Speciazione e di biodisponibilità Misure di plutonio ambientale Uso Diffusione in film sottili

Riepilogo

La tecnica dei gradienti diffusivi in ​​film sottili (DGT) è proposto per gli studi di speciazione di plutonio. Questo protocollo descrive esperimenti di diffusione sondare il comportamento di Pu (IV) e Pu (V) in presenza di sostanza organica. Dgts schierati in una sorgente carsica consentono la valutazione della biodisponibilità di Pu.

Abstract

L'assorbimento biologica del plutonio (Pu) in ecosistemi acquatici è particolarmente preoccupante dal momento che è un emettitore di particelle alfa con lunga emivita che può potenzialmente contribuire alla esposizione delle biota e gli esseri umani. I gradienti diffusive in sottile tecnica film è introdotto qui per misure in situ di Pu biodisponibilità e speciazione. Una cella di diffusione costruiti per esperimenti di laboratorio con Pu e il protocollo di nuova concezione consentono di simulare il comportamento ambientale di Pu in soluzioni modello di varie composizioni chimiche. Regolazione degli stati di ossidazione per Pu (IV) e Pu (V) descritti in questo protocollo è essenziale per indagare la complessa chimica redox di plutonio nell'ambiente. La calibrazione di questa tecnica e dei risultati ottenuti negli esperimenti di laboratorio permettono di sviluppare un dispositivo specifico DGT per misurazioni in situ Pu in acque dolci. Misure di spettrometria di massa basata Accelerator-di Pu accumulata da dgts in una sorgente carsica consentiti determinare la biodisponibilità di Pu in un ambiente d'acqua dolce minerale. L'applicazione di questo protocollo per le misurazioni Pu che utilizzano dispositivi DGT ha un grande potenziale per migliorare la nostra comprensione della speciazione e il trasferimento biologico di Pu negli ecosistemi acquatici.

Introduzione

Il plutonio è un radionuclide artificiale presente nell'ambiente come conseguenza delle ricadute globale seguendo i test nucleari e degli incidenti nucleari. La chimica redox del plutonio ha importanti implicazioni per la sua migrazione e cicli biogeochimici nei sistemi acquatici ambientali ^1. Plutonio ha una chimica complessa e può esistere in quattro stati di ossidazione (III, IV, V, VI) allo stesso tempo. Pertanto, la distribuzione delle specie redox di plutonio in acque naturali è estremamente sensibile alle ambiente chimico locale ^2,3. Lo stato di ossidazione del plutonio dipende anche l'origine della fonte - questa affermazione essendo per lo più rilevanti per gli ambienti contaminati e discariche. Specie plutonio Ridotto (+ III e IV +) si trovano prevalentemente in ambienti anossici e provengono da fallout globale e stoccati reflui, mentre gli stati di ossidazione più alti (+ V e VI +) si possono trovare tra i prodotti di decadimento di altri attinidie in ambienti ossiche ^4.

La mobilità e il comportamento ambientale di plutonio può essere previsto in qualche misura dalla speciazione redox. Il plutonio a + III e IV + stati di ossidazione esiste prevalentemente in fase solida e ha aumentato la capacità di Sorb ai colloidi inorganici e naturale di materia organica (NOM) molecole. Il plutonio a + III e IV + stati di ossidazione è considerato meno mobile. Forme più solubili ossidate di plutonio (+ V e VI +, + V è più probabile) ⁵ sono potenzialmente in grado di contribuire ad un trasferimento biologica più elevata per gli organismi acquatici a causa della maggiore mobilità. Tuttavia, in presenza di NOM, particolarmente di acido umico, Pu (V) viene ridotto ^17, spostando il partizionamento diversi ordini di grandezza a favore di precipitazioni. Nonostante il fatto che il tasso di riduzione di Pu (V) di Pu (IV) è da 4 a 5 ordini di grandezza più veloce la reazione inversa, rimobilizzazione di Pu (IV) in condizioni ossidanti may anche avvenire ^1. Recenti dati sperimentali su sedimenti minerali modificato con Pu (IV) e sottoposti a condizioni ossidanti naturali hanno dimostrato che la concentrazione di Pu solubile in fase acquosa aumentata nel tempo ^1,6. Gli autori spiegano da ossidativa desorbimento di Pu (IV) e la formazione di Pu più solubile (V) e (VI) Pu specie. Ossidazione di Pu (IV) può verificarsi anche a causa di ossidi di manganese incontrati naturalmente ^7. Queste osservazioni sono importanti per la modellazione biodisponibilità e valutazione del rischio ambientale dello smaltimento dei rifiuti e dei siti contaminati.

Studi sulla biodisponibilità e speciazione del plutonio è un compito impegnativo sia in laboratorio che in situ condizioni. Basse concentrazioni ambientali, la variabilità delle specie redox e le interazioni con colloidi naturali rendono difficile simulare il comportamento biogeochimico del plutonio. La tecnica dei gradienti diffusivi in ​​film sottili (DGT) basata sula diffusione di specie contaminanti liberi e labili attraverso una poliacrilammide (PAM) gel è ampiamente utilizzato per misurazioni ambientali di oligoelementi ^8. Un campionatore DGT rappresenta un dispositivo a tre strati in una fase legante (per la maggior parte dei metalli in tracce è resina Chelex contenuta nel gel PAM), strato di gel diffusivo (PAM gel di spessore variabile) e una membrana filtro a protezione del gel e tiene insieme il gruppo. Film sottili di gel di poliacrilammide, composto da 85% di acqua, permettono di specie complesse liberi e labili diffondere più rapidamente di plutonio legato a molecole grandi NOM o particelle colloidali naturali. Un set-up progettato per studiare la diffusione di plutonio in film sottile di gel PAM in condizioni di laboratorio si chiama cella di diffusione ^9.

Una cella di diffusione è un recipiente a due compartimenti dove due compartimenti separati sono interconnessi da una apertura di una data superficie. L'apertura, cioè, la finestra tra le due camere contains un disco di gel diffusione di un certo spessore. Abbiamo costruito una cella Teflon con due scomparti 100 ml e una finestra diffusione circolare di 1,7 cm di diametro. Uno scomparto è rimovibile, facilitando l'assemblea. Una scanalatura larga 0,5 cm scolpito attorno alla finestra diffusione sul comparto fisso serve per collocare il disco gel diffusivo. La profondità della scanalatura dovrebbe essere simile a gel spessore PAM destinato all'uso. Abbiamo scelto di lavorare con un gel PAM 0,39 millimetri, così la profondità della scanalatura nella nostra cella di diffusione è 0,39 millimetri. Un quadro dettagliato della cella di diffusione è data in Figura 1.

Quando una soluzione contenente inizialmente plutonio viene inserito in un vano (A), diffondendo specie Pu stabilirà un gradiente di concentrazione nel gel e inizia ad accumularsi nel secondo vano (B), inizialmente contenente una soluzione della stessa composizione chimica senza Pu . La concentrazione iniziale di specie Pu nel vano A è definito in modo che esso Remains costanti o cambiamenti molto piccoli (da 1% -2% al massimo) in tutto l'esperimento di diffusione. Tracciare la quantità di Pu diffusa in funzione del tempo fornisce un mezzo per analizzare la mobilità delle specie Pu prevalenti nelle diverse condizioni ambientali simulate. Diffusione in film sottili offre una valida alternativa per gli studi sulla mobilità Pu e speciazione e può essere applicato con successo in campo ^10. Si può sostituire la cella di diffusione da un campionatore passivo, realizzato con il PAM gel diffusivo e resina Chelex come fase legante, che serve ad accumulare diffondenti specie Pu. Tale campionatore può essere esposto in condizioni di campo - la quantità di Pu accumulata nella resina sarà indicativo della speciazione e la biodisponibilità del Pu nel rispettivo ambiente ^10.

In questo lavoro, abbiamo utilizzato una cella di diffusione per indagare la mobilità di Pu (IV) e Pu (V) specie e le loro interazioni con NOM in condizioni di laboratorio. Furthermore, abbiamo applicato le grandi campionatori passivi DGT di una superficie di 105 ^cm 2 di studiare la biodisponibilità di Pu in una sorgente carsica dei Monti (Venoge River) Giura svizzero, dove è stata trovata una frazione significativa di Pu nelle parti intracellulari di muschi acquatici in un precedente lavoro ^11. A causa del livello molto basso di plutonio presente in questo ambiente incontaminato, spettrometria di massa tecniche basate acceleratore (AMS), disponibili al Politecnico di Zurigo sono stati utilizzati per misurare gli isotopi di plutonio.

Protocollo

1. Plutonio Tracer Preparazione

1. Pu (IV) Preparazione tracciante
   1. Dalla soluzione madre Pu trasferire un'aliquota appropriata contenente la quantità desiderata di Pu per l'esperimento in un bicchiere di vetro da 25 ml. Lavora con 10 Bq di ²³⁹ Pu alla volta.
   2. Aggiungere 1 ml concentrato HNO _3, 0,6 ml 1 H M NaHSO _4, 0,4 ml concentrato _{2 SO} 4. Evaporare a secco su un piatto caldo. Scaldare lentamente a 200 ° C all'inizio per evitare la proiezione di acido.
   3. Una volta che il liquido non viene lasciata nel becher, ricuocere il residuo a 400 ° C - 500 ° C fino a scomparsa dei fumi bianchi emanano. Il residuo è bianco quando raffreddato e solubili nel buffer scelto per l'esperimento.
      Nota: Pu (IV) fonte preparato in questo modo può essere conservato a secco fino a diversi mesi ^12.
2. Preparazione Pu (V) tracciante ¹³
   1. Pu ossidazione
      1. Trasferire un'aliquota da sto Pusoluzione ck in una plastica da 20 ml di liquido-scintillazione fiala con un tappo a tenuta. Lavora con 10 Bq di ²³⁹ Pu alla volta. Aggiungere 0,01 ml di 0,01 M KMnO ₄ e lasciare la miscela al buio per almeno 6 ore.
   2. Pu (VI) di estrazione
      1. Prima dell'estrazione preparare una soluzione di 0,5 M thenoyltrifluoroacetone (TTA) in cicloesano e proteggerlo dall'esposizione alla luce. Sempre preparare questa soluzione immediatamente prima di ogni esperimento.
      2. Aggiungere alla soluzione ossidata Pu 2 ml di 0,1 M CH ₃ COONa a pH 4,7 e 2 ml di 0,5 M thenoyltrifluoroacetone (TTA) in cicloesano. Avvolgere la bottiglia con un foglio di alluminio per mantenere la miscela di reazione al buio, agitare per 10 min. Separare la fase organica contenente Pu (VI) con una pipetta e trasferire in una fiala di vetro pulito.
   3. Pu (VI) di Pu (V) fotoriduzione
      1. Lasciare il flaconcino di vetro contenente Pu (VI) -TTA complesso in cicloesano a luce ambiente per 2 ore.
   4. Pu (V) di estrazione
      1. Aggiungere alla soluzione di illuminazione esposto 1 ml di 0,1 M CH ₃ COONa a pH 4.7 e agitare per 5 minuti. Rimuovere fase acquosa, contenente Pu (V). Determinare la concentrazione di questa fonte per conteggio in scintillazione liquida prendendo un'aliquota di 100 ml.
         Nota: Preparare Pu (V) soluzioni immediatamente prima di ogni esperimento in quanto la stabilità a lungo termine di Pu a + V stato di ossidazione viene messa in discussione.

2. Preparazione delle soluzioni utilizzate negli esperimenti

1. Preparare soluzioni tampone
   1. Preparare la soluzione 10 mM di MOPS (3- (N -morpholino) propanosulfonico) tampone. Prendere 200 ml di questa soluzione e regolare il pH desiderato goccia a goccia aggiunta di HCl 0,1 M (pH 6.5 per l'utilizzo con Pu (IV) e pH 5.5 per l'utilizzo con Pu (V)).
2. Preparare le soluzioni per gli esperimenti con Pu (IV)
   1. Soluzione A
      1. Sciogliere Pu (IV) preparata nella fase 1.1 in sémillilitri Veral di 10 MOPS mM soluzione tamponata a pH 6.5. Lavare accuratamente il bicchiere con la stessa soluzione.
      2. Portare il volume a 72 ml con 10 mM MOPS soluzione tamponata a pH 6,5. Controllare il pH e regolare nuovamente a 6,5 ​​con 0,1 M NaOH. Trasferimento 72 ml di questa soluzione in un bicchiere pulito - questa è la soluzione (A) da introdurre nel vano A della cella di diffusione.
   2. Soluzione B
      1. Prendere 72 ml di 10 MOPS mM soluzione a pH 6,5 tamponati; aggiungere 0,75 ml di 1 M _Na 2 _SO 4. Controllare il pH, regolate a 6,5 ​​se necessario. Trasferimento 72 ml di questa soluzione in un bicchiere pulito - questo è il «B» soluzione ad essere introdotti in «B» vano della cella di diffusione.
   3. Preparare soluzioni con NOM
      1. Pesare 1,4 mg di fulvico liofilizzato o acido umico per ottenere una concentrazione di 20 ppm e sciogliere nel «A» containi soluzioneng Pu (IV). Preparare questa soluzione 24 ore prima di sperimentare e per consentire il raggiungimento dell'equilibrio.
3. Preparare le soluzioni per gli esperimenti con Pu (V)
   1. Soluzione A
      1. Sciogliere Pu (V) ottenuto al passaggio 1.2.4 in 72 ml di 10 mM MOPS soluzione a pH 5,5 tamponati; aggiungere 0,75 ml di 1 M NaNO _3. Controllare il pH a 5,5 e regolare se necessario. Trasferire 72 ml di questa soluzione in un bicchiere pulito. Preparare la soluzione con Pu (V) immediatamente prima di sperimentare.
   2. Soluzione B
      1. Prendere 72 ml di 10 MOPS mM soluzione a pH 5,5 tamponati; aggiungere 0,75 ml di 1 M NaNO _3. Controllare il pH a 5,5 e regolare se necessario. Trasferire 72 ml di questa soluzione in un bicchiere pulito.
   3. Preparare soluzioni con NOM
      1. Pesare 1,4 mg di fulvico liofilizzato o acido umico per ottenere una concentrazione di 20 ppm e sciogliere in una soluzione contenente Pu (V). Lasciare la soluzione per 24 oreper raggiungere lo stato stazionario tra Pu (IV) e (V) Pu specie. Prima di eseguire un esperimento diffusione estrazione fase liquida per determinare la frazione di Pu (V), come descritto nella sezione 3.4.2.

3. Esperimenti di laboratorio Diffusion

1. Preparare gel PAM
   1. Bagnate un vassoio di plastica con diversi millilitri di elettroliti (ad esempio, 10 NANO _mm 3), posizionare la striscia di gel PAM e ampliare in modo uniforme su tutta la superficie. Posizionare cautamente un forte pugno di 2,7 cm di diametro sulla superficie del gel. Evitare di scivolare il pugno sopra la superficie del gel.
   2. Utilizzare illuminazione mirata locale se necessario, può aiutare a visualizzare il gel trasparente PAM. Premere il pugno fermamente contro la superficie del gel e rilasciarlo una volta che è tagliato.
2. Montaggio della cella di diffusione
   1. Posizionare il disco gel PAM con pinzette nella scanalatura sulla finestra diffusione in modo agevole faccia. Girare la vite in modo che la two compartimenti della cella di diffusione tengono insieme, interconnessa tramite il disco di gel PAM.
   2. Mark A e compartimenti cellulari di diffusione B. Montare la cella di diffusione con il disco di gel immediatamente prima di ciascun esperimento; non consentono il gel si asciughi.
3. Avvio di un esperimento di diffusione
   1. Versare lentamente le soluzioni A e B nei vani corrispondenti. Assicurarsi che entrambe le soluzioni vengono versati alla stessa velocità in modo da fornire un volume uguale di ciascuno scomparto in qualsiasi momento, altrimenti il ​​gel diffusivo può essere danneggiato.
   2. Avviare il timer una volta che le soluzioni sono nella cella. Posizionare i miscelatori elettrici in miniatura sopra la cella di diffusione. In questo momento l'esperimento di diffusione viene considerato iniziato.
4. Il prelievo di campioni per tutta esperimento diffusione
   1. Prelevare campioni di uguale volume all'interno intervalli regolari dei compartimenti A e B contemporaneamente per mantenere volumi costanti lungo la experiment.
      1. Prelevare un campione 1,00 ml simultaneamente in ogni compartimento immediatamente all'inizio dell'esperimento per determinare la concentrazione iniziale di Pu nel vano A.
      2. Utilizzare un intervallo di tempo di campionamento di 10 min in esperimenti senza aggiunta di NOM e 20 minuti a diverse ore in esperimenti con acido umico. 2,00 ml aliquote sono sufficienti per fornire una buona sensibilità per misure di alfa-spettrometria.
   2. Estrazione liquido fase Pu (IV) e Pu (V)
      1. Alla fine dell'esperimento diffusione prendere separatamente 4 ml campioni A e B compartimenti in provette di plastica con tappo a tenuta. Acidificare campioni con 1 ml 2 M HCl.
      2. Aggiungere 5 ml di 0,5 M bis- (2-etil esil) acido fosforico (HDEHP) soluzione in cicloesano e agitare provette vigorosamente per 5 min. Lasciare campioni per permettere la separazione delle fasi. Rimuovere la fase acquosa contenente Pu (V).
   3. Back-estrazione del Pu (IV)
      1. Back-extratto Pu (IV) dalla fase organica restante con 5 ml di 5% _(NH 4) ₂ C ₂ O _4.

Trattamento 4. Esempio

1. Campioni Spike con uno standard interno
   1. Spike campioni da analizzare con un tracciante resa. Utilizzare un picco di 1,00 ml di ²⁴² Pu tracciante di 25 MBq ml ^-1 attività specifica per le misure di spettrometria alfa.
2. Ossidare matrice campioni '
   1. Far evaporare campioni a secco su una piastra calda con 2,00 ml di concentrato _HNO 3.

5. La separazione radiochimica di Pu

1. Regolare Pu stato di ossidazione
   1. Sciogliere campioni secchi dal punto 4.2.1 in 5 ml 8 M HNO _3, aggiungere 20 mg NaNO _2, campioni di calore a 70 ° C per 10 min. Questa fase permette di regolare lo stato di ossidazione + Pu a IV.
2. Estrazione in fase solida di Pu
   1. Bagnare un anione colonna di resina a scambio quaternario con ammine (come TEVA) con 1,5 ml 8 M HNO _3. Utilizzare micro-colonne in 1 ml puntale con 100 mg di resina condizionata con 1,5 ml 8 M _HNO 3.
   2. Far passare la soluzione del punto 5.1.1 attraverso la colonna di resina con portata di circa 1 ml min ^-1. Risciacquare il bicchiere campione con 2 ml 8 M _HNO 3 tre volte e di trasferimento washouts a resina colonne.
3. Eluire Pu
   1. Lavare le colonne con 3 ml 9 M HCl. Eluire Pu con 3 ml di soluzione 9 M HCl / 0.1 M HI. Far evaporare eluati sulla piastra calda. Trattare con 2 ml concentrato HNO _3, evaporare a secco. Ripetere se necessario fino a quando il colore dello iodio marrone scompare.
   2. Determinare la concentrazione Pu nei campioni con qualsiasi metodo disponibile.
      Nota. Per la gamma delle concentrazioni di ²³⁹ Pu utilizzati in questo protocollo alfa-spettrometria fornisce una buona sensibilità. Preparare fonti di alfa-spectrometric contando da elettrodeposizione su dischi in acciaio inox ^14. Contare fonti su PIPS rivelatore (450 mm ²⁾ in uno spettrometro.

6. Analisi dei dati

1. Trama diffusa Pu in funzione del tempo
   1. Tracciare l'attività di Pu (mBq) accumulata nel vano B in funzione del tempo (min). Corretta per il volume del campione prelevato durante l'esperimento diffusione: attività accumulato Pu (mBq) al tempo t è uguale alla concentrazione (mBq ml ^-1) determinato nel campione moltiplicata per il volume della soluzione (ml) nel vano B al momento del campionamento (vedi esempio del foglio - Figura 2).
   2. Per tracciare sugli stessi dati del grafico da diversi esperimenti con diverse concentrazioni Pu, le concentrazioni di uso normalizzati alla concentrazione Pu iniziale di compartimento A.
2. Calcola coefficiente di diffusione
   1. Calcola coefficiente di diffusione D (cm ² sec ^-1) di specie Pu per ogni esperimento ^10. Usare l'equazione (1):
      (1)
      dove DeltaG è lo spessore gel diffusione (cm), la concentrazione C Pu iniziale (MBq ml ^-1), S l'area di diffusione (cm ^2), e l'attività A (mBq) di specie Pu diffuse nel vano B al tempo t (sec). ΔA / Dt è la pendenza del grafico lineare di Pu diffuso nel compartimento B in funzione del tempo.

7. biodisponibilità Studi di Pu in acque dolci naturali

1. Preparare campionatori DGT
   1. Bagnate un vassoio di plastica con diversi millilitri di elettroliti (ad esempio, 10 mM NaNO _3), posizionare la piastra inferiore (vedi figura 3) del campionatore DGT. Utilizzare illuminazione locale, se necessario, può aiutare a visualizzare gel trasparente.
   2. Positisu 6 cm × 22 centimetri Chelex striscia gel resina e ampliare in modo uniforme sulla superficie del piatto. Posizionare sulla parte superiore dello strato di gel di resina a 6 cm × 22 cm PAM striscia gel diffusivo ed espandere uniforme sulla superficie. Assicurarsi che i gel non sono scorrevoli e sono posizionati in modo uniforme dal viso.
   3. Coprire lo strato di gel diffusivo con 6 cm × 22 cm pezzo di una membrana filtrante. Posizionare il telaio di copertura del campionatore DGT (vedi Figura 3) sulla membrana del filtro e chiudere il gruppo premendo leggermente il telaio sui bordi.
   4. Tagliare le parti in gel che si estendono fuori con una lancetta tagliente, aperto e riallineare gli strati di gel, se necessario, fino ad ottenere una superficie liscia piatto. Fissare il tutto con le viti.
   5. Bagnare i campionatori DGT con diversi millilitri di elettroliti (ad esempio, 10 NANO _mm 3). Conservare bagnato in un sacchetto di plastica sigillato fino a diverse settimane a 4-5 ° C.
2. Dispiegamento di dgts in un corpo naturale di acqua
   1. Prendere il campionatore DGT fuori dal sacchetto di plastica. Fissare campionatori DGT nel supporto come mostrato nella Figura 4.
   2. Distribuire dgts nel corpo d'acqua o li sospensione su una corda forte o l'installazione su un supporto verticale stabile in modo da fornire un flusso costante di acqua tangenziale lungo la superficie della DGT. Distribuire dispositivi DGT nelle acque dolci per due o tre settimane per accumulare il Pu ad una concentrazione sufficiente per le misurazioni.
3. Trattamento di dgts recuperati
   1. Recuperare dgts dall'acqua. Svitare il montaggio, estrarre membrana del filtro e scartare. Estrarre lo strato di gel superiore (PAM gel diffusiva) ed eliminare.
   2. Trasferire il gel resina in un bicchiere di vetro contenente 20 ml 8 M _HNO 3 e campioni picco da analizzare con un tracciante resa. Utilizzare un picco di 1,00 ml di ²⁴² Pu tracciante di 0,25 MBq ml ^-1 (1,7 pg ml ^-1) attività specifica per le misure AMS. Dopo aver ben agiTated, lascia i campioni O / N per Pu eluizione.
4. Eluati Condizione DGT
   1. Filtrare le soluzioni dai campioni di gel resina; lavare i gel resina restanti con 5 ml 8 M _HNO 3 e combinare lavaggi con i campioni. Aggiungere 20 mg NaNO ₂ per ogni campione, riscaldare la soluzione a 70 ° C per 10 min. Questa fase permette di regolare lo stato di ossidazione + Pu a IV.
5. Estrazione in fase solida di Pu
   1. Bagnate un anione cartuccia quaternario resina a scambio basato ammina con 10 ml di 8 M _HNO 3. Far passare la soluzione di cui al punto 7.4.1 attraverso la cartuccia resina a scambio con portata di circa 1 ml min ^-1. Risciacquare il bicchiere campione con 5 ml di 8 M HNO _{3 tre} volte e trasferire i lavaggi a cartuccia resina a scambio.
6. Eluire Pu
   1. Lavare le cartucce con 10 ml di 9 M HCL. Eluire Pu con 15 ml di soluzione 9 M HCl / 0.1 M HI. Far evaporare eluato su un piatto caldo. Trattare con 2 ml concentrato HNO _3, evaporate a secco. Ripetere se necessario fino a quando il colore dello iodio marrone è completamente scomparso.
   2. Ripetere separazione radiochimica Pu uno a due volte di più se è richiesta maggiore purificazione - a seconda delle prestazioni del sistema di rilevamento Pu. Eseguire la seconda e la terza separazioni su micro-colonne in 1 ml puntale con 100 mg di resina a scambio condizionata con 1,5 ml 8 M _HNO 3.
   3. Determinare la concentrazione Pu nei campioni. Utilizzare le tecniche di spettrometria di massa per misurare ²³⁹ Pu a causa del bassissimo livello di plutonio nell'ambiente incontaminato.
      Nota: In questo lavoro, utilizzare la funzione AMS sintonizzati per l'analisi degli attinidi presso il Laboratorio di Fisica Ion fascio presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo.

8. Analisi dei Dati

1. Calcolare la concentrazione (C _DGT in μBq ml ^-1) di biodisponibile (labile) Pu spECIES in acqua massa dalla quantità di Pu accumulato dalla DGT durante il periodo di distribuzione. Usare l'equazione (2):
   (2)
   dove A è l'attività (μBq) di Pu accumulato nella fase legante, DeltaG strato di diffusione (gel + filtro a membrana) di spessore (cm), D il coefficiente di diffusione del Pu nel gel PAM (cm ² sec ^-1), S l'area di diffusione (cm ^2), e la durata t di schieramento (sec).
2. Confronta C _DGT di Pu determinato da dgts con concentrazione totale Pu nell'acqua massa, così come con altri dati di speciazione disponibili.

9. La separazione radiochimica per la determinazione del totale Pu in the Water Bulk

1. Campione d'acqua Condizioni
   1. Pompare acqua dal corpo studiato di acqua attraverso un filtro a membrana 45 micron in un plastic destinatario. Lavorare con campioni di 10 a 50 per le misure L AMS. Acidificare l'acqua a pH 2 con HNO ₃ immediatamente dopo il campionamento nel sito di campionamento prima del trasporto al laboratorio.
2. Precipitare Pu su idrossidi di ferro
   1. Nel laboratorio introdurre un agitatore nel ricevente. Spike il campione con Pu resa tracciante. Utilizzare un picco di 1,00 ml di ²⁴² Pu tracciante di 0,25 MBq ml ^-1 (1,7 pg ml ^-1) attività specifica per le misure AMS.
   2. Aggiungere _FeCl 3 · 6H _{2 O} prendere circa 0,25 g per 10 litri di esempio. Dopo aver agitato per 30 minuti, precipitare gli idrossidi di ferro con _NH 4 OH a pH 8.
3. Seconda precipitazione di Pu su idrossidi di ferro
   1. Decantare il surnatante dal campione di acqua dal punto 9.2.2. Recuperare il precipitato degli idrossidi di ferro in un bicchiere di vetro 2 L, risciacquare il recipiente con acqua deionizzata e combinare i lavaggi con il bollole.
   2. Sciogliere il precipitato in ~ 100 ml 5 M HCl, riscaldare a 90 ° C per decomporre carbonati. Filtrare se necessario quando la soluzione è raffreddata. Re-precipitare gli idrossidi di ferro con _NH 4 OH a pH 8.
4. Idrossidi di ferro Condizione per l'analisi
   1. Decantare il surnatante dal campione dal punto 9.3.2. Recuperare il precipitato di idrossido di ferro in un recipiente di centrifugazione. Centrifuga, scartare il surnatante. Lavare il precipitato con acqua deionizzata. Ripetere 2-3 volte.
   2. Sciogliere il precipitato in 10 ml di 8 M HNO _3, sottopone alla separazione radiochimica di Pu come descritto in precedenza in sezioni 7.4-7.6.

10. preparare i campioni per misure AMS

1. Precipitare Pu su idrossidi di ferro
   1. Dopo separazione radiochimica, sciogliere il campione finale di 0,5 ml 1 M HCl, trasferire il campione con una pipetta di plastica in una fiala di vetro da 2,5 ml. Risciacquare il twic coppa campionie con 0,5 ml di 1 M HCl, trasferire lavaggi allo stesso flacone.
   2. Aggiungere 0,5 ml di 2 mg ml ^-1 soluzione madre Fe ³⁺ per fornire 1 mg di ferro. Precipitare idrossidi di ferro aggiungendo qualche goccia di concentrato _NH 4 OH. Centrifuga e decantare il surnatante.
   3. Lavare il precipitato con acqua deionizzata, centrifugare e decantare il surnatante. Essiccare il precipitato sulla piastra calda a 90 ° C.
2. Preparare bersaglio per misure AMS
   1. Cuocere gli idrossidi precipitano dal punto 10.1.3 in un forno per 2-3 ore a 650 ° C. Mescolare bene con 3-4 mg di polveri di metalli niobio e stampa in un supporto di destinazione per le misure di Ti AMS.
      Nota: Abbiamo misurato i campioni con la compatta (0,6 MV) sistema AMS "TANDY" presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia (ETH Zurich) sintonizzati per misure di attinidi ^15,16.

Risultati

Esperimenti di diffusione

Tracciare le attività di ²³⁹ Pu diffusi nel vano B della cella di diffusione in funzione del tempo fornisce una rappresentazione visiva del flusso delle ²³⁹ specie Pu diffondenti tramite gel PAM. Coefficienti di diffusione calcolata da queste trame secondo l'equazione 1 fornire un ulteriore strumento per confrontare mobilità delle diverse ²³⁹ Pu specie redox in diversi ambienti chimici (Figura 2). La Figura 5 illustra gli esperimenti diffusione con Pu (IV) e Pu (IV) -pu (V) specie miste, rispettivamente, nei MOPS buffer e in presenza di 20 ppm di HA. Un confronto di queste trame indica che Pu (V) è notevolmente più mobile di Pu (IV) .Questo è particolarmente valido per Pu (IV) e Pu (V) quando HA (MW 5-40 kDa nei nostri esperimenti, caratterizzato in SI dal Cusnir et al.) ¹⁰ è aggiunto come complessanti molecole. Pu (V) solut fonteion preparato secondo il protocollo descritto in questo documento contiene predomina la Pu (V) specie. Estrazione in fase liquida con HDEHP alla fine dell'esperimento diffusione nei soluzione tampone MOPS trovato 80% ± 10% di Pu (V). La resa chimica di questo estrazione è 80%. La soluzione con Pu (V) in presenza di 20 ppm di HA è stata equilibrata in 24 ore e Pu (V) frazione in questo modello soluzione era del 35% ± 10%.

Studi sulla Pu biodisponibilità in acque dolci naturali

Diversi dispositivi DGT costruiti nel nostro laboratorio sono stati esposti con successo per periodi di due o tre settimane in una sorgente carsica del Giura svizzero. Questa è una molla minerale con il pH dell'acqua nell'intervallo 6.5-7.5, conducibilità superiore a 400 microsiemens cm ^-1 e satura di ossigeno. Questi esperimenti hanno dimostrato una buona applicabilità e la robustezza delle assemblee gel senza alcuna traccia di incrostazioni, forse anche a causa di tegli bassa temperatura della molla (7 ° C). Dgts recuperati dopo gli schieramenti erano ben conservate, con strati di gel intatti, conservando la forma iniziale e l'aspetto visivo. Pu accumulato dai dgts è stato analizzato da AMS. AMS offre notevoli vantaggi rispetto ad altre tecniche analitiche: si tratta di alta sensibilità (fino a livelli sub-FG), e richiede quantità molto inferiore a campione iniziale di alfa-spettrometria o tecniche ICP-MS. Inoltre, interferenze isobariche molecolari, come l'idruro di uranio ⁽²³⁸ UH), o altre molecole sono efficacemente soppresse durante la misurazione AMS e non interferiscono con la rilevazione ²³⁹ Pu. Per alcune ragioni tecniche (molto probabilmente una contaminazione con ²³⁹ Pu durante le separazioni chimiche), non siamo stati in grado di utilizzare i dati per ²³⁹ dell'unità di elaborazione per le prime applicazioni del dgts nel campo. Tuttavia, i ^{240 risultati} Pu erano imparziale. Così, abbiamo calcolato il ²³⁹ contenuti Pu dalla misura ^{240 Pu, prendendo 0,18 come 240 Pu / 239 Pu rapporto atomico per fallout plutonio. I risultati sono riassunti nella Tabella 1.}

²³⁹ concentrazioni Pu misurate in campioni di acqua di massa sono simili alle concentrazioni precedentemente segnalato per questo acquifero (1-7 μBq L ^{-1) 11.} Inoltre, ²³⁹ concentrazioni Pu calcolate dalle misure DGT sono simili all'interno delle incertezze della misura. Poiché dgts accumulano unica specie Pu libere e labili, si può stimare la frazione di biodisponibile Pu in questa acqua. I dati riportati nella tabella 1 indicano che tutti i ²³⁹ specie Pu presenti nell'acqua massa si trovano in una forma biodisponibile. Questo è un risultato interessante alla luce delle precedenti scoperte ^11, che hanno rivelato l'accumulo predominante di ^{239 + 240} Pu nella frazione intracellulare dei muschi acquatici che crescono in primavera rispetto ^{241 Am e 90 Sr. Gli autori suggeriscono che il 11 maggiore mobilità di Pu in questa falda naturale era dovuto alla formazione di un complesso solubile carbonato Pu, possibilmente come Pu (V) forma plutonyl, simile al naturale complesso uranile-carbonato. Acqua della sorgente Venoge è acqua dura, ad alta concentrazione di carbonato e bassissimo contenuto di NOM (circa 1 ppm).}

Figura cella 1. Diffusione usato per gli esperimenti su Pu diffusione attraverso il gel PAM. La scanalatura spessore 0,5 cm, la profondità della scanalatura 0,39 millimetri. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Snapshot del foglio di lavoro Excel utilizzato per i calcoli del coefficiente di diffusione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3. dispositivo di grande superficie DGT per misure speciazione Pu ambientali Alcune parti del dispositivo DGT -. La piastra inferiore e il telaio di copertura -. Raffigurato sulla sinistra, il montaggio con fori dell'equipaggio a destra Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura dispositivi campionatori 4. DGT fissati nel supporto (a sinistra) esposti nella Venoge spring (a destra) per Pu misure di biodisponibilità. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5. Trama del ²³⁹ Pu diffuso nel vano B della cella di diffusione in ambienti chimici differenti. Punti dati sperimentali sono indicati per ²³⁹ Pu (IV) ^e 239 Pu (V), rispettivamente in tampone MOPS nonché per ²³⁹ Pu (IV) - ²³⁹ Pu (V) specie miste (35% ± 10% di Pu (V)) in presenza di HA. La linea indicata per ²³⁹ Pu (IV) -HA è stato calcolato utilizzando un coefficiente di diffusione di 0,50 × 10 ^{-6 cm} 2 sec ^-1 stabilito in precedenza ^10. Coefficienti di diffusione calcolata dall'equazione 1 sono: Pu (IV) in tampone MOPS - 2.29 × 10 ^{-6 cm} 2 sec ^-1, Pu (V) in tampone MOPS - 3,50 × 10 ^{-6 cm} 2 sec ^-1, Pu (IV) - Pu (V) con HA - 0.92 × 10 ^-6 cm ^{2 sec -1.} Dall'alto in basso: Pu (V) in tampone MOPS (rosso aperto cerchio), Pu (IV) nel buffer MOPS (triangoli aperti blu), Pu (IV) - Pu (V) in presenza di 20 ppm di HA (verde piazze), Pu (IV) in presenza di 20 ppm di HA (diamanti brown aperti). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tipo di campione	Numero di misurazioni	239 concentrazione Pu, μBq L -1
Acqua Bulk	2	1.9 ± 0.55
DGT 0,39 millimetri	2	1.74 ± 0.9
DGT 0,78 millimetri	1	1.79 ± 0.9

Tabella 1. Risultati rappresentativi per ²³⁹ misurazioni Pu di AMS nell'acqua massa e campionatori DGT. ²³⁹ Pu nell'acqua bulk stato coprecipitato da 20 L di acqua con idrossidi di ferro, estratto sulla resina a scambio specifico attinidi e misurata con AMS . ²³⁹ concentrazioni Pu per misure DGT calcolati con l'equazione 2 e coefficiente di diffusione per Pu (IV). Incertezze per k = 2; u (95).

Discussione

La metodologia DGT descritto qui per esperimenti con Pu utilizzando una cella di diffusione fornisce un approccio affidabile per vari studi sulla Pu specie redox e le loro interazioni con molecole organiche, particelle colloidali e sistemi ambientali simulate. Ulteriori applicazioni di dgts per misure ambientali di Pu contribuiranno alla nostra comprensione della biodisponibilità e il destino di questo radionuclide negli ecosistemi acquatici.

Esperimenti di diffusione di laboratorio

Per eseguire un esperimento di diffusione di successo con conclusioni significative sulla mobilità Pu e interazioni riguardanti un ambiente chimico specifico, ben definite e controllabili condizioni devono essere forniti. La regolazione di Pu ossidazione membri prima dell'esperimento è essenziale per semplificare l'interpretazione dei dati, nonché per simulare vari comportamenti biogeochimici Pu specie redox. La sensibilità di specie PUvariazioni del pH rende bufferare le soluzioni d'obbligo. Particolare attenzione deve essere posta sulla funzionalità cella di diffusione e la configurazione: l'impiego di materiale polimerico non assorbitore Teflon evita adsorbimento sulle pareti cellulari e consente un montaggio a tenuta robusto, evitando la perdita di Pu da emanazione di soluzioni durante l'esperimento.

La concentrazione iniziale Pu da introdurre nello scomparto A, così come l'intervallo di campionamento e il volume di ciascun campione prelevato durante l'esperimento diffusione dipendono dal metodo analitico disponibili in laboratorio. Qualsiasi metodo analitico disponibile può essere utilizzata per la determinazione della concentrazione Pu nei campioni dalla cella di diffusione, ma questa scelta è strettamente legata all'attività iniziale di Pu presa per l'esperimento. 10 Bq di ²³⁹ Pu come raccomandato in questo protocollo (che dà 100-140 MBq ml ^-1 o ~ 2 × 10 ^-13 ml mol ^-1) sono sufficienti a fornire una sensibilità sufficiente per measuremEnt di alfa-spettrometria e generalmente non pongono particolari problemi di regolamenti di radioprotezione. La concentrazione iniziale di Pu può essere ridotto se altre tecniche analitiche, più sensibili sono disponibili per la determinazione Pu (ad esempio, spettrometria di massa). Intervallo di campionamento può essere selezionato per ciascun esperimento diffusione, a seconda Pu concentrazione iniziale, e il tasso atteso di diffusione attraverso il gel PAM. Nonostante il fatto che le aliquote da esperimenti di diffusione non contengono radionuclidi diversi Pu, la presenza di sali minerali e del tampone MOPS può interferire con procedura analitica, riducendo l'efficienza e la precisione di analisi quantitativa. Pertanto è preferibile effettuare una separazione chimica di Pu su questi campioni.

La cella di diffusione fornisce l'approccio migliore per studiare diffusione nel gel PAM poiché il gel è esposto direttamente a una soluzione ben agitata. Pertanto, gli effetti della bo diffusivastrato undary (DBL) alla superficie del gel sono considerati trascurabili. Buona agitazione delle soluzioni durante un esperimento di diffusione è essenziale, consentendo la minimizzazione degli effetti DBL. Nello stesso tempo, si deve procedere con attenzione al fine di non interrompere il gel PAM.

Studi di Pu biodisponibilità in acque dolci naturali

I risultati prodotti da questo spettacolo protocollo che misura il plutonio con i dispositivi DGT fornisce un efficace strumento per studiare la biodisponibilità di plutonio in acqua dolce. Misure DGT resa concentrazione temporale medio di specie libere e labili, le due forme più importanti per l'assorbimento biologico di organismi viventi. Inoltre, la cinetica dell'interazione di Pu con la materia organica possono essere studiati usando gel di diverso spessore. Il tempo necessario per le specie Pu-NOM diffondere attraverso il gel consentirà di complessi più labili a dissociarsi. Misurazioni DGT possono essere integrati btecniche di ultrafiltrazione y, che producono la percentuale di Pu specie colloidali superano una certa dimensione (ad esempio, 8 kDa). Pu specie colloidali sono generalmente considerati come specie non-biodisponibile e fanno parte della frazione Pu non misurabile con DGT.

A questo punto, i dispositivi DGT sono stati dispiegati solo in acqua dolce di una sorgente carsica del Giura svizzero. Basse concentrazioni ambientali di Pu richiedono una distribuzione a lungo termine di dispositivi DGT, che possono incontrare potenziali svantaggi. Biofouling della superficie DGT rappresenta un inconveniente significativo, aumentando lo spessore DBL e limitando così il flusso di Pu attraverso il gel PAM. Rilegatura fase dei dgts esposti nelle acque o nelle acque di elevata mineralizzazione marini può essere rapidamente saturato con altri metalli in tracce, travisando i dati per l'accumulo di Pu. Determinazione dei livelli di tracce di Pu ambientale richiede una separazione radiochimica approfondita e metodi analitici molto sensibili. Misurazione AMSs applicate in questo protocollo non sono ampiamente disponibili, ma possono essere sostituite da altre tecniche di spettrometria di massa. Tuttavia, una separazione radiochimica rigorosa è necessaria per eliminare l'interferenza isobarica ²³⁸ UH dalla naturale uranio.

Equazione 2 mostra che la dimensione del dispositivo DGT è un parametro essenziale che può essere regolato per aumentare la quantità di Pu accumulata durante un dato tempo di distribuzione. Strisce gel commerciali sono disponibili solo con una superficie massima di 6 cm x 22 cm. Pertanto, la finestra del campionatore DGT è stata aumentata a 105 cm ² (5 cm × 21 cm), rendendo possibile accumulare abbastanza di specie Pu per tempi relativamente brevi di implementazione. Il montaggio di un tale campionatore DGT richiede precisione e particolare considerazione delle proprietà del foglio gel PAM durante la manipolazione. È di fondamentale importanza per assemblare strati di gel in un uniforme liscia faccia "sandwich" al fine di fornire un omogeflusso nea di specie Pu dall'acqua massa attraverso il gel diffusiva. Buona flusso dell'acqua in superficie DGT è anche un parametro importante, tuttavia dipende prevalentemente dalle condizioni di flusso della falda. Si raccomanda di posizionare dispositivi DGT per misure Pu a circa 45 ° verso la direzione del flusso d'acqua per fornire un rifornimento idrico costante e minimizzare gli effetti della DBL.

Coefficiente di diffusione impiegato nell'equazione 2 deve essere corretta se la temperatura nel corpo studiato dell'acqua è diversa dalla temperatura alla quale il coefficiente di diffusione è stata determinata. Effetti della temperatura sui coefficienti di diffusione sono dati dalla Stokes-Einstein (equazione 3):
(3)
dove D ₁ e D ₂ sono coefficienti di diffusione (cm ² sec ^-1), η ₁ e ₂ sono η viscosità (mPa sec) di water a temperature T ₁ e T ₂ (K), rispettivamente.

Attualmente, non esiste un metodo per indagare Pu speciazione in ambiente incontaminato, tranne per i calcoli termodinamici basati, ad esempio, pH e parametri redox. Sono disponibili solo per macro-componenti, come carbonati, ferro o cationi manganese Questi parametri. Così, Pu speciazione deriva da queste specie misurabili ma non rappresenta una misura "reale". Qui pensiamo che la diffusione in tecnica sottile pellicola gel PAM come presentato in questo documento è un passo importante per la risoluzione del problema speciazione Pu perché permette la misurazione in situ gratuito e di specie labili e, possibilmente, evidenziando specie plutonyl. Anche se solo pochi misurazioni DGT della Pu ambientale in acque dolci sono state intraprese finora, i risultati ottenuti sono incoraggianti per ulteriori applicazioni della tecnica DGT per Pu speciazione e biodisponibilità studi.Distribuzione di dgts in acque ricche organici potenzialmente fornire informazioni importanti sulla mobilità Pu e le interazioni in presenza di molecole NOM. Risultati interessanti dovrebbe essere previsto da misure DGT in ambienti marini contaminati, come i mari costieri intorno l'impianto di ritrattamento nucleare di Sellafield e la centrale nucleare di Fukushima Daiichi danneggiato.

Materiali

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