Development of a multi-species method by GC-coupling with inductively coupled plasma isotope dilution mass spectrometry for the simultaneous determination of alkylated lead, mercury and tin compounds

An accurate and sensitive species-specific GC-ICP-IDMS (gas chromatography inductively coupled plasma isotope dilution mass spectrometry) method for the determination of trimethyllead and a multi-species-specific GC-ICP-IDMS method for the simultaneous determination of trimethyllead, methylmercury, and butyltins in biological and environmental samples were developed. They allow the determination of corresponding elemental species down to the low ng g-1 range. The developed synthesis scheme for the formation of isotopically labeled Me3206Pb+ can be used for future production of this spike. The novel extraction technique, stir bar sorptive extraction (SBSE), was applied for the first time in connection with species-specific isotope dilution GC-ICP-MS for the determination of trimethyllead, methylmercury and butyltins. The results were compared with liquid-liquid extraction. The developed methods were validated by the analysis of certified reference materials. The liquid-liquid extraction GC-ICP-IDMS method was applied to seafood samples purchased from a supermarket. The methylated lead fraction in these samples, correlated to total lead, varied in a broad range of 0.01-7.6 %. On the contrary, the fraction of methylmercury is much higher, normally in the range of 80-98 %. The highest methylmercury content of up to 12 µg g-1 has been determined in shark samples, an animal which is at the end of the marine food chain, whereas in other seafood samples a MeHg+ content of less than 0.2 µg g-1 was found. Butyltin species could only be determined in samples, where anthropogenic contaminations must be assumed. This explains the observed broad variation of the butylated tin fraction in the range of <0.3-49 % in different seafood samples. Because all isotope-labelled spike compounds, except trimethyllead, are commercially available, the developed multi-species-specific GC-ICP-IDMS method has a high potential in future for routine analysis.

Untersuchungen zur biotischen Bildung von Methylquecksilber aus anorganischem Quecksilber durch intestinale Sulfat-reduzierende Bakterien und die Bestimmung alkylierter Quecksilberverbindungen mittels GC-ICP-MS und Isotopenverdünnungsanalyse

Alkylierte Quecksilberspezies sind hundertfach toxischer als anorganisches Quecksilber (Hg) und werden in der Nahrungskette mit zunehmender Trophieebene im Gewebe von Tieren und dem Menschen akkumuliert. Aufgrund der Relevanz für die Umwelt und den Effekt auf die menschliche Gesundheit kommt der biotischen Transformation von anorganischem Hg zu Monomethylquecksilber (MeHg) eine große Bedeutung zu. Es ist bekannt, dass Sulfat-reduzierende Bakterien zu den Hauptproduzenten von MeHg gehören. Darüber hinaus gibt es jedoch nur wenige Untersuchungen über die biologischen Mechanismen und die Zusammenhänge in terrestrischen und insbesondere in intestinalen Systemen. Die vorliegende Arbeit leistet daher einen wichtigen Beitrag zur Abschätzung des Potentials zur Hg-Methylierung durch intestinale Bakterien und vertieft die Kenntnisse zu der damit verbundenen Akkumulation der organischen Schwermetallverbindung im Gewebe des Kompostwurms Eisenia foetida (E. foetida). rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals unter Anwendung der Gas Chromatographie mit induktiv gekoppelter Massenspektrometrie (GC-ICP-MS) und Isotopenverdünnungsanalyse verschiedene Kulturen intestinaler Sulfat-reduzierender Bakterien auf die Bildung von organischem Monomethylquecksilber aus Hg(II) untersucht. Da in komplexen bakteriellen Nährlösungen mit hohem Sulfidgehalt Matrixeffekte auftreten und die Analyse von MeHg im Ultraspurenbereich erschweren können, erfolgte die Probenvorbereitung mittels der Methanol-Kaliumhydroxid-Extraktion unter Verwendung eines Maskierungsreagenzes und der Derivatisierung mit Natriumtetrapropylborat. Das Detektionslimit für MeHg in bakteriellen Nährlösungen betrug 0,03 ng/mL. Die Wiederfindung von zertifiziertem Referenzmaterial ERM® CE-464 Tuna Fish war sehr gut und lag in einem Bereich zwischen 98 – 105%. rnDie Resultate der Untersuchung von 14 verschiedenen Rein- und Anreicherungskulturen Sulfat-reduzierender Bakterien zeigten, dass neun Kulturen innerhalb von 12 h nach einer Inkubation mit 0,1 mg/L Hg2+ im Durchschnitt 100 bis 1200 pg/mL MeHg produzierten. Darunter waren zwei Desulfovibrio sp. Stämme, die Spezies Desulfovibrio piger, Desulfovibrio giganteus, Desulfovibrio termitidis, Desulfotomaculum ruminis, Desulfobulbus propionicus sowie Anreicherungskulturen aus dem Intestinaltrakt einer Zygoptera-Larve Zy1 und E. foetida EF4. Die Fähigkeit zur Hg-Methylierung durch eine Spezies der Ordnung Desulfotomaculum aus der Gruppe der Gram-positiven Firmicutes wurde hiermit erstmals beobachtet.rnWeiterhin wurde gezeigt, dass im Intestinaltrakt von E. foetida im Gegensatz zu mikrobiellen Bodenproben eine signifikante biotische Methylierung von Hg(II) durchgeführt wird. Dass diese Transformationen in hohem Maße von der intestinalen Region ausgeht und somit zur Akkumulation von MeHg im Gewebe beiträgt, konnte durch weiterführende Experimente mittels Laserablations-ICP-MS an histologischen Gefrierschnitten des Invertebraten darge-stellt werden. rn

Entwicklung einer Methode mittels hochauflösender ICP-MS zur Bestimmung von Siliciumspuren in anorganischen und organischen Matrices sowie von Siloxanen in Geweben

Deutsch:Schwerpunkt dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Spurenbestimmung von Silicium in organischen und anorganischen Matrices unter Verwendung der massenspektrometrischen Isotopenverdünnungsanalyse (MSIVA) an einem hochauflösenden induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer (HR-ICP-MS). Zusätzlich zur Elementspurenbestimmung wurde eine GC/HR-ICP-MS Kopplung entwickelt, die zur Analyse linearer und cyclischer Siloxane verwendet wurde.Die hier entwickelte Analysenmethode erlaubt Nachweisgrenzen für Silicium sowohl in organischen als auch in anorganischen Matrices im oberen ng/g-Bereich und ergab für die im Rahmen dieser Arbeit analysierten Proben Reproduzierbarkeiten von < 20%. Durch einfache Verdünnung nach der Probenvorbereitung in Verbindung mit dem sehr empfindlichen Detektionsverfahren sowie der internen Standardisierung mittels MSIVA erlaubt das Verfahren eine präzise Bestimmung von Silicium in jeglicher Matrix. Neben der Schnelligkeit und Einfachheit eignet sich die hier entwickelte Methode besonders für die Routineanalytik. Die gute Reproduzierbarkeit und der Vergleich mit Ergebnissen von zwei Interlaborstudien unterstreicht zusätzlich die Fähigkeit präzise und richtige Ergebnisse zur Zertifizierung an Standardreferenzmaterialien bezüglich des Siliciums im Spurenbereich zu liefern.Neben dem Gesamtgehalt von Silicium konnten medizinisch relevante Siliciumverbindungen analysiert und quantifiziert werden. Hierbei wurden niedermolekulare Polydimethlysiloxane (PDMS) untersucht, die als Nebenprodukte vor allem in Brustimplantaten auftreten. Grundlage für die Bestimmung dieser Siliciumspezies ist die Kopplung eines hochauflösenden ICP-MS an einen Gaschromatographen. Der hohe Ionisierungsgrad des ICP, gerade unter trockenen Plasmabedingungen, und der elementspezifische und sehr empfindliche massenspektrometrische Detektor erlauben in Verbindung mit dem GC die Bestimmung von Siloxanen bis in den pg/g-Bereich. Aus der Bestimmung des Gesamtgehalts an Silicium und der Bestimmung des Gehalts an den untersuchten Siliciumverbindungen können Vergleiche gemacht werden. Die Analyse beider Parameter ist mit Hilfe in dieser Arbeit entwickelten Methode möglich.Zusätzlich zur Siliciumbestimmung wurde der Gehalt an Platin in Humanproben analysiert, da bei der Herstellung der Füllung von Siliconimplantaten Platinkatalysatoren verwendet werden.

Konzeptionelle Entwicklung von Mikrokosmos-Experimenten zur Untersuchung der speziesspezifischen Transformationsprozesse des Quecksilbers mittels Isotopenverhältnisbestimmungen

Zur Untersuchung der speziesspezifischen Transformationsprozesse des Quecksilbers in der Umwelt wurden erstmalig Mikrokosmosexperimente unter Verwendung von isotopenangereicherten Verbindungen durchgeführt. Es wurden naturrelevante Bedingungen simuliert, um eine spätere Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den biogeochemischen Kreislauf des Quecksilbers zu gewährleisten. Die aufgebauten Mikrokosmen bestanden aus Boden/Pflanzen/Luft-Kompartimenten. Der Boden der Mikrokosmen wurde mit isotopenangereicherten Quecksilberspezies dotiert. Durch die Verwendung von isotopenangereicherten Verbindungen, verbunden mit gleichzeitiger ICP/MS-Detektion, konnten auftretende Transformationsprozesse beobachtet werden. Die Messung der Quecksilberspezies erfolgte mittels GC-ICP/MS nach vorheriger Derivatisierung mit Natriumtetraethylborat und Anreicherung per 'purge and trap'.Die Massenspuren der einzelnen Quecksilberisotope wurden für alle Quecksilberspezies gemessen und daraus dann für jede Spezies die Isotopenverhältnisse gebildet. Bei einer Änderung des Isotopenverhältnisses kann von einer Speziestransformation ausgegangen werden.Aus den Mikrokosmosexperimenten, denen Methylquecksilber als angereicherte Isotopenverbindung zugegeben wurde, konnte gefolgert werden, dass Methylquecksilber im Boden zunächst zu anorganischem Quecksilber demethyliert wurde. Im Anschluss daran erfolgte eine Reduktion zu elementarem Quecksilber. Dieses gebildete elementare Quecksilber verflüchtigte sich nahezu vollständig (ca. 90-100%) vom Boden in die Atmosphäre.Bei der Zugabe von anorganischem Quecksilber als angereicherte Isotopenverbindung in den Boden wurde vorwiegend eine Reduktion zu elementarem Quecksilber beobachtet, das dann in die Atmosphäre emittiert. Es konnte aber auch eine geringe Methylierung (ca. 5%) zu Methylquecksilber beobachtet werden. Daraus kann gefolgert werden, dass die methylierten Quecksilberverbindungen eine wesentliche Rolle im natürlichen Kreislauf des Quecksilbers spielen.Parallel zu den Mikrokosmosexperimenten wurden Feldversuche in einem flussnahen Feuchtgebiet, aus dem auch der Boden für die Mikrokosmosexperimente entnommen worden war, durchgeführt. In den Feldversuchen wurden Quecksilberkonzentrationen und der Quecksilberfluss zwischen dem Boden und der Atmosphäre mit Hilfe von Flusskammerexperimenten bestimmt. Es konnten mit Hilfe von Mikrokosmen, die natürliche Verhältnisse simulieren sollten, und mit Hilfe verschieden angereicherter Isotopenspikes erstmals Speziestransformationen des Quecksilbers direkt beobachtet werden. Die GC-ICP/MS-Methode ermöglichte eine eindeutige Identifikation von Edukt und Produkt der jeweiligen Umwandlung. Allerdings wurde die Untersuchung eingeschränkt durch die irreversiblen biologischen Veränderungen in den eingesetzten Mikrokosmen nach über einer Woche und durch die Notwendigkeit, vergleichsweise hohe Konzentrationen der Spikes einzusetzen, um eine statistisch signifikante Auswertung der Veränderung der Isotopenverhältnisse zu erreichen. Somit sind Mikrokosmosexperimente nur eingeschränkt für Untersuchungen des Quecksilberverhaltens geeignet.Im Rahmen dieser Arbeit ist es aber gelungen, die Mikrokosmenexperimente unter Verwendung von isotopenangereicherten Verbindungen und der GC-ICP/MS-Methode als leistungsstarkes Verfahren zur Beobachtung von Speziestransformationsprozessen des Quecksilbers zu etablieren.

Massenspektrometrische Isotopenverdünnungsanalyse (MSIVA) als Validierungsmethode für Bestimmungen von Methylquecksilber mittels GC/ICP-MS

Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, ein GC/ICP-MSIVA-Verfahren zur zuverlässigen und richtigen Bestimmung von Methylquecksilbergehalten (MeHg+) in aquatischen Systemen zu entwickeln. Unter Verwendung eines hergestellten Me201Hg+-Indikators konnte bei der Überprüfung der weltweit gängigen Probenaufbereitung mittels NaBEt4 zur Überführung von MeHg+ in MeEtHg gezeigt werden, daß während dieser Probenaufbereitung in Gegenwart von Halogeniden eine MeHg+-Speziesumwandlung zu Hg0 stattfinden kann. Es konnte mit Hilfe von Modellösungen erstmalig eindeutig nachgewiesen werden, daß die MeHg+-Speziesumwandlungen ihre Ursache nur im Zusammenwirken von vorliegenden Halogeniden mit dem verwendeten Derivatisierungsreagenz NaBEt4 haben. Ebenso wie in Modellösungen wurden auch MeHg+-Speziesumwandlungen in Realproben bei der Derivatisierung mit NaBEt4 überprüft. Die Proben, die bei der Derivatisierung mit NaBEt4 eine MeHg+-Umwandlung zeigten, wurden auch mit dem weltweit bisher wenig eingesetzten Reagenz NaBPr4 derivatisiert. Hier konnte bei keiner der Untersuchungen eine MeHg+-Umwandlung festgestellt werden. Des weiteren wurden MeHg+-Gehalte in Süßwasserproben unter Verwendung von NaBEt4 und NaBPr4 bestimmt. Die Ergebnisse hinsichtlich beider Derivatisierungsreagenzien stimmten sehr gut überein. Diese Resultate zeigten eindrucksvoll, daß Substanzverluste durch die Speziesumwandlung bei MeHg+-Bestimmungen mit MSIVA keine Rolle spielen, da die Umwandlung erst nach der Isotopenvermischung einsetzte. Mit dem entwickelten GC/ICP-MSIVA-Verfahrens wurde der MeHg+-Gehalt im Referenzmaterial CRM 463 analysiert, der sehr gut mit dem zertifizierten Wert übereinstimmte.

Elementspezifische Wechselwirkungen von aquatischen Huminstoffen

Zusammenfassung Es wurden im Rahmen dieser Arbeit elementspezifische Wechselwirkungen von Humin-stoffen (HS) untersucht. Grundlage war hierbei die Kopplung eines ICP-MS mit einer HPLC unter Verwendung der Size Exclusion Chromatography (SEC). Durch die Kopplung des empfindlichen und elementspezifischen Massenspektrometers als Detektor mit einer HPLC als chromatographisches Trennverfahren von HS-Spezies konnten Gehalte im natürlichen Konzentrationsbereich und Wechselwirkungen einzelner HS-Fraktionen be-stimmt werden.Zur Gehaltsbestimmung in Echtzeit wurde die online MSIVA (massenspektrometrische Isotopenverdünnungsanalyse) für C angewendet und für die simultane Bestimmung von S und Hg modifiziert. Hierzu wurde ein auf 34S bzw. 201Hg angereicherter Spike verwendet. Mit Hilfe der entwickelten online MSIVA für die simultane Detektion von C, S und Hg konnten Gehalte in chromatographischen Fraktionen mit einer Nachweisgrenze von 3 ng C/s, 0.1 ng S/s und 2 pg Hg/s bestimmt werden.Um die Nachweisstärke und Richtigkeit der Methode zu überprüfen, wurden die C- und S-Gesamtgehalte von HS-Proben bestimmt und mit den elementar-analytischen Daten anderer Arbeitgruppen verglichen. Weiterhin wurde an einer internationalen Laborstudie (IMEP-9) als zertifizierendes Labor teilgenommen. Die in dieser Arbeit erhaltenen Werte für Cr, Pb und U wurden zur Ermittlung der zertifizierten Werte herangezogen und zeigten eine große Übereinstimmung mit den Werten anderer Arbeitgruppen.Nach der Analyse von Gesamtgehalten wurden auch die C- und S-Gehalte in einzelnen Fraktionen von HS nach SEC ermittelt. Hierdurch konnte im Vergleich zur bisher ange-wendeten Elementaranalyse der Gesamtprobe eine Verbesserung bei der Bestimmung des S-Anteils in HS erreicht werden. So ergeben sich Fehler bei der Bestimmung des C/S-Verhältnisses durch anorganisches Sulfat (S-Überbestimmung) sowie durch nieder-molekulare Anteile, die nicht zu den HS gerechnet werden (C-Überbestimmung).Durch die simultane Detektion von Hg konnten die Wechselwirkungen mit HS aufgezeigt werden. Als Bindungsstellen wurden in erster Linie schwefelhaltige Fraktionen identifiziert, wobei S in reduzierter Form (-2) eine weitaus höhere Affinität zu Hg hat. Jedoch konnte auch die Bindung an schwefelfreie Fraktionen nachgewiesen werden. Dies ist für die Untersuchung der Mobilität und Bioverfügbarkeit von Hg in der Umwelt eine wichtige Erkenntnis.Die entwickelte online MSIVA für Schwefel wurde in Zusammenarbeit mit A. Prange und D. Schaumlöffel auf die CE/ICP-MS-Kopplung übertragen. Hierbei musste ein neues Konzept für die Zuführung des isotopenangereicherten Spikes und der Kalibration des Systems entwickelt werden. Mit Hilfe der online MSIVA konnten erstmalig mit CE fraktionierte Metallothioneine aus Leber-Cytosol quantifiziert werden, indem über den S-Gehalt und den Cysteinanteil der Proteingehalt ermittelt wurde.Weiterhin wurde durch Isotopenaustauschversuche erstmalig die kinetische Stabilität von Cr(III)- und Co(III)-Komplexen in mit SEC getrennten Fraktionen nachgewiesen. Analoge Cu(II)- und Co(II)-Komplexe sind hingegen kinetisch labil. Dies ist mit Hilfe der Ligandenfeldstabilisierungsenergie des Übergangszustandes zu er-klären. Bei d3- und d6-Spinsystemen, wie den Cr(III)- und Co(III)-Komplexen, liegt diese Energie deutlich höher als die der d7- und d9-Spinsysteme, wie Cu(II)- und Co(II)-Komplexe. Die höhere Energie-barriere des Übergangzustandes verlangsamt daher die Austausch-geschwin-digkeit, wodurch kinetisch stabile Komplexe entstehen.

Entwicklung massenspektrometrischer Isotopenverdünnungstechniken für die zuverlässige Bestimmung von Elementspuren und Schwefelspezies in Erdölprodukten

Einer der Hauptschwerpunkte der Arbeit lag in der Entwicklung einer spezies-spezifischen und einer spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA von Schwefelspezies in Petroprodukten. Es wurden hierzu Indikatoren, ausgehend von elementarem 34S-angereichertem Schwefel, im Mikromaßstab synthetisiert. Für die spezies-spezifische GC-ICP-Q-MSIVA wurde die erstmalige Synthese von 34S-markiertem Thiophen, Dibenzothiophen und 4-Methyldibenzothiophen verwirklicht. Als Indikatorsynthese für die spezies-unspezifische GC-ICP-Q-MSIVA erfolgte die erstmalige Darstellung von 34S-angereichertem Dimethyldisulid. Mit Hilfe der synthetisierten Verbindungen wurden spezies-spezifische und spezies-unspezifische massenspektrometrische Isotopenverdünnungsanalysen von Schwefelspezies in Petroprodukten durchgeführt. Vor allen GC-ICP-Q-MSIVA-Analysen erfolgte eine umfangreiche Speziesidentifizierung durch Aufstockexperimente mit kommerziell erhältlichen Standards und mit einem mit der GC gekoppelten Elektronenstoß (EI)-MS. Beide ICP-Q-MS Methoden zeichnen sich durch sehr niedrige Nachweisgrenzen (7 ng S/g) aus, welche auch eine Anwendbarkeit auf tiefentschwefelte Kraftstoffe garantieren. Mit der spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA ist neben einer Speziesanalyse auch eine Gesamtschwefelanalyse durch Aufsummierung aller in der Probe vorhandenen Spezies möglich. Es wurde im Rahmen dieser Arbeit auch der Einfluss möglicher Empfindlichkeitsänderungen des ICP-Q-MS durch koeluierende Kohlenwasserstoffe überprüft, wobei diese erwartungsgemäß auf das Ergebnis der spezies-spezifischen und spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA keinerlei Einfluss haben. Der zweite Hauptschwerpunkt der Arbeit lag auf der Ausarbeitung routinefähiger, schneller und zuverlässiger Methoden zur Gesamtelementspurenanalytik von Schwefel und Schwermetallen in Erdölen und Petroprodukten. Für die Gesamtschwefelanalyse wurde eine MSIVA nach thermaler Verdampfung mit 34S-markierten Dibenzothiophen als Indikator entwickelt. Die neu entwickelte Methode erlaubt eine sehr schnelle Bestimmung des Gesamtschwefelgehalts, wobei die eigentliche Messung des Isotopenverhältnisses innerhalb von Sekunden nach der Injektion der Probe erfolgt. Weiterhin zeichnet sich die Methode durch Robustheit und eine niedrige Nachweisgrenze (40 ng S/g) aus. Für die Analyse von Schwermetallen wurden erstmals Möglichkeiten einer direkten MSIVA von Erdölproben ohne zeitraubenden, kontaminationsträchtigen Aufschluss bzw. die schwierige Erzeugung einer Mikroemulsion zwischen hydrophober Probe und wässrigem Indikator entwickelt. Um eine homogene Verteilung des Indikators in der hydrophoben Probe zu ermöglichen, musste ausgehend von den zur Verfügung stehenden wässrigen Indikatorlösungen, eine Überführung des Indikators in ein organisches Lösungsmittel erfolgen. Hierzu wurde der jeweilige Metallindikator unter Komplexierung aus wässrigen Metallindikatorlösungen extrahiert. Für die Analyse der mit diesen Indikatorlösungen in organischer Phase versetzten Proben wurden zwei alternative Methoden ausgearbeitet. Bei der mit der Laserablation (LA) kombinierten ICP-SF-MSIVA wird die isotopenverdünnte Probe aus einer eigens für diesen Zweck entwickelten Probenhalterung ablatiert und so dem ICP-SF-MS zugeführt wird. Bei zeitlich sich verändernden Intensitäten der gemessenen Isotope werden aber reproduzierbare und konstante Isotopenverhältnisse erhalten. Im Falle einer homogenen Verteilung der Metallspuren wurde eine hervorragende Übereinstimmung mit Vergleichsmethoden und einem Referenzmaterial festgestellt. Im Falle einer heterogenen partikulären Verteilung der Metallspuren, wie sie z.B. bei Eisenspuren in den Erdölen vorlag, ist die Anwendbarkeit der LA-ICP-SF-MSIVA aufgrund des kleinen Probenvolumens (20 µL) jedoch begrenzt. Als Alternative zur LA-ICP-SF-MSIVA wurde ein System unter Verwendung der Fließinjektion für die Zuführung der isotopenverdünnten Probe zum ICP-SF-MS ausgearbeitet. Die isotopenverdünnte Probe wird hierbei in einen Eluentenstrom von Toluol injiziert und mit Hilfe einer Total-Consumption-Zerstäuber/Sprühkammer-Einheit vollständig bei einer Flussrate von 10 µL/min in das Plasma eingebracht. Neben einer nochmaligen Verkürzung der Analysenzeit und Vereinfachung der Probenvorbereitung bietet diese Methode zusätzlich stark verbesserte Nachweisgrenzen (z.B. Ni 0,9 ng/g). Leider sind mit diesem Verfahren bis jetzt nur Ni und Mo zuverlässig bestimmbar. Das in dieser Arbeit ausgearbeitete Methodenpaket erlaubt erstmals eine breite Einführung der ICP-MSIVA als zuverlässige Methode in die Routineanalytik der Petroindustrie. Durch die bewiesene Zuverlässigkeit, den geringen Zeitaufwand und die Robustheit der Methoden steht ihrem routinemäßigen Einsatz, außer einer weitergehenderen Automatisierung einzelner Verfahrensteile, prinzipiell nichts entgegen.

Spurenanalyse von Uran und Plutonium sowie Speziationsuntersuchungen an Plutonium mit massenspektrometrischen und kapillarelektrophoretischen Methoden

Die Elemente Uran und Plutonium besitzen seit Entdeckung der Kernspaltung und der technischen Nutzung der Kernenergie eine globale Bedeutung. So trägt Pu hauptsächlich zur Radiotoxizität von abgebrannten Brennelementen bei und erfordert im Falle einer Endlagerung in einer tiefen geologischen Formation einen sicheren Verschluss für bis zu einer Million Jahre. Das Wissen über die vorliegenden chemischen Spezies ist dabei entscheidend für das Verständnis der chemisch-physikalischen Wechselwirkungen im jeweiligen geochemischen System, insbesondere mit dem Wirtsgestein (hier Ton) und den allgegenwärtigen Huminstoffen (hier Fulvinsäure). Längerfristig sind so Vorhersagen über einen Transport des hochradioaktiven Abfalls nach Auslaugung und Austritt aus einem Endlager bis in die Biosphäre möglich. Gerade der Ultraspurenbereich, im Fernfeld eines Endlagers zu erwarten, ist dabei von besonderem Interesse. Darüber hinaus machen nuklearforensische Untersuchungen – in Hinblick auf illegal benutztes Nuklearmaterial, Schmuggel oder Nuklearterrorismus – zur Bestimmung der Herkunft, des Alters oder der Radiotoxizität isotopenselektive Nachweismethoden im Ultraspurenbereich notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hierfür die Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) zur isotopenselektiven Spuren- und Ultraspurenanalyse von U und Pu sowie die Kapillarelektrophorese (CE) gekoppelt an die induktiv gekoppelte Plasma (ICP)-Massenspektrometrie (CE-ICP-MS) zur Speziation von Pu eingesetzt. Für den isotopenselektiven Nachweis von Ultraspurenmengen von Uran mittels RIMS wurden vorbereitende Studien durchgeführt und mehrere zweifach resonante Anregungsleitern mit nicht-resonanter Ionisation untersucht. Eine Effizienz von ca. 10^-10 bei einer Nachweisgrenze von 10^12 Atomen U-238 konnte erzielt werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Radiochemie, TU München, wurde mittels RIMS die Isotopenzusammensetzung von Plutonium, abgetrennt aus einem panzerbrechenden Urangeschoss aus dem Kosovokonflikt, bestimmt und dieses als Waffenplutonium mit einem Gehalt von 15 pg Pu-239/g Uran identifiziert. Rückschlüsse über Herkunft und Alter des Plutoniums konnten daraus gewonnen werden. Für Studien zur Umweltüberwachung von Plutonium in Rheinland-Pfalz wurden Grund-, Oberflächen- und Klärwasserproben mittels RIMS untersucht. Oberhalb der Nachweisgrenze von ca. 10^7 Atomen Pu-239/500 mL konnte kein signifikanter Gehalt bestimmt werden. Zusätzlich wurden Klärschlammproben untersucht, wobei in einer Probe 5,1*10^7 Atome Pu-239/g gemessen wurde, was auf eine Anreicherung von Pu im Klärschlamm aus großen Wasservolumina hindeuten könnte. Speziationsuntersuchungen von Plutonium in Kontakt mit Fulvinsäure und dem Tonmineral Kaolinit wurden in Hinblick auf die Wechselwirkungen im Umfeld eines nuklearen Endlagers durchgeführt. Die Redoxkinetik von Pu(VI) in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure zeigt eine mit steigendem pH zunehmend schnellere und vollständige Reduktion und ein vergleichbares Verhalten zur Huminsäure. Für ein Plutoniumgemisch aus allen vier umweltrelevanten Oxidationsstufen in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure konnte nach ca. 1 Monat Kontaktzeit eine fasst vollständige Reduktion zum tri- und tetravalenten Pu beobachtet werden. Sorptionsuntersuchungen der stabilsten Oxidationsstufe, Pu(IV), in Kontakt mit Kaolinit bei pH = 0 bis 13 im Konzentrationsbereich 10^-7 bis 10^-9 mol/L verdeutlichen das ausgeprägte Sorptionsverhalten von Pu(IV) (ca. 60% bis 90% Sorption) im umweltrelevanten pH-Bereich bei einem Einsetzen der Sorption bei pH = 0 bis 2. Im Rahmen des "Colloid and Radionuclide Retardation" (CRR) Experiments im Felslabor Grimsel, Schweizer Alpen, wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Nukleare Entsorgung, Karlsruhe, die kolloidgetragene Migration von Pu(IV) in einem Grundwasserstrom durch Scherzonen im Granitgestein unter umweltrelevanten Bedingungen untersucht. Bei Zugabe von im Grundwasser stabilen Bentonitkolloiden – Bentonit wird als ein geeignetes Verschlussmaterial für nukleare Abfälle erforscht – konnte ein erhöhter Transport des Pu(IV) beobachtet werden, der durch Sorption des Pu an die mobilen Kolloide hervorgerufen wird. Zur Speziation von Plutonium im Ultraspurenbereich wurde im Rahmen dieser Arbeit an der Entwicklung der Kopplung der CE mit der sehr sensitiven RIMS gearbeitet. Das Prinzip der offline-Kopplung basiert auf dem Sammeln der zu unterschiedlichen Zeiten am Ende der Kapillare eluierten Oxidationsstufen in einzelnen Fraktionen. Aus jeder Fraktion wird ein eigenes Filament hergestellt und mit RIMS auf seinen Plutoniumgehalt untersucht. Eine erste Validierung der Methode konnte durch Bestimmung der Oxidationsstufenzusammensetzung eines bekannten Gemischs erfolgreich für einen Gehalt von ca. 6*10^9 Atome Pu-239 durchgeführt werden. Dies stellt einen möglichen Zugang zu dem erwarteten Konzentrationsbereich im Fernfeld eines Endlagers dar.

Study of the interactions of Neptunium with humic substances and the clay mineral montmorillonite by direct and non direct speciation methods

For the safety assessment of radioactive waste, the possibility of radionuclide migration has to be considered. Since Np (and also Th due to the long-lived 232-Th) will be responsible for the greatest amount of radioactivity one million years after discharge from the reactor, its (im)-mobilization in the geosphere is of great importance. Furthermore, the chemistry of Np(V) is quite similar (but not identical) to the chemistry of Pu(V). Three species of neptunium may be found in the near field of the waste disposal, but pentavalent neptunium is the most abundant species under a wide range of natural conditions. Within this work, the interaction of Np(V) with the clay mineral montmorillonite and melanodins (as model substances for humic acids) was studied. The sorption of neptunium onto gibbsite, a model clay for montmorillonite, was also investigated. The sorption of neptunium onto γ-alumina and montmorillonite was studied in a parallel doctoral work by S. Dierking. Neptunium is only found in ultra trace amounts in the environment. Therefore, sensitive and specific methods are needed for its determination. The sorption was determined by γ spectroscopy and LSC for the whole concentration range studied. In addition the combination of these techniques with ultrafiltration allowed the study of Np(V) complexation with melanoidins. Regrettably, the available speciation methods (e.g. CE-ICP-MS and EXAFS) are not capable to detect the environmentally relevant neptunium concentrations. Therefore, a combination of batch experiments and speciation analyses was performed. Further, the preparation of hybrid clay-based materials (HCM) montmorillonitemelanoidins for sorption studies was achieved. The formation of hybrid materials begins in the interlayers of the montmorillonite, and then the organic material spreads over the surface of the mineral. The sorption of Np onto HCM was studied at the environmentally relevant concentrations and the results obtained were compared with those predicted by the linear additive model by Samadfam. The sorption of neptunium onto gibbsite was studied in batch experiments and the sorption maximum determined at pH~8.5. The sorption isotherm pointed to the presence of strong and weak sorption sites in gibbsite. The Np speciation was studied by using EXAFS, which showed that the sorbed species was Np(V). The influence of M42 type melanodins on the sorption of Np(V) onto montmorillonite was also investigated at pH 7. The sorption of the melanoidins was affected by the order in which the components were added and by ionic strength. The sorption of Np was affected by ionic strength, pointing to outer sphere sorption, whereas the presence of increasing amounts of melanoidins had little influence on Np sorption.

Anwendung der CE-ICP-MS und RIMS sowie Entwicklung und Anwendung der CE-RIMS auf Umweltproben

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Wechselwirkung und Transport von Actiniden im natürlichen Tongestein unter Berücksichtigung von Huminstoffen und Tonorganika – Wechselwirkung von Neptunium und Plutonium mit natürlichem Tongestein“ durchgeführt. Diese Untersuchungen sollen die thermodynamische Datenbasis für Actiniden erweitern sowie Informationen zur Ableitung von Bewertungskriterien für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in Ton als Wirtsgestein, insbesondere über das Rückhaltevermögen von Tongestein gegenüber Radionukliden, liefern. Dabei stand die Anwendung verschiedener Speziationstechniken wie CE-ICP-MS, UV/VIS und die apparative Entwicklung der CE-RIMS im Vordergrund. Es sollte das Verhalten von Plutonium in umweltrelevanten Medien und Konzentrationen, im Ultraspurenbereich, untersucht werden. Unabhängig davon sollten Uranproben aus dem 2. Weltkrieg und Umweltproben des Landesamts für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz auf ihren Plutoniumgehalt analysiert werden. Dazu wurde zunächst ein neues ICP-MS-Gerät Agilent 7500ce in Betrieb genommen und auf die Verwendung in Kombination mit der Kapillarelektrophorese optimiert. Die erreichte Nachweisgrenze für die vier Oxidationsstufen des Pu beträgt 0,05 ppb des gesamten Plutoniums in Lösung. Mit Hilfe der CE-ICP-MS wurde die Redoxstabilität einer Mischung aus verschiedenen Oxidationszuständen des Plutoniums in Opalinus-Ton-Porenwasser und Vergleichsmedien unter aeroben und anaeroben Bedingungen mit der CE untersucht. Die Untersuchungen zeigen das Pu(III) bis zu 40 min im verwendeten Elektrolytsystem stabil ist und dann oxidiert wird. In Porenwasser wurde als vorherrschende Spezies Pu(V) bestimmt. Die Redoxstabilität von Pu(VI) wurde untersucht, dabei wurde festgestellt, dass sich Pu(VI) bereits durch einfaches Verdünnen reduzieren lässt. Weiterhin wurden die Kd-Werte für die Sorption von Plutonium an Opalinuston unter aeroben und anaeroben Bedingungen für Pu(III) und Pu(IV) im System Porenwasser/Opalinuston von Kd(aerob) Pu(III) ≈ 53 m3/kg, Kd(aerob) Pu(IV) ≈ 14 m3/kg, Kd(anaerob) Pu(III) ≈ 114 m3/kg, Kd(anaerob) Pu(IV) ≈ 178 m3/kg bestimmt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Entwicklung, Optimierung und Anwendung der Kopplung CE-RIMS zur Speziation des Plutoniums im Ultraspurenbereich. Dies konnte erfolgreich in mehreren Schritten durchgeführt und an den Proben aus den Batchversuchen zur Kd-Wert Bestimmung angewandt werden. Der Memory-Effekt des an den Kapillarwänden sorbierenden Pu(IV) konnte mit der empfindlichen Kopplung CE-RIMS ebenfalls nachgewiesen werden.

Simultaneous Determination of Multi-Organotin Compounds in Seawater by Liquid-Liquid Extraction-High Performance Liquid Chromatography-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

The hyphenated technique of high performance liquid chromatography coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry (HPLC-ICP-MS) was applied to the simultaneous determination of five organotin compounds (trimethyltin, dibutyltin, tributyltin, diphenyltin and triphenyltin) in seawater samples. Agilent TC-C18 column was used for the separation, the mobile phase of HPLC was CH3CN : H2O: CH3COOH=65 : 23 : 12 (phi), 0.05% TEA, and pH value was adjusted to 3.0 by diluent ammonia. The flow rate was 0.6 mL . min(-1). Five mixed organotin compounds in a mix standard solution from 100 to 0.5 mu g . L-1 were applied for the method assessment. The experimental results indicate that the correlation coefficient of calibration curves (R-2) for each organotin compound was over 0.998 and the detection limits of the five organotin compounds were lower than 3 ng . L-1. Different mixed organic solvents including dichloromethane or toluene were used for extraction of organotin and the extraction condition of organotin from seawater was optimized. The 100 mL seawater acidized by hydrochloric acid was extracted by 10 mL carbon dichloride (CH2Cl2) with 2% tropolone for 10 min twice. Extracted organic solvents were mixed And blown to one drop by nitrogen with the rate of 1.7 mL . min(-1), then 1 mL acetonitrile was added to the drop for redissolving the organotin compounds. Finally, the mixed redissolution was filtered by 0.22 mu m organic filter membrane before analysis. it was found that the only organotin compound in seawater was triphenyltin (TPHT) and the content was 53.2 ng . L-1. The recoveries test from the standard addition for diphenyltin (DPHT), dibutyltin (DBT), tributyltin (TBT) and triphenyltin (TPHT) were over 80%. However, the recovery for trimethyltin (TMT) was relatively low and the value was 50%. The reason might be attributed to the decomposition or adsorption of those compounds during the extraction procedure. Further study on this subject is in progress.

Multi-element determination in Brazilian honey samples by inductively coupled plasma mass spectrometry and estimation of geographic origin with data mining techniques

Multi-element analysis of honey samples was carried out with the aim of developing a reliable method of tracing the origin of honey. Forty-two chemical elements were determined (Al, Cu, Pb, Zn, Mn, Cd, Tl, Co, Ni, Rb, Ba, Be, Bi, U, V, Fe, Pt, Pd, Te, Hf, Mo, Sn, Sb, P, La, Mg, I, Sm, Tb, Dy, Sd, Th, Pr, Nd, Tm, Yb, Lu, Gd, Ho, Er, Ce, Cr) by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Then, three machine learning tools for classification and two for attribute selection were applied in order to prove that it is possible to use data mining tools to find the region where honey originated. Our results clearly demonstrate the potential of Support Vector Machine (SVM), Multilayer Perceptron (MLP) and Random Forest (RF) chemometric tools for honey origin identification. Moreover, the selection tools allowed a reduction from 42 trace element concentrations to only 5. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Entwicklung und Validierung einer massenspektrometrischen Isotopenverdünnungsanalyse zur direkten Multielementbestimmung in pulverförmigen Proben mittels LA-ICP-MS

In dieser Arbeit wurde erstmalig eine massenspektrometrische Isotopenverdünnungsanalyse (MSIVA) als Quantifizierungsmethode für die Multielementbestimmung in pulverförmigen Proben mittels Laserablations-induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) entwickelt. Diese LA-ICP-MSIVA wurde zur Bestimmung von Elementspuren in optisch-reinem Calciumfluorid eingesetzt und anhand der Analyse mehrerer zertifizierter Referenzmaterialien unterschiedlicher Matrixzusammensetzung validiert.Mit den in dieser Arbeit entwickelten direkten LA-ICP-MS-Analysenmethoden dürfte es in der Zukunft möglich sein, Routineanalysen von optisch-reinem Calciumfluorid durchzuführen, wobei sich im Vergleich zu naßchemischen Aufschlußverfahren eindeutige Vorteile ergeben. Neben einer deutlich einfacheren und weniger kontaminationsanfälligen Probenvorbereitung liegen die Nachweisgrenzen (im Bereich von 0.05 ng/g für Zr bis 20 ng/g für Mg) um etwa ein bis drei Größenordnungen niedriger.Die am Beispiel der Multielementbestimmung in Calciumfluorid entwickelte LA-ICP-MSIVA wurde nachfolgend anhand der Analyse von sieben zertifizierten Referenzmaterialien mit organischer und anorganischer Matrix validiert. Hierbei wurde für 28 von insgesamt 32 analysierten Elementkonzentrationen eine hervorragende Übereinstimmung mit den zertifizierten Werten erhalten. Im Mittel weichen die mittels LA-ICP-MSIVA analysierten Gehalte nur um 1.6 % von den zertifizierten Werten ab. Die erzielte Präzision von durchschnittlich 4.9 % relativer Standardabweichung für drei unabhängig analysierte Proben liegt im Bereich der durchschnittlichen zertifizierten Unsicherheit der Referenzmaterialien von 4.4 %.

Determination of trace elemental species in periostracum of Cypraea shells

n this work, three Cypraea species (C. talpa, C. tigris and C. zebra) were exhaustively studied. The shells have been separated in the structural layers. The mineralogy, ultra- and micro-structure of each layer were analyzed by Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffractometry (XRD) and Raman Spectroscopy (RS). The presence of biologically relevant trace metals (Mn, Co, Fe, Zn, Cr, etc.) has been investigated using Instrumental Neutron Activation Analysis (INAA) and Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (ICP-MS) as detection tool. A new method has been developed and optimized to extract and analyze the soluble organic matrix (SOM) of the shell. Although the molecular nature of the SOM is not really known, it contains at least large protein fraction, if not only consists of proteins. The extracted matrices were compared between layers and species using Size Exclusion High Performance Liquid Chromatography coupled with Ultra Violet Spectrometry (SE-HPLC-UV), Gel electrophoresis (GE) and protein quantification tests. For the first time to our knowledge the association of trace elements to the protein in the SOM of the shell was studied using hyphenated on line as well as combined off line techniques and validated through inter-comparison tests between the different methods applied. Interesting correlations between the trace element concentration, the microstructure and the protein content were directly and indirectly detected. The metals Cu, Ni, Co and Zn have shown to bind to the SOM extracted from C. talpa, C. tigris and C. zebra shells. Within the conclusions of this work it was demonstrated that these protein-metal-complexes (or metal containing proteins) change from one layer to the other and are different between the three snails analyzed. In addition, the complexes are clearly related only to certain protein fractions of the SOM, and not to the whole SOM observed. These fractions and show not to be very metal-specific (i.e. some of these fractions bind two or three different metals).