устройства для измерения плутония примерно 45 ° к направлению потока воды для того, чтобы обеспечить стабильное снабжение водой и минимизации последствий DBL.
Коэффициент диффузии, используемый в уравнении 2 должен быть исправлен, если температура в исследуемом водоеме отличается от температуры, при которой коэффициент диффузии была определена. Влияние температуры на коэффициенты диффузии определяется уравнением Стокса-Эйнштейна (уравнение 3): 
(3)
где D 1 и D 2 коэффициенты диффузии (см 2 с -1), η 1 и η 2 являются вязкость (мПа сек), шAter при температурах Т 1 и Т 2 (K) соответственно.
В настоящее время нет никакого метода, чтобы исследовать Pu видообразования в чистой окружающей среде, для термодинамических расчетов, основанных на, например, рН и окислительно-восстановительных параметров, за исключением. Эти параметры доступны только для макро-элементов, таких как карбонаты, железо или марганец катионов. Таким образом, Ри видообразование происходит от этих видов измеримых, но не представляют собой "реальную" измерение. Здесь мы считаем, что диффузия в тонком техники PAM гелевой пленки, как представлено в этой статье, является важным шагом в решении проблемы видообразования Pu, потому что это позволяет измерять в месте свободного и лабильных видов и, возможно, свидетельствует плутонила видов. Хотя только несколько измерений DGT из окружающей среды Pu в пресных водах были предприняты до сих пор, полученные результаты обнадеживают для дальнейших приложений метода DGT для Pu видообразования и биодоступности.Развертывание DGTs в органических богатых водах потенциально дать важную информацию о Пу мобильности и взаимодействий в присутствии молекул NOM. Интересные результаты следует ожидать от измерений DGT в загрязненных морских средах, таких как прибрежных морях по всему Селлафилде ядерный завод по переработке и поврежденных Фукусима Daiichi АЭС.
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).
