Anionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla suolaisista vesistä näytteitä laimentamatta

Työraportti 2000-43 Anionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla suolaisista vesistä näytteitä laimentamatta Tarja Hiissa Stella Rovio Taru Virta Heli Siren Pekka Savolahti Lokakuu 2000 POSIVA OY Töölönkatu 4, FIN-00100 HELSINKI, FINLAND Tel. +358-9-2280 30 Fax +358-9-2280 3719

Työ raportti 2000-43 Anionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla suolaisista vesistä näytteitä laimentamatta Tarja Hiissa Stella Rovio Taru Virt:a Heli Siren Pekka Savolahti Lokakuu 2000

KEMIANTEKNIIKKA Analytiikka TUTKIMUSRAPORTTI 1 (1) Tilaaja Tilaus Käsittelijä Posiva Oy Margit Snellman Töölönkatu 4 00 100 Helsinki Margit Snellman, 24.6.1999, tilaus 9651199/MVS. Stella Rovio, puh. 09-4565374. Tehtävä Suoritus ja tulokset Toimeksianto anionien ja kationien määrityksestä kapillaarielektroforeesilla suolaisista vesistä. Työn suoritus ja tulokset on kuvattu tilaajalle toimitetussa erillisessä raportissa. Espoo, 12.9.2000 Ryhmäpäällikkö (~.L Cc.-< L.-..._ Pekka Savolahti Tutkija Stella Rovio VTT KEMIANTEKNIIKKA Analytiikka PL 1401 02044 VTT Katuosoite: Biologinkuja 7 02150 ESPOO Puh.vaihde (09) 4561 Telekopio (09) 456 7026 http:/ /www. vtt.fi/ket

Työ raportti 2000-43 Anionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla suolaisista vesistä näytteitä laimentamatta Tarja Hiissa Stella Ravia Taru Virta Heli Siren Pekka Savolahti VTT Kemiantekniikka Lokakuu 2000 Pasivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia. Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.

Anionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla suolaisista pohjavesistä näytteitä laimentamatta TIIVISTELMÄ Projektissa on laiteparametrien lisäoptimoinnilla kehitetty laboratorio-olosuhteissa kapillaarielektroforeettisia erotusmenetelmiä, joilla samanaikaisesti määritettiin joko epäorgaanisia anioneja tai kationeja pohjavesistä UVdetektoinnilla. Tämä tutkimus liittyy Posiva Oy:n aiempaan toimeksiantoon, jossa kehitettiin analyyttisiä menetelmiä käytetyn polttoaineen tutkimuspaikkojen kairanreikien pohjavesinäytteiden anionien ja kationien määrittämiseksi laimennetuista näytteistä. Työ jakaantui kolmeen osaan: 1) laiteparametrien lisäoptimointi ionien määrittämiseksi suolaisista vesistä aiemmin laimennetuille pohjavesinäytteille optimoitua perusmenetelmää käyttäen, 2) lisäoptimoinnin jälkeen pohjavesinäytteiden ionipitoisuuksien määritys sekä 3) laserindusoidun fluoresenssidetektoinnin (LIF) soveltuvuuden testaaminen bromidin ja kloridin erottamiseksi toisistaan käyttäen aiempaa, laimennetuille pohjavesinäytteille optimoitua menetelmää; bromidin herkkyyden parantaminen sekä vielä LIF -detektointiin soveltuvien puskuriin lisättävien fluoroforien testaaminen. Kapillaarielektroforeesimenetelmässä erotettiin seoksessa olevat anionit ja kationit toisistaan niiden massa/varaussuhteessa ohuessa (50 Jlm sisähalkaisija) sisäpinnaltaan päällystämättömässä 107 cm pitkässä silikakapillaarissa, joka oli täytetty elektrolyyttiliuoksella. Pohjavesinäyte ohjattiin kapillaariin paineen avulla. Injektion jälkeen analyysissä oli kahden minuutin odotusjakso, minkäjälkeen korkeajännite (20 kv) kytkettiin päälle ionien erotuksen ajaksi. Ionit liikkuivat sähkökentässä puskurilla täytetyssä kapillaarissa. Ionien tunnistus tapahtui käänteis-uv-detektiolla. Kapillaarissa oleva puskuriliuos oli valittu siten, että se absorboi vahvasti aallonpituudella 254 nm. Vesinäytteissä esiintyvät ionit näkyivät tätä taustaa vasten absorboimattomina peräkkäisinä vyöhykkeinä. Injektio, erotus ja detektointi suoritettiin automaattiohjauksella tietokoneohjelman avulla. Anionit ja kationit erotettiin kahdella, puskureiltaan erilaisilla, mutta laiteparametreiltaan samanlaisilla menetelmillä, joilla saatiin nopea erotus kummallekin yhdisteryhmälle. Sekä anionien että kationien määrityksiin käytettiin edellisessä Posiva Oy:n toimeksiannossa kehitettyä laimennettujen pohjavesinäytteiden määritykseen soveltuvaa menetelmää, josta on raportti "Anionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla" ( työraportti 99-34 vuodelta 1999). Anionierotuksessa käytettiin kaupallista pyromellitiinihappoliuosta, jonka ph oli 7, 7. Ne migratoituivat järjestyksessä kloridi, sulfaatti, nitriitti, nitraatti, fluoridi ja divetyfosfaatti. Kationit erotettiin 18-kruunu-6-eetteriä ja pyridiiniä sisältäväliä elektrolyytillä, jonka ph oli 3,6, jolloin epäorgaaniset kationit määritettiin kompleksoitumattomassa muodossaan. Kationien migraatiojärjestys oli: ammonium, kalium, kalsium, natrium ja magnesium. Tutkimuksen pohjavedet analysoitiin laimentamattomina. Laiteparametrejä lisäoptimoimalla pyrittiin löytämään aiempaan erotusmenetelmään tehokkuutta lisää ionien erottamiseksi suolaisista vesistä näytteitä laimentamatta. Ionien kvantitointiin käytetyt pitoisuusalueet valittiin vertaamalla elektroferogrammeista ionistandardien ja näytteen sisältämän vastaavan ionin piikkien integroituja pinta-aloja. Laimentamattomista pohjavesinäytteistä oli kapillaarielektroforeettisesti mahdollista kvantitoida kloridi ja osasta sulfaatti ja fluoridi sekä kalsium, natrium ja magnesium sekä osasta kalium. Muiden toimeksiannossa nimettyjen anionien (bromidi ja vetyfosfaatti) ja kationien (ammonium) pitoisuudet jäivät alle totearuisrajan tai niitä ei pystytty lainkaan määrittämään suolaisista ja laimentamattomista pohjavesistä. Anionien pitoisuudet vaihtelivat pohjavesinäytteissä 0,01 g/1-7, 7 g/1 ja kationien alle määritysrajan pitoisuuksista 3 g/1 pitoisuuksiin näytteestä riippuen. Koska kloridi esiintyi pohjavesinäytteissä suurissa pitoisuuksissa, jopa 7,7 g/1, bromidi ei erottunut kloridista käytetyllä puskuriliuoksella ja epäsuoralla UV -detektoinnilla. Sen vuoksi testattiin laserindusoitua fluoresenssidetektoria, jotta bromidille saataisiin kloridia parempi herkkyys. LIF-kokeet eivät tuoneet parannusta bromidin määritykseen, huolimatta pyromellitiinihappopuskuriliuokseen lisätystä fluoresoivasta vasta-aineesta. Kokeet osoittivat, että puskuriliuosta vaihtamalla bromidi om mahdollista kvantitoida. Avainsanat pohjavesi, kloridi, bromidi, sulfaatti, nitraatti, nitriitti, bromidi, fluoridi, kalsium, kalium, natrium, magnesium, kapillaarielektroforeesi, UV -detektointi, kvantitointi, laiteparametri, laserindusoitu fluoresenssi

Determination of Anions and Cations by Capillary Electrophoresis from Saline Groundwaters Without Dilution ABSTRACT The aim of the project was to validate two separation methods by optimizing the instrumental parameters for determination of inorganic anions and cations from ground waters with capillary electrophoresis by using UVdetection. The research is in connection to the earlier assignment of Posiva Ltd. in which analytical methods were developed for diluted groundwaters sampled within the site investigation programme for spent nuclear fuel disposal in Finland. The project was divided in to three parts: 1) further optimization of instrumental parameters for determination of ions from saline waters. The optimization was based on the method developed for diluted groundwaters in previous assignment, 2) quantification of ions from groundwater samples after the enhancement of optimization, and 3) testing of the laserinduced fluorescence detector (LIF) for the separation of brornide and chloride using the earlier developed method for diluted groundwater samples; to enhance the detection sensitivity of brornide and furthermore to test the suitable fluorophores as additives in buffer solution. The capillary electrophoretic methods were used for the separations of anions and cations according to molar mass versus charge ratio by using narrow (50 ~m inner diameter) uncoated fused silica capillary (107 cm total length), which was filled with an aqueous electrolyte solution. The groundwater sample was introduced into capillary by pressure. After injection the waiting period was two minutes before applying the high voltage (20 kv) onto the system. The ions migrated in the capillary filled with a buffer. The ions were identified with indirect-uv detection by using high-absorption of the background electrolyte at 254 nm for detection.the ions of groundwater samples were seen as sequential non-absorbing zones against this absorbing background. The injection, separation and detection were made by computer controlled system. The anions and cations were separated with methods which were different according to the electrolyte solutions but identical with the instrumental parameters, to get a high speed separation for both ion groups. Both the anions and cations were determined by using the methods developed for diluted groundwater samples reported in the previous assignment of Posiva Ltd which is described in "Determination of Anions and Cations by Capillary Electrophoresis"(working raport 99-34 year 1999). Anions were separated in a commercial pyromellitic acid solution at ph 7.7. They migrated according to the order: chloride, sulphate, nitrite, nitrate, fluoride, and dihydrogenphosphate. Cations were separated in a solution containing 18-crown-6-ether and pyridine at ph 3.6, at which ph the inorganic cations were determined as uncomplexed forms. In the cation analyses the migration order was following: ammonium, potassium, calsium, sodium, and magnesium. The groundwater samples were analysed without dilution. The goal of the further optimization of the instrumental parameters in this assignment was to enhance separation efficiency for the ion determination in saline waters. The quantification ranges for ions were se Ieeted by comparing the peak areas of standards and sample ions. The quantification of ions from the undiluted groundwater samples was possible for chloride, for sulphate in some samples, calcium, sodium, magnesium, and for potassium in some of samples. Concentrations of other ions mentioned in the assignment were below limit of detection. Concentrations of the free soluble anions in the groundwater samples varied from 0.01 g/l to 7.7 g/l and the concentrations of the free soluble cations in the groundwater samples varied from below limit of detection to 3 grams per litre depending on the origin of the sample. Because chloride exists in the analysed groundwater samples at high concentrations, max. 7. 7 g/1, brornide was not distinguished from chloride with used buffer solution and with indirect-uv detection. Therefore the laser induced fluorescence detector was tested for to get the better detection sensitivity for bromide. The LIF tests were unsuccesful in the determination of bromide, although a fluorescence agent was added into the pyromellitinic acid buffer solution. Key words: groundwater samples, chloride, sulphate, nitrite, nitrate, fluoride, ammonium, potassium, calcium, sodium, magnesium, capillary electrophoresis, UV -detection, quantification, instrumental parameters, laser induced fluorescence

1 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1. TAUSTAA 2 2. KOKEELLINEN OSUUS 4 2.1 Laitteisto 4 2.2 Elektrolyyttiliuokset 5 2.3 Analyysin seurantaan valmistetut referenssivedet 5 2.4 Standardivesien valmistus 6 2.5 Uuden kapinaarin käyttöönotto ja kapinaarin kunnostus ajojen välillä 7 2.6 Kapillaarielektroforeettisen ajon suoritus 7 2. 7 Erotukseen käytetty tietokoneohjelma 8 2.8 Laiteparametrien optimointi 8 2.9 Beckman MDQ-kapillaarielektroforeesilaite anionien ja kationien erotuksen optimoinnissa 12 2.10 Laserindusoitu fluoresenssi 13 2.10.1 Fluoresenssin teoria 13 2.10.2 LIF-detektori 14 2.10.3 LIF-detektorin käyttö anionien CE-analytiikassa 15 2.11 Suolaisten pohjavesinäytteiden CE-määritykset 16 2.12 Kvantitatiivisten tulosten laskeminen 17 2.13 Pohjavesinäytteiden pitoisuuksien luotettavuuden referenssimetodi 17 2.13.1 Suolaisten näytteiden profiiliajot 18 2.13.2 Suolaisten pohjavesinäytteiden laimentaminen 22 2.13.3 Anionien kvantitointiin tarvittavat referenssinäytteet 23 2.13.4 Kationien kvantitointiin tarvittavat referenssinäytteet 23 3. TULOKSET 24 3.1 Lineaarisuus 24 3.2 Anionien ja kationien pitoisuudet laimentamattomissa pohjavesinäytteissä 30 3.3 Anionien ja kationien pitoisuudet laimennetuissa pohjavesinäytteissä 32 3.4 CE-LIF-analyysien tulokset 32 4. JOHTOPÄÄTÖKSET JA YHTEENVETO 36 5. VIITTEET 37 Käytetyt lyhenteet BGE taustaelektrolyyttiliuos CE kapillaarielektroforeesi CZE kapillaarivyöhyke-elektroforeesi LIF laserindusoitu fluoresenssi MECC misellinen sähkökineettinen kapillaarikromatografia UV ultravioletti

2 l.taustaa Kapillaarielektroforeesi (CE) on menetelmä, jossa näytteen komponentit erotetaan toisistaan vesipitoista- tai vedetöntä orgaanista elektrolyyttiliuosta käyttäen. Erotus tapahtuu tavanomaisimmin kapeassa (25-75 J.!ffi sisähalkaisija) silikakapillaarissa, jonka pituus vaihtelee 20-100 cm:n välillä, tässä tutkimuksessa vastaavat kapillaarin dimensioit olivat 50 J.tm ja 107 cm. Määrityksiin käytetään kaupallisia laitteita, joilla on mahdollista tehdä mm. lääkeaine- ja ympäristönäyteanalytiikkaa. Laitteet toimivat tietokoneohjatusti ja ne on varustettu automaattisilla näytteensyöttö- ja tulostenkeruujärjestelmillä. Tässä tutkimuksessa kaupallisina laitteina olivat Beckman PlACE 5000-sarjan laite sekä Beckman MDQ-laite, joissa kummassakin oli UVilmaisin ionien tunnistamiseksi. Kapillaarielektroforeesi erottelee puskurilla eli elektrolyyttiliuoksella täytetyssä kapillaarissa korkeaa jännitekenttää (max. 30 kv) käyttäen poolisia ja poolittomia anionisia ja kationisia yhdisteitä niiden massa/varaus-suhteessa sekä myös varauksettornia yhdisteitä misellien avustuksella. Yleisimmät alitekniikat joita käytetään ovat kapillaari vyöhyke-elektroforeesi ( CZE, erottelee pelkästään varaukselliset yhdisteet) ja misellinen sähkökineettinen kapillarikromatografia (MECC, erottelee sekä varaukselliset että varauksettomat yhdisteet). Yleisimmin käytetyssä kapillaarivyöhykeelektroforeesimentelmässä ionien erottuminen toisistaan perustuu niiden erilaisiin elektroforeettisiin liikkuvuuksiin kapillaarin päiden välille asetetussa sähkökentässä, jonka voimakkuus vaihtelee tavallisimmin välillä 2-30 kv. CE-menetelmiä voidaan muunnella molekyyli- tai yhdisteryhmäkohtaisesti elektrolyyttiliuoksen kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien avulla. Erotustehokkuutta voidaan muuttaa optimoimalla laiteparametreja (kapillaarin pituus, käytetty erotusjännite ja -virta, detektioon liittyvät parametrit, detektori, UV- tai FL-aallonpituudet sekä näytteensyöttötekniikka). CE-menetelmän selektiivisyyttä voidaan tehostaa esim. detektorivalinnoilla, sillä valintamahdollisuuksia ovat suoran tai käänteisen UV-valon absorption detektoimiseen perustuva ilmaisin ja mm. laserindusoitu fluoresenssi-ilmaisin (LIF). Tässä työssä paaos1n käytettiin UV -absorption mittaamiseen perustuvaa detektoria, mutta detektointia pyrittiin tehostamaan käyttämällä myös argon-laser LIF-detektoria. Pienten molekyylien käänteis-uv-absorptioon perustuvat CE-erotukset ovat tuoneet mahdollisuuden tunnistaa erotusprosessissa myös valoa absorboimattomia yhdisteitä. Menetelmä toteutetaan teknisesti siten, että taustaelektrolyyttiliuos (BGE, engl. background electrolyte) absorboi seuranta-aallonpituudella erittäin vahvasti. Kun näyte injektoidaan kapillaariin ja jännite kytketään päälle, yhdisteiden erottuminen alkaa ja näytevyöhykkeet kulkeutuvat yksitellen detektorille. Yhdiste nähdään absorboimattomuuden vuoksi eli absorptio laskee nollatason alapuolelle ja palaa takaisin maksimiinsa vasta kun näytevyöhyke on ohittanut detektorin. Näin tapahtuu aina, kun uusi näytevyöhyke saavuttaa detektorin. Tämän tutkimuksen tavoitteena on jatkokehittää Posivan paikkatutkimusten pohjavesikemian töihin soveltuvia, anioneille ja kationeille sopivia kapillaarielektroforeettisia analyysimenetelmiä laiteparametrien lisäoptimoinnilla.

3 Kehitystyön lähtökohtana oli menetelmä, joka oli optimoitu anionien ja kationien määrittämiseen laimennetuista pohjavesinäytteistä. Tutkimus perustuu täysin edelliseen toimeksiantoon, josta on raportti "Anionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla. Menetelmän testaus ja optimointi" (Posivan Oy:n työraportti 99-34). Tämän tutkimuksen tavoitteena oli: 1) laiteparametrien lisäoptimointi ionien määrittämiseksi suolaisista vesistä aiemmin laimennetuille pohjavesinäytteille optimoitua perusmenetelmää käyttäen, 2) lisäoptimoinnin jälkeen pohjavesinäytteiden ionipitoisuuksien määritys suolaisista vesistä (5 näytettä) ja vähäsuolaisesta vedestä (yksi näyte) sekä 3) laserindusoidun fluoresenssi-detektoinnin (LIF) soveltuvuuden testaaminen bromidin ja kloridin erottamiseksi toisistaan käyttäen aiempaa, laimennetuille pohjavesinäytteille optimoitua menetelmää; bromidin herkkyyden parantamiseksi edellisessä toimeksiannossa (Posiva Oy:n raportti 99-34) kehitetyn kapillaarielektroforeettisen menetelmän detektorina kokeiltiin UV -absorption tilalla laserindusoidusoitua fluoresenssi-ilmaisinta sekä testattiin vielä LIF-detektointiin soveltuvien puskuriin lisättävien fluoroforeja herkkyyden maksimoimiseksi.

4 2. KOKEELLINEN OSUUS 2.1 Laitteisto Anionien ja kationien kvantitatiivisissa analyyseissä käytettiin Beckman P/ ACE 5000 (Beckman Instruments, Fullerton, CA, USA; maahantuoja Ordior Oy, Vantaa) kapillaarielektroforeesilaitetta varustettuna UV-ilmaisimella. Sen lisäksi käytettiin menetelmäkehitystyössä laiteparametrien optimoimiseksi Beckman MDQkapillaarielektroforeesilaitetta UV-ilmaisimella varustettuna. Taulukkoon 1 on koottuna lisäoptimointiin käytetyt laiteparametrit kummassakin laitteessa. Taulukko 1. Beckman P/ ACE- ja Beckman MDQ-kapillaarielektroforeesilaitteiden 1 a1 't eparame t n 't. Beckman PlACE MDQ Parametri Dimensio Dimensio Aallonpituus 254 nm< 254 nm< Detektorin 5Hz<* 4Hz<* mittaustaajuus Detektorin heräteaika 1 s<* Kapillaari Ldet 100 cm, Ltot 107 cm, Ldet 100 cm, Ltot 11 0 cm, sisähalkaisija 50 ~m, sisähalkaisija 50 ~m, ulkohalkaisij a 375 ~m ulkohalkaisija 375 ~m (valmistaja Composite (valmistaja Composite Metal Metal Services, The Chase, Services, The Chase, Hallow, Hallow, Worcester, Worcester, England) England) Lämpötila 25 oc(* 25 oc(* Jännite 20kV 20kV Polariteetti - anioneille neg -> pos neg -> pos - kationeille pos -> neg pos -> neg Ajoaika - anonit 35 min - kationit 30 min Injektioaika 1-2 s 1 s Injektiopaine 0,5 psi (3,447 kpa) 0,1 psi (0,689 kpa) (.. optimottu JO aiemmassa to1meks1annossa (tyoraportt1 99-34). Beckman P/ ACE-laitteessa injektointi tapahtuu aina 0,5 psi:n vakiopaineella. MDQlaitteessa on mahdollista muuttaa injektiopainetta. Punnituksissa on käytetty Precisa 240A analyysivaakaa (Precisa Instruments AG, Sveitsi, maahantuoja Oy Teo-Pal Ab, Espoo). Liuosten ph:t on mitattu Denver Model 20 ph/johtokykymittarilla (Denver Intruments, Denver, Colorado, USA, maahantuoja Ordior Oy, Vantaa). ph-yhdistelmäelektrodi on kalibroitu käyttäen kaupallisia valmispuskureita, joiden ph-arvot ovat 4,00, 7,00 ja 10,00 (Reagecon, Shannon, Irlanti, maahantuoja Oy Tamro Ab). Johtokykymittari kennoineen (kennovakio 1 cm- 1 ) on

5 kalibroitu 8,4 ms/m (25 C) johtokyvyn omaavalla standardiliuoksena (Hanna Instruments Ltd., Woonsocket, USA). Liuosten laimennukseen käytetty vesi on tislattua, ionivaihdettua ja suodatettua (0,45 J.tm) Milli-Q-vettä (Milli-Q Academic AIO, Millipore Corporation, Bedford, USA, maahantuoja Millipore Oy, Espoo), jonka johtokyky on maksimissaan 5 J.tS/m. Liuosten pipetointiin käytettiin ladattavia, kertakäyttökärjellisiä ja kalibroituja Biohit Proline -pipettejä (Biohit Oy, Helsinki). Pipetit on kalibroitu puunitsemaila Milli-Qvettä valmistajan kalibrointiohjeiden mukaan. 2.2 Elektrolyyttiliuokset Anionimäärityksiin käytetty elektrolyyttiliuos eli vesipuskuri oli kaupallinen valmiste "Buffer solution ph 7.7 for HPCE" (BioChemica 82619, Fluka Chemie AG, Buchs, Sveitsi). Puskuri oli valittu sillä perusteella, että ph:ssa 7, 7 kaikki anionit olisivat dissosioituneet täydellisesti. Kaupallisen puskurin sisältämät yhdisteet sekä kationierotuksiin VTT:n valmistaman puskurin komponentit on lueteltu taulukossa 2. Puskuriliuoksista ja niiden valinnan perusteista on tarkemmin kerrottu Työraportissa 99-34 "Anionienja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla" (s.11-13). Taulukko 2. Elektrolyyttiliuokset erotusten aikana. Erotus Elektrolyyttiliuos Anionierotuksen elektrolyyttiliuos: 2,25 mm pyromellitiinihappoa (PMA) 6,50mMNaOH 0, 75 mm heksametoniumhydroksidia 1,60 mm trietanoliamiinia ph: 7,7+/- 0,2 (25 C) (Fluka) Kationierotuksen elektrolyyttiliuos: 9 mm pyridiiniä (Merck, p.a.) 12 mm glykolihappoa (Fluka Chemika 50590, n. 99%) 5 mm 18-kruunu-6-eetteriä (Fluka Chemika 28125, > 97%) ph 3,6 (säädetty 0,1 M HCl:lla) 2.3 Analyysin seurantaan valmistetut referenssivedet Työssä käytettiin eri ionivahvuisia referenssivesiä (makeaa referenssivettä (Allard) sekä kahta suolaista referenssivettä, OL-SO ja OL-Brine) laimentamattomien pohjavesinäytteiden mallinäytteinä menetelmien laiteparametrien osalta tapahtuvassa lisäoptimoinnissa.

6 Referenssivedet OL-SO ja OL-Brine valmistettiin kuivasuoloista Posiva Oy:n ohjeiden mukaan (Vuorinen & Snellman 1998). Liuosten valmistaminen on esitetty Posiva Oy:n työraportin 99-34 liitteessä 1. Tätä toimeksiantaa varten makeasta referenssivedestä (Allard) saatiin Fortum Oyj :ssä valmistettu referenssivesi, jonka koostumus on esitetty taulukossa 3 (Rantanen 1999). Taulukko 3. Makean Allard-veden ionikonsetraatiot. Ioni Konsentraatio [ mg/1] [Na+] 61,9 [K+] 3,9 [Ca 2 +] 18 [ Mg 2 +] 4,4 [Si02] 8 [HC03-] 123 [Cr] >41 [sol-j 9,7 [F-] 7,7 [HPol-J 0,4 [Pol-J o,o1 ph 8,1 ph 8,7 Johtokyky 40,8 ms/m Johtokyky 43,0 ms/m 2.4 Standardivesien valmistus Anionien kvantitointiin tehtyjen liuosten valmistusreagenssit on esitetty taulukossa 4. Perussuoloista jokaisesta ionista on tehty oma tilavuudeltaan 10 ml ja anionikonsentraatioltaan 10000 mg/1 kantaliuos. Kantaliuoksesta Milli-Q-vedellä laimentamalla valmistettiin kvantitointia varten eri konsentraatiotasoj a vastaavat käyttöliuokset. Toimeksiannon aikana kantaliuoksia valmistettiin useita eriä, jolla varmistettiin liuosten tuoreus. T au lkk u 0 4A" n1on1en perus r 1uo k set. Perussuola Valmistaja Punnittu määrä Vtot Anionikonsentraatio suolaa [mg] [ml] [mg/1] NaN02 Fluka 71759 145,3 10 10000 [N02-J KN03 Merck 163,2 10 10000 [N03-] NaCl Riedel-de- 164,9 10 10000 [Cr] Haen, 99,8% KH2P04 J.T.Baker 140,5 10 10000 [H2P04-] NaF Merck 220,9 10 10000 [F-] NaBr J.T.Baker 128,9 10 10000 [Br-] Na2S04 J.T.Baker 147,9 10 10000 [sol-j [7757-82-6] CaCh Merck, p.a 1565,3 10 100000 [Cr] NaBr J.T.Baker 12,87 10 1000 [Bf]

7 Kationien perusliuoksien lähtöaineet on lueteltu taulukossa 5. Perussuoloista valmistettiin yksi perusliuos suuressa pitoisuudessa, josta Milli-Q-vedellä laimennettiin kvantitointia varten eri konsentraatiotasoja vastaavat liuokset. Useamman kuukauden kestäneen näytemittausperiodin aikana valmistettiin useampia perusliuoksia, jolla varmistettiin liuosten tuoreus. r T au lkk5k' u 0 at1on1en perus 1uos. Perussuola Valmistaja Punnittu Vtot Kationikonsentraatio määrä [ml] [mg/1] suolaa [mg] NaCl Riedel-de-Haen, 107 10 4209,1 [Na+] 99,8 o/o KCl Merck, p.a. 99,8 10 5234 [K+J CaCh Merck, 96% 102 10 3683,5 [Ca +] MgCh * 6H20 J.T.Baker, 99,6 % 100,5 10 1201,7 [ Mg2+] CH3COONH4 Merck, p.a. 108,5 10 2539 [NH4+] 2.5 Uuden kapinaarin käyttöönotto ja kapulaarin kunnostus ajojen välillä Tutkimuksessa käytettiin aluksi samaa kapillaaria sekä anionien että kationien määrityksessä, myöhemmin siirryttiin käyttämään omia kapillaareja anioneille ja kationeille. Kummassakin tapauksessa kapillaarin dimensiot olivat seuraavanlaiset: kapillaarin pituus detektorille (Lctet) 100 cm, kapillaarin kokonaispituus (Ltot) 107 cm ja sisähalkaisija 50 J.lm. Kapillaaria huuhdeltiin paineen avulla peräjälkeen a) 15 minuuttia 0,1 M NaOH:lla, b) 15 minuuttia Milli-Q-vedellä ja c) 15 minuuttia erotukseen käytetyllä elektrolyyttiliuoksella ennen käyttöönottoa. Näytemääritysten välissä kapillaaria pestiin Milli-Q-vedellä ja elektrolyyttiliuoksella, 5 minuuttia kummallakin, jotta migraatioajat pysyisivät toistettavina. 2.6 Kapillaarielektroforeettisen ajon suoritus Koska edellisessä toimeksiannossa (työraportti 99-34) kehitetty perusmenetelmä oli tehty Beckman P/ ACE-laitteella, lisäoptimoinnit laiteparametrien osalta sekä ionien kvantitatiiviset määritykset tehtiin tällä laitteella. Ennen injektointia kapillaaria huuhdeltiin korkeapaineen avulla Milli-Q-vedellä ja elektrolyyttiliuoksella, kummallakin 5 minuuttia. Välittömästi huuhtelun jälkeen näyte injektoitiin paineelia (3,44 7 kpa). Injektoinnin jälkeen oli kahden minuutin odotus resoluution parantamiseksi, jonka jälkeen kytkettiin jännite päälle. Yhdisteiden erottaminen tapahtui elektrolyyttiä täynnä olevassa kapillaarissa 20 kv :n jännitteessä, kationeille 30 minuutissa ja anioneille 35 minuutissa. Beckman MDQ-laitteella kapillaarielektroforeettinen ajo tehtiin paaos1n edellä kuvatulla tavalla, kuitenkin injektion osalta poiketen. MDQ-laitteessa oli mahdollista muuttaa injektiopainetta, joka oli tässä tutkimuksessa valittu 0,1 psi:ksi (0,689 kpa).

8 2. 7 Erotukseen käytetty tietokoneohjelma Analyysit toteutettiin tietokoneohjelmia käyttäen aina samalla tavalla. Perusajo-ohjelma oli samanlainen anioneille ja kationeille; vain ajoaika oli eri mittainen. Lisäksi polariteetti muutettiin riippuen siitä, määritettiinkö anioneja vai kationeja. Taulukossa 6 on kuvattu ajoparametrit ja ajo-aikataulu optimoidussa menetelmässä. Taulukko 6. Optimoitu ajo-ohjelma anionien ja kationien kapillaarielektroforeettisessa määrityksessä. B ec k man PlACE S ta f ton- c: \\pace\ me th 0 d s\postva \ 2\100 cm 14.me t Initial Parameters: Base Initial Conditions: Capillary temperature: 25.0 oc Detector Initial Conditions: UV detector, 5 Hz, Relays off Wavelength: 254 nm, Attenuated Range: o. 200 Au(* Rise time: 1.0 sec, Signal: Indirect, Negative offset: 0% No Autozero on download Time Pro~ram: # Time Function Value Duration Inlet Outlet Summary Vial Vial 1 Rinse 5.00 min 11 1 fwd high 2 Rinse 5.00 min 12 1 fwd high 3 Inject - Pressure 2 Sample in inlet vial 4 Wait 2.00 min 12 2 5 0.00 Separate - Voltage 20 KV 30.00 min 13 2 0.17 ramp time 6 30.00 End (* AU- - Absorbance Un1ts 2.8 Laiteparametrien optimointi Posiva Oy:lta saadun toimeksiannon perusteella tehtävänä oli analysoida epäorgaanisista anioneista Bf,Cr, F-, sol- ja HPOl- ja kationeista Ca 2 +, Na +, Mg 2 +, K+ ja NH 4 + laimentamattomista pohjavesinäytteistä. Koska pohjavesinäytteet olivat suolaisia ja elektroferogrammeissa ionien piikit olivat ylikyllästyneitä, laiteparametreja muuttamalla yritettiin parantaa yhdisteiden erottumista. Elektrolyyttiliuosten optimointi oli suoritettu jo aikaisemmassa toimeksiannossa (Posiva Oy:n työraportti 99-34), jolloin päädyttiin taulukossa 2 esitettyihin puskuriliuoksiin. Optimoitavia laitepararnetreja olivat injektioaika ja -tapa, kapillaarin pituus ja sisähalkaisija, kapillaarin sisäpinnan modifiointi pinnoittamalla sekä erotusjännite ja - virta. Kapillaarin pituutta ei ollut enää mahdollista kasvattaa muodostuvan Joulelämmön johdosta, mikä heikensi erotustehoa.

9 Erotuksen parantumisen indikaattorina oli anioneissa bromidin ja kloridin välisen resoluution parantuminen ja kationeista kalsiumin, natriumin ja magnesiumin välisen resoluution parantuminen. Optimointia varten tehtiin anioneista malliliuoksia Milli-Q-veteen, joissa bromidin ja kloridin konsentraatioiden suhde vaihteli 0,0053-0,0083. Posiva Oy:lta ennen joulukuuta 1999 saaduissa näytteissä Br/Cl-suhde oli 0,0083, kun sol-:n konsentratio oli< 200 mg/1. Lisäksi optimoinnissa on käytetty Allard ja OL-SO-vesiä mallinäytteinä. Taulukossa 7 on esitetty malliliuosten valmistus. Allard-veden koostumus on esitetty taulukossa 3 ja OL-SO-veden valmistus Posivan raportissa 99-34 liitteessä 1. Tau lkk u o 7. Latteparametnopt1mo1ntnn valmistetut an1on1näytteet. Perussuola Valmistaja Punnittu Vtot Anionisuolaa, määrä [ml] konsentraatio rml!l [mg/1] CaCh Merck, p.a. 1565,9 10 100 000 [Cr] (M=110,99 g/mol) NaBr J.T.Baker 12,9 10 1000 [Br-] (M=102,907 g/mol) Taulukkoon 8 on kerätty optimointiin käytetyt parametrit anionien CE-erotuksessa ja taulukkoon 9 kationien vastaavat parametrit. OL-SO-referenssivesi mallinäytteenä osoitti ongelmia bromidin ja kloridin samoin kuin kloridin ja sulfaatin erottumisien välillä. OL-SO-referenssivedessä tuli kloridipiikin jälkeen kaksi pienempaa piikkiä, joista kumpikaan ei ollut sulfaatti. Elektroferogrammeista nähdään myös toinen, muita suurempi piikki. Tämä toiseksi suurin piikki tulee sekä referenssivesissä että kloridistandardilla, jonka konsentraatio on suuri. Syynä voi olla kloridin jakautuminen kahdeksi piikiksi, koska reagenssissa saattaa olla suuri määrä kloridia myös epäpuhtautena Cl04--anionina, jolloin perkloraatti migratoituu myöhemmin kuin kloridi. Näiden kahden piikin suurimman piikin pintaalojen suhteet ovat noin 4:1. Kuvassa 1 on esitetty esimerkkielektroferogrammi OL-SOreferenssiveden analysoinnista.

10 0.00 Migr;jtion Tim~ Art~ OL-SO 0.001 0.00.000 A u A u 0.001,... Q) 0.001,... Q) 10 0.002 0.003 Minutt~ 32.5 Kuva 1. OL-SO-referenssiveden elektroferogrammi. Ajo-olosuhteet: U 20 kv, t 90 min, paineinjektio 3,44 kpa, t 1 s, kapillaari 100/107 cm (LdetiLtot), sisähalkaisija 50 )lm, detektioaallonpituus 254 nm. Vähäsuolaisempien vesien analysoinnissa ei ilmene ongelmia anionien erotuksen suhteen. Näytteen pienemmät määrät saadaan näkyviin injektoimalla näytettä suurempi määrä kapillaariin eli lisäämällä injektioaikaa. Suolaisten vesien kationianalyysit tehtiin anionianalyysien kaltaisesti yrittäen parantaa erotus ta laiteparametrej a optimoimalla. Kapillaarina käytettiin edelleen päällystämätöntä silikakapillaaria pituudeltaan 100/107 cm (LdetiL 101 ), jonka sisähalkaisija on 50 )lm. Kaikki näytteet olivat laimentamattomia jokaisessa kokeessa. Näytteinä käytettiin makeaa referenssivettä, OL-SO-referenssivettä sekä Posiva Oy:n lähettämiä näytteitä RO-KR9 217-225 mja HH-KR4 883-891 m. Taulukkoon 9 on koottu kationien CE-erotuksessa testattuja laiteparametrikombinaatioita. Kationien menetelmäkehityksessä parhaimmaksi havaittiin menetelmä, missä injektio tehdään paineelia lisättynä injektion jälkeisellä 2 minuutin odotusjaksolla ennen jännitteen (20 kv) kytkemistä.

Taulukko 8. Anionien lisäoptimointiin käytetyt laiteparametrit. Jännite (U) [kv] tai Ajoaika, Kapillaari Injektiotapa (paine, P /jännite, U virta (1) [J.1A] t [min] (LdetiLtot) [kv]) ja -aika (t, [s]) [cm] U 20 60 1001107 P, t 10 t 15,4 90 1001107 P,t10 u 20 60 1001107 u 5, t 10 15,4 90 1001107 U5,t10 U 10 90 1001107 P, t 5 13 90 1001107 P, t 5 u 10 90 1001107 u 5, t 5 13 90 100/107 u 5, t 5 u 2 90 30/37 u 3, t 1 u 2 90 30/37 u 3, t 5 4 90 30/37 1, t 2 u 5 90 30/37 u 3, t 1 5 90 30/37 3, t 5 u 2 30 30/37 u 1, t 1 2 30 30/37 1, t 5 u 1 60 30/37 u 1, t 2 UI 60 30/37 U1,tl u 1 60 30/37 u 3, t 5 U 0,5 90 30/37 P, t 5 U 0,5, t 90 + U 10, t 10 100 30/37 P, t 5 U0,5,t90+U8,t10 100 30/37 P,t5 U 0,5, t 30 + U 5, t 20 50 30/37 P, t 5 U 5 90 1201127 P, t 5 u 5 90 1201127 u 3, t 5 u 10 90 1201127 u 3, t 5 U 10 90 120/127 P, t 5 U 20 90 1001107 P, t 10 U 10 90 1001107 P, t 10 u 10 90 100/107 u 2, t 10 u 20 90 1001107 u 2, t 10 U 20 90 100/107 P, t 10 U 20 60 ecap < P, t 10 U 10 90 ecap P, t 2 U 10 90 ecap P, t 5 U 10 90 ecap P, t 10 U 10 90 ecap P, t 20 U 5 60 ecap P, t 2 U 5 60 ecap P, t 5 U 5 60 ecap P, t 10 U 5 60 ecap P, t 20 U 5 120 ecap P, t 5 U 5 120 ecap P, t 10 U 5 120 ecap P, t 20 U 3 40 ecap P, t 3 U 5 60 ecap P, t 3 U 3, t 32 + U 0,5, t 2 + U 3, t 10 44 ecap P, t 3 U20,t10+U0,5,tlO+U20,t20 40 1001107 P,tl U 20 35 100/107 P, t 1 + 2 min. analyysin pysäytys U 20 35 100/107 P, t 10 + 2 min. analyysin pysäytys U 20 35 100/107 P, t 15 + 2 min. analyysin pysäytys U 20 35 100/107 P, t 20 + 2 min. analyysin pysäytys u 20 35 1001107 1 1, t 1 u 20 35 1001107 1 1, t 15 U20 35 1001107 11,t20.. Laitteessa injektointi tapahtui vakiopaineelia 0,5 psi (3,447 kpa) **Beckman NH2-päällystetty kapillaari, 50/57 cm (LctetiLtot) 11

12 Taulukko 9. Kationien erotuksen lisäoptimointiin käytetyt parametrit. Jännite (U) [kv] tai Ajoaika, Kapillaari lnjektiotapa (paine, P /jännite, U virta (1) [J.LA] t (LdetiLtot) [kv]) U20 u 20, t 10 + u 0,5, t 5 + u 20, t 15 u 20, t 10 + u 0,5, t 10 + u 20, t 10 U20 U5 [min] [cm] ja -aika (t, [s]) 60 100/107 p 30 1001107 P, t 1 30 100/107 P, t 1 30 100/1 07 P, t 1 + 2 min. analyysin pysäytys 60 1001107 u 1 2.9 Beckman MDQ-kapillaarielektroforeesilaite anionien ja kationien erotuksen optimoinnissa Anionien erotuksen optimointiin käytettiin myös Beckman MDQ-laitetta, jota käyttäen on enemmän mahdollisuuksia optimoida laiteparametrejä. Taulukoissa 10 (anionien määritys) ja 11 (kationien määritys) on esitetty MDQ-laitteen laiteparametrikombinaatiot. Mallinäytteinä käytettiin referenssivesiä ja Milli-Q-veteen valmistettuja VTT:n referenssinäytteitä, joissa Br/Cl-suhde oli joko 0,0083 tai 0,0053. Laitteella pyrittiin selvittämään valittua puskuria käyttäen, onko ilman kemiallista muutosta puskuriin mahdollisuutta erottaa toisistaan lähes saman elektroforeettisen liikkuvuuden omaavat Bf- ja Cr-ionit. Toisin kuin Beckman PlACE-laitteessa, missä injektointi tapahtuu 0,5 psi:n (3,447 kpa) vakiopaineella, tässä laitteessa on mahdollista muuttaa injektiopainetta. Työssä haluttiin analysoida suolaisia vesiä, joten käytännössä haluttiin käyttää mahdollisimman pientä injektiopainetta ja lyhyttä injektioaikaa, jotta näytettä menisi kapillaariin niin vähän kuin toistettavasti on mahdollista injektoida. Taulukko 10. Laiteparametrit MDQ-laitteella tehdyissä anionien erotuskokeiluissa. Jännite, U [kv] tai virta, 1 [J.LA] Ajoaika, t Kapillaari lnjektiotapa (paine, P [psi] ) [ min] ([LdetiLtot) ja -aika ( t, [ s]) [cm] U20 32 1001110 P0,1(,t1 + analyysin pysäytys 2 min. 35 1001110 P0,1,t1 67 1001110 p 0,1' t 1 U20 U 20, t 5, käänteinen polariteetti + U 20, t 2, suora polariteetti + U 20, t 60, käänteinen polariteetti U20 U20 U20 (* 0, 1 psi = 0,689 kpa 70 70 37 100/110 1001110 1001110 P 0,1, t 1 + analyysin pysäytys 2 min. P0,1,t1 P 0,1, t 3 + analyysin pysäytys 2 min. Myös kationien menetelmäkehitykseen käytettiin Beckmanin MDQ-laitetta Mallinäytteinä kationien erotuksessa käytettiin suolaisia referenssivesiä OL-SO ja OL Brine. Taulukossa 11 on esitelty testeihin käytettyjen menetelmien laiteparametrit.

13 Taulukko 11. Laiteparametrit MDQ-laitteella tehdyissä kationien erotuskokeiluissa. Jännite, U, [kv] Ajoaika,t [min] Kapillaari Injektiotapa (paine, P [psi] ) ([LdetiLtot) ja -aika (t, [s]) [cm] 100/110 P 0,1 (,t 1 +analyysin pysäytys 2 min. 1001110 p 0,1' t 1 u 20 30 u 20 30 (* 0,1 psi =0.689 kpa Molemmissa menetelmissä kapillaaria huuhdeltiin Milli-Q-vedellä ja kationipuskuriliuoksella, 5 minuuttia kummallakin, ennen injektiota ja analyyttien erottamista. 2.10 Laserindusoitu fluoresenssi Anionien kapillaarielektroforeettisessa analyysissä kokeiltiin myös laserindusoitua fluoresenssia (LIF) anionien detektoinnissa. Tavoitteena oli kokeilla, saadaanko detektorilla lisäherkkyyttä bromidin määrittämiseksi, kun kloridin konsentraation liuoksessa on suuri. Lisäksi haluttiin selvittää, näkyykö UV -detektorilla toisinaan alle toteamisrajan Jaava fluoridi. Tavoitteena oli edelleen käyttää samoja elektrolyyttiliuoksia (taulukko 2) kuin aiemmassa Posivan toimeksiannossa. 2.10.1 Fluoresenssin teoria Luminesenssi on valon emittoitumista molekyylistä, joka on virittyneessä tilassa. Tällä tarkoitetaan, että molekyyli on saanut energiaa ulkopuolisesta lähteestä ja siirtynyt perustilasta virittyneeseen tilaan. Molekyylin virittämiseen voidaan käyttää esimerkiksi valoa (fotoluminesenssi), kemiallista reaktiota (kemiluminesenssi) tai biologisia organismeja (bioluminesenssi). Fluoresenssi on luminesenssin erikoistapaus, missä molekyylin virittäminen tapahtuu valolla eli molekyyli absorboi valoenergiaa, jonka aallonpituus vastaa molekyylin UV -absorptiospektriä ja relaksaatio sekä valon emittoituminen tapahtuu hyvin nopeasti virityksen jälkeen (kuva 2). Liuoksissa molekyylin relaksaatiossa fotonien em1ss1o tapahtuu pidemmällä aallonpituudella eli vähemmällä energialla kuin virittäminen, koska liuoksissa molekyyli menettää energiaa törmäysten, lämmön ja sironnan kautta.

14 The Fluorescence Process S2 2nd Exdted Slnglel Sl 1st Exdted Sfnglet 1 1 1 1 1 1 1 so...,..&.&...,.._..~.,..,~~.. Ground State.AbsorpUon _Auoreecence _ Colll.&onal Oe c:dvadon _Phosphorescence n Lowest Triplet State Kuva 2. Kaaviokuva fluoresenssiprosessista (Beckman Instruments Inc., PlACE LIF Service Manual, p.1-4). 2.1 0.2 LIF -detektori Beckman PlACE 5000-laitteeseen oli mahdollista kytkeä kaupallisesti saatava Beckman LIF-detektori, jonka laitetiedot on tarkemmin esitetty taulukossa 12. Kaaviokuva laitteen optiikasta on esitetty kuvassa 3. Taulukko 12. Beckmanin LIF-detektorin spesifikaatio. Malli 220 V PlACE 5000 colors, PN 727621 Laser Argon-ioni viritysaallopituus: 488 nm emissioaallopituus: 520 nm teho: 3 mw Dynaaminen alue ~10 4 Vaihteluväli 0-1000 suhteellista fluoresenssiyksikköä (RFU)(* Herkkyys 5 * 1 o- 11 M fluoreskeiinia natriumsuolana, kun signaali/kohina -suhde ~ 10 Pohjaviivan kohina 0,005 RFU (* RFU = Relative Fluorescence Units

15 tube detector. 488NM UGHT ELUPSOIDAL t.airror 1 II 1 1 11 1 LOW EXCITATION 1 1 1 1 UGHT SENSOR ~~~ 1 488 NM 1 1 1 1 NOTCH FILTER 1 1 1 1 0 PWT :::::::: [J=: ::::::::::::: :: i i ---- ------------ - ------------ 620 Nt.A BANDPASS FIL TER '**~~PROBE 1 II AUGNER 1 II -- 488 Nt.A LIGHT ----- 520 NM LIGHT Kuva 3. Kaaviokuva LIF-detektorin optiikasta (PlACE LIF Service Manual, p.l-5). 2.10.3 LIF-detektorin käyttö anionien CE-analytiikassa CE-LIF:iä käytettiin anionien erotuksen menetelmäkehityksessä. Laitteistolla haluttiin testata, vaikuttaako detektointitavan vaihto ionien havaitsemiseen positiivisesti. Malliyhdisteinä käytettiin Milli-Q-veteen valmistettuja Br/Cl-seoksia, joissa bromidin ja kloridin konsentraatioiden suhde vaihtelee 0,0053-0,0083. Ennen kapillaarielektroforeettisten ajojen suorittamista LIF-detektori kalibroitiin valmistajan ohjeiden mukaan käyttäen Beckman-Coulterin omia kalibrointiliuoksia (taulukko 13). Taulukko 13. LIF -detektorin kalibroimiseen käytetyt liuokset. Tuote 1 Koostumus LIF-testiseos (tuotenumero P/N 726022) 1 *10-7 M fluoreskeiini natriumsuolana vesiliuoksessa Ajopuskuri (P/N 338426) Regenerointiliuos (P/N 338424) 100 mm natriumboraatti ph 8,3 5 100mMNaOH Testinäytteenä käytettiin makeaa referenssivettä sekä sulfaatti-ionin n.1 000 mg/1 pitoista Milli-Q-veteen kantaliuoksesta laimentamalla tehtyä liuosta, joista ajettiin 1-4 toistoajoa taulukossa 14 mainittuja puskuriliuoksia käyttäen ja taulukon 15 ilmoitetuilla laiteparametrikombinaatioilla. CE-LIF-analyyseissä käytetyt puskuriliuokset on lueteltu taulukossa 14. Elektrolyyttiliuosten valmistuksen lähtökohtana käytettiin kaupallista pyromellitiinipuskuria ("Buffer solution ph 7.7 for HPCE", BioChemica 82619, Fluka Chemie AG, Buchs, Sveitsi). Vaikka toimeksiannossa ei sallittu puskuriliuoksen muuttamista, haluttiin CE-LIF-menetelmäkehityksessä kokeilla myös

16 pyromellitiinihappopuskurin laimentamisen Ja fluoreskeiinilisäyksen vaikutusta anionien erottumiseen. Taulukko 14. CE-LIF -analyyseissä käytetyt puskuriliuokset. Pyromellitiinihappopuskuri, ph 7, 7 Pyromellitiinihappopuskuri, laimennettu Milli -Q-vedellä suhteessa 111 00 Pyromellitiinihappopuskuri, laimennettu Milli-Q-vedellä suhteessa 1110 Pyromellitiinihappopuskuri +50 J.ll 1o- 5 M fluoreskeiinia, jonka ph oli> 10 (säädetty 0,1 M NaOH:lla). Kokonaistilavuus oli 4200 J.ll. Fluoreskeiini, 1 o- 5 M vesiliuos, jonka ph> 10 Fluoreskeiini, 1 o- 7 M vesiliuos + 100 mm NaCl Taulukko 15. CE-LIF-laitteessa optimointiin käytettyjä parametreja. Jännite (U) [kv] tai Ajoaika, t KapUlaari lnjektiotapa (paine, P /jännite, virta (1) [J.LA] [min] (LdetiLtot), [cm] U [kv]) ja -aika (t, [s]) U 30 140 100/107 P, t 20 U 25 100 100/107 P, t 20 U 25 120 1001107 P, t 20 2.11 Suolaisten pohjavesinäytteiden CE-määritykset Posiva Oy toimitti kuusi syvien kairanreikien pohjavesinäytettä joulukuun 1999 ja kesäkuun 2000 välisenä aikana. Näistä kolme näytettä oli Olkiluodosta ja kolme Hästholmenista. Taulukossa 16 on esitetty raporttiin sisällytettyjen näytteiden näytteenottopaikat ja -syvyydet. Lisäksi Posiva ilmoitti näytteiden kenttäolosuhteissa mitatut arvot happipitoisuudesta, ph:sta, sähkönjohtavuudesta ja redox-potentiaalista, jotka on koottu taulukkoon 17. Pohjavesinäytteet analysoitiin 2-3 rinnakkaisnäytteellä, joista tehtiin 1-3 toistoajoa. Taulukko 16 Pohjavesinäytteet, joille tehtiin an1on1en Ja kationien kvantitatiiviset maancyj... 't k se. t Näyte Kuvaus N99-393-02 Olkiluoto OL-KR11, syvyys 277-280 m, 29.12.1999 Anionit: suodatettu 0,45 IJ.m Kationit: suodatettu 0,45 f..!id, kestävöity HN0 3 :lla T00-70-02 Olkiluoto OL-KR11, syvyys 621-629 m, 28.2.2000 Anionit: suodatettu 0,45 IJ.m, Kationit: suodatettu 0,45 IJ.ffi, kestävöity HN0 3 :lla T00-0089-02 Hästholmen HH-KR9, syvyys 705-713 m Anionit: 21.3.2000, suodatettu 0,45 IJ.m Kationit: 22.3.2000, suodatettu 0,45 IJ.ffi, kestävöity HN0 3 :lla T00-0 120-02 Hästholmen HH-KR9, syvyys 479-487 m, 2.5.2000 Anionit: suodatettu 0,45 IJ.ffi Kationit: suodatettu 0,45 IJ.ffi, kestävöity HN0 3 :lla T00-0 135-02 Olkiluoto OL-KR11, syvyys 415-423 m, Anionit: 9.5.2000, suodatettu 0,45 IJ.ffi Kationit: 10.5.2000, suodatettu 0,45 IJ.m, kestävöity HN0 3 :lla T00-151-02 Hästholmen HH-KR9, syvyys 81-83 m, 5.6.2000 Anionit: suodatettu 0,45 IJ.m Kationit: suodatettu 0,45 IJ.ffi, kestävöity HN0 3 :lla

17 Taulukko 17. Pohjavesinäytteiden kenttäolosuhteissa mitatut parametrit. Lukemat on listattu siten, kuin ne on ilmoitettu VTT:lle. Näyte Vesinäytteistä kenttäolsouhteissa mitattu.ia parametreja N99-393-02 Happi -0,05 ppb Olkiluoto OL-KR11, 277-280 m, 29.12.1999 ph 8,63 (kannettava 8,4) sähkönjohtavuus 914 ms/m emv-504mv T00-70-02 ph n. 8-8,1 Olkiluoto OL-KR11, 621-629 m, 28.2.2000 sähkönjohtavuus n. 1100 ms/m emv n. -200 mv T00-0089-02 Happi 0,006 ppb Hästholmen HH-KR9, 705-713 m, 21.3.2000 sähkönjohtavuus 2930 ms/m emv--440 mv T00-0 120-02 Happi n. 0 ppb Hästholmen HH-KR9, 479-487m, 2.5.2000 sähkönjohtavuus n. 790 ms/m emv n. -330 mv T00-0 135-02 Happi n. 0 ppb Olkiluoto OL-KR11, 415-423m, 9.5.2000 ph n. 8,40 sähkönjohtavuus n. 1120 ms/m emv n. -300 mv T00-151-02 Happi n. -0,04 ppb Hästholmen HH-KR9, 81-83 m, 5.6.2000 ph n. 8,62 emv n. -330m V 2.12 Kvantitatiivisten tulosten laskeminen Elektroferogrammipiikkien pinta-alat integroitiin Beckman P/ ACE 5000-sarjan laitteen automaattisella ohjelmalla, ja niistä laskettiin pinta-aloja vastaavat konsentraatiot kvantitointiohjelmalla. Piikkien alat ja vastaavat konsentraatiot taulukoitiin Exceltiedostoon (Microsoft Excel 97), jolla laskettiin suoran yhtälö ja korrelaatiokerroin. 2.13 Pohjavesinäytteiden pitoisuuksien luotettavuuden referenssimetodi Kolmesta näytteestä tehtiin myös vertailun vuoksi laimentaminen, jotta saataisiin määritettyä myös ne ionit, joiden signaali ei erotu hyvin laimentamattomien näytteiden elektroferogrammeissa. Kaikille näytteille tehtiin aluksi, sekä anioneille että kationeille, kaksi rinnakkaista kapillaarielektroforeettista analyysia taulukon 6 mukaisella menetelmällä, jolla saatiin yleiskuva näytteen ioniprofiilista ja jonka antamien integrointitulosten avulla päätettiin näytteen laimentamistarpeesta. Näytteet laimennettiin Milli-Q-vedellä CE-erotuksen kannalta sopivaan pitoisuuteen. Laimennuksen tarve määräytyi ionivyöhykkeiden erotlumisen mukaan. Laimennetut näytteet ajettiin taulukossa 6 kuvatulla menetelmällä. Kaikista näytteistä (ionistandardit ja laimennetut näytteet) valmistettiin kaksi rinnakkaisnäytettä, joista kummastakin injektoitiin kerran.

18 2.13.1 Suolaisten näytteiden profiiliajot Sekä anionien että kationien määrittämiseksi näytteistä ajettiin ensimmäisenä yksi kapillaarielektroforeettinen ajo taulukon 6 mukaisilla metodeilla, jotta saatiin yleiskuva. Näytteiden ioniprofiilien ja elektroferogrammien integrointitulosten avulla päätettiin näytteiden laimentamistarpeesta. Kuvissa 4-11 on esitetty anioni- ja kationistandardien mallielektroferogrammit, OL-SO-referenssiveden anioni- ja kationielektroferogrammit sekä kaikkien tässä toimeksiannossa kvantitoitujen pohjavesinäytteiden eli laimentamattomien anioni- ja kationinäytteiden elektroferogrammit. Numeroimattomia piikkejä ei ole identifioitu. -o.ooooo~--tim_ :_1s_.67_o _Mi _ t _ _Am, p: -_o.o_oo_27s_a_u 0 _ 00004 Migr::.tionTirnt 0.00008-0.00012-2 ~3 0.00016-1 r- r- ~ 00 ~ 0.00020. "! 0) 00... u 0.00024-0.00028-4 5 6 0.00008-0.00012-0.00016-0.00020... u ~~::::: J 8 ~. 9 10 0.00032- -0.00032-0.00036-0.00040. -0.00040 10 15 Minutt!= Kuva 4. Ionistandardiseoksen mallielektroferogrammit, anionien vasemmalla ja kationien oikealla. Piikit: (1) cr, (2) sol-, (3) N02-, (4) N03-, (5) F-, (6) HPol-, (7) K+, (8) Ca 2 +, (9) Na+ ja (10) Mg 2 +.

19 Referenssivesi OL-SO Kuva 5. OL-SO-referenssiveden mallielektrofero~rammit, anionien vasemmalla ja kationien oikealla. Piikit: (1) cr, (2) sol-,(8) Ca +,(9) Na+ ja (10) Mg 2 +. c:~\a.::.~i-1\0iiowd\~i-qania A:"'IIONI"f OL-KRJ 1, SYV\'\'S 177.180,. -------------- --------------, A u A u.,.. -,6.6 1..0 16.6 Kuva 6. Laimentamattoman pohjavesinäytteen OL-KR11 (syvyys 277-280 m) anioninäytteen (vasen) ja kationinäytteen (oikea) elektroferogrammit. Piikit: (1) Cr, (2) soi-, (8) Ca 2 +, (9) Na+ ja (10) Mg 2 +.

20 Ol.riUUJ,S\\'\'YS621-629m A u A u Kuva 7. Laimentamattoman pohjavesinäytteen OL-KR11 (syvyys 621-629 m) anioninäytteen (vasen) ja kationinäytteen (oikea) elektroferogrammit. Piikit: (1) cr, (2) SO/-, (8) Ca 2 +, (9) Na +ja (1 0) Mg 2 +.,. - HH-KR9,1)"l')')'57115-71JRI c;\pam\gc*i~ufl._,.. JilrZ-craw..A A.'\IONIT c:\poc.\d!jio\pcwwcll2\,.,...~...\lltl-cr.:.m..a KATIONIT.. - Kuva 8. Laimentamattoman pohjavesinäytteen HH-KR9 (syvyys 705-713 m) anioninäytteen (vasen) ja kationinäytteen (oikea) elektroferogrammit. Piikit: (1) cr, (8) Ca 2 +, (9) Na+ ja (10) Mg 2 +.

21 HH-KR9, SYVYYS 479-487 m 10 J Kuva 9. Laimentamattoman pohjavesinäytteen HH-KR9 (syvyys 479-487 m) anioninäytteen (vasen) ja kationinäytteen (oikea) elektroferogrammit. Piikit: (1) Cr, (2) sol-, (8) Ca 2 +, (9) Na+ ja (10) Mg 2 +. OL-KRli,S\"\'\\'S.IJ5-tlJ c:\pelee\dc*:l\tau\oaaj\011010&-0aoniia A~IO~IT c:"*-\dalll'otlai\oditd\od!if-aa-ia KATIONIT Kuva 10. Laimentamattoman pohjavesinäytteen OL-KR11 (syvyys 415-423 m) anioninäytteen (vasen) ja kationinäytteen (oikea) elektroferogrammit. Piikit: (1) cr, (2) sol-, (8) Ca 2 +, (9) Na+ ja (10) Mg 2 +.

22 ).000 Migntion Timo Migntion Timo 1 9 ).0001 (') 1'- ID (] ).000... 2 (') 1'- ).0001 ID 1'-... 0 <:t 8 1'- 0.! (] ).000 (\1 C! (\1 (]... 0.0001 10 ).000 (') 1'- ~ 00... 17.5 20.0 22.5 25.0 15.0 17.5 20.0 22.5 Minutoo Minutoo Anionit HH-KR9, syvyys 8l-83m Kationit HH-KR9, syvyys 81-83 m Kuva 11. Laimentamattoman pohjavesinäytteen HH-KR9 (syvyys 81-83 m) anioninäytteen (vasen)jakationinäytteen (oikea) elektroferogrammit. Piikit: (1) cr, (2) sol-, (8) Ca 2 +, (9) Na+ ja (10) Mg 2 +. 2.13.2 Suolaisten pohjavesinäytteiden laimentaminen Profiilien ja elektroferogrammin piikkien integrointitulosten perusteella päädyttiin taulukossa 18 esitettyjen näytteiden kohdalla laimentamaan anioninäytevettä Milli-Qvedellä suhteessa 1125 kloridin kvantitoimiseksi ja kationinäytevettä suhteessa 115 kalsiumin, natriumin ja magnesiumin kvantitoimiseksi. Laimennetuista näytteistä tehtiin kaksi rinnakkaista määritystä 2 sekunnin injektiota käyttäen. Taulukko 18. Kuvaus kolmesta pohjavesinäytteestä määritetyistä ioneista ja näytteiden 1 a1mennus. t arpees t a. Näyte Kuvaus Laimennus analysoitava ioni T00-0089-02 Hästholmen HH-KR9, syvyys 705-713 m, 1 125 cr 21.3.2000 (anionit), 1 15 c a +,Na, + 22.3.2000 (kationit), suodatettu 0,45 )..lm Mg2+ T00-0 120-02 Hästholmen HH-KR9, syvyys 479-487 m, 1 125 cr 2.5.2000, suodatettu 0,45 )..lm 1 15 c a +,Na + T00-0 135-02 Olkiluoto OL-KR11, syvyys 415-423 m, 1 125 cr 9.5.2000 (anionit) 1 15 c a +,Na + 10.5.2000 (kationit), suodatettu 0,45 )..lm

23 2.13.3 Anionien kvantitointiin tarvittavat referenssinäytteet Anionireferenssivedestä tehtiin kloridin, sulfaatin ja fluoridin suhteen laimennussarja laimentamalla taulukossa 4 esitetyn mukaista anionien perusliuosta Milli-Q-vedellä. K vantitointiin käytetyt anionireferenssivesien on esitetty taulukossa 19. Taulukko 19. Kloridin ja sulfaatin eri konsentraatiotasoja sisältävä referenssivesien laimennussarj a. Pitoisuustaso 1 Kloridi (Cf) [mg/1] 1 Sulfaatti (SO/) [ mg/1] 1 2 3 4 5 6 10 20 40 60 80 100 11,3 22,3 44,6 66,8 89,2 111,4 Kloridin kalibrointisuoran, missä elektroferogrammista integroidun piikin pinta-ala on pitoisuuden funktiona, yhtäläksi saatiin y = 44,342x - 231,6 ja korrelaatiokertoimeksi R 2 = 0,9907. Sulfaatin yhtälö on puolestaan y = 32,26x- 236,63 ja korrelaatiokerroin 2 R = 0,9875. Pohjavesinäytteiden kloridipitoisuudet saatiin sijoittamalla näytteen elektroferogrammista integroitu anionipiikin pinta-ala edellä mainittuun suoran yhtälöön. 2.13.4 Kationien kvantitointiin tarvittavat referenssinäytteet Kationianalytiikassa referenssiliuos tehtiin 10000 mg/1 kantaliuoksista. Liuos sisälsi kalsiumia 1000 mg/1, natriumia 2000 mg/1 ja magnesiumia 300 mg/1. Tästä liuoksesta puolestaan valmistettiin kvantitointia varten neljä liuosta laimentamalla Milli-Q-vedellä (taulukko 20). Taulukko 20. Kalsiumin, natriumin ja magnesiumin kvantitointiin valmistettu en konsentraatiotaso a sisältävä laimennussar a. 1 700 1400 2 500 1000 3 300 600 4 100 200 Kalsiumin, natriumin ja magnesiumin kvantitoimiseen tarvittavien kalibrointisuorien yhtälöt on esitetty taulukossa 21. Taulukko 21. Kationien kalibraatiosuorien yhtälöt. Ioni Suoran yhtälö 1 Kalsium y=29,068x+ 1123,8 Natrium y=33,032x-930,8 Magnesium y=60,588x+707,65 1 korrelaatiokerroin (R 2 ) 0,9932 0,9911 0,9934

24 3. TULOKSET 3.1 Lineaarisuus Lineaarisuus tarkoittaa pitoisuusaluetta, jolla mittalaitteen herkkyys on vakio. Ionien kvantitoimiseksi tehtiin standardeille lineaarisuussuorat. Suorien laskemiseksi laimentamattomien kairausvesinäytteiden profiiliajojen elektroferogrammipiikit integroitiin. Kun tiedettiin kuuden pisteen kalibraation avulla määritetyt standardivesien ionien vasteet eri konsentraatiotasoilla, voitiin valita näytteen ionien kvantitoimiseksi kalibrointiin sopivat pitoisuusalueet Vesinäytteissä ionien, sekä anionien että kationien pitoisuudet vaihtelivat näytteestä toiseen, joten jokaiselle ionille määritetty yhden suuren pitoisuusalueen kattava kalibrointi käytettynä kaikille vesinäytteille ei anna luotettavaa kvantitatiivista tulosta näytteen kyseiselle ionille. Lisäksi vesinäytteet toimitettiin pitkän ajanjakson aikana, joten jokaista näytettä varten tehtiin omat tuoreet standardivesinäytteet kalibrointiin. Laimentamattomista anioninäytteistä kyettiin määrittämään vain kloridi sekä osin sulfaatti normaalilla 2 sekunnin injektiolla. Laimentamattomien näytteiden CE-ajojen perusteella todettiin fosfaatin pitoisuuden olevan alle toteamisrajan pitoisuuden, joten sitä ei määritetty laimentamattomista näytteistä. Fluoridin pitoisuus saatiin määritetyksi kahdesta pohjavesinäytteestä (HH-KR9, 479-487m ja HH-KR9, 81-83m), kun injektointiaikaa pidennettiin 20 sekuntiin tässä toimeksiannossa lisäoptimoidun menetelmän pysyessä muilta osin muuttumattomana. pidempää injektioaikaa voitiin käyttää fluoridille, koska tämän anionin migraatioikkunassa ei näkynyt muiden ionien signaaleja, joten ylikyllästymisvaaraa ja siitä johtuvaa signaalin heikentymistä ei tässä tapauksessa ollut. Laimentamattomista kationinäytteistä saatiin kvantitoiduksi kalsium, natrium ja magnesium, mutta ei kyetty määrittämään ammoniumia ja kaliumia, joiden pitoisuudet jäivät alle toteamisrajan. Taulukoihin 22 ja 23 on yhteenvetona koottu anionien ja kationien kvantitoimiseen kullekin yksittäiselle näytteelle sen analyysin yhteydessä määritetyt lineaarisuussuorat, korrelaatiokertoimet ja pohjavesinäyte, jossa ko. lineaarisuutta on käytetty. Fluoridin lineaarisuussuoraa määritettäessä käytettiin 20 sekunnin injektiota, kun muiden anionien kohdalla käytettiin 2 sekunnin injektiota. Hästholmenin ja Olkiluodon maaliskuun ja toukokuun näytteitä käsiteltiin yhtäaikaa (taulukko 18), kun laimennetuista näytteistä määritettiin ionien pitoisuudet. Muut näytteet käsiteltiin laimentamattomina yksittäin eli niille tehtiin omat lineaarisuussuorat.