Anionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla

Työ raportti 9 9-34 nionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla Menetelmän testas ja optimoin~ Tarja Hiissa Heli Siren Pekka Savolahti Tapio Kotiaho Hhtik 1999 POSIV OY Mikonkat 15, FIN-1 HELSINKI, FINLND Tel. +358-9-228 3 Fax +358-9-228 3719

TEKIJÄORGNISTIO VTT Kemiantekniikka PL 141 (Biologinkja 7) 244 VTT TILJ Posiva Oy Mikonkat 15 1 HELSINKI TILUSNUMERO TRJOUSNUMERO 9668/98/MVS KET9831/45 TILJN YHDYSHENKILÖT FK Margit Snellman Posiva Oy KONSULTIN YHDYSHENKILÖT Dosentti, FT Heli Siren R yhmäpäällikkö, FM Pekka Savolahti NIONIEN J KTIONIEN MÄÄRITYS KPILLRIELEKTROFOREESILL Menetelmän testas ja optimointi TEKIJÄT?;f4~ /1;/<7; Tarja Hiissa ttkija Heli Siren vanhempi ttkija TRKSTJ ~?C'c.- _C 4 4 ~ Pekka Savolahti ryhmäpäällikkö

Työraportti 99-34 nionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla Menetelmän testas ja optimointi Tarja Hiissa Heli Siren Pekka Savolahti Tapio Kotiaho Hhtik 1999

Työ r a p o r t t i 9 9-3 4 nionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla Menetelmän testas ja optimointi Tarja Hiissa Heli Siren Pekka Savolahti Tapio Kotiaho VTT Kemiantekniikka Hhtik 1999 Pasivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tlokset ovat alstavia. Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.

3 nionien ja kationien määritys kapillaarielektroforeesilla Menetelmän testas ja optimointi TIIVISTELMÄ Projektissa on validoit laboratorio-oloshteissa kaksi kapillaarielektroforeettista menetelmää, joilla määritettiin epäorgaanisia anioneja ja kationeja lonnonvesistä UV -detektoinnilla. Tämä ttkims liittyi Posiva Oy:n toimeksiantoon, jossa kehitettiin analyyttisiä menetelmiä käytetyn polttoaineen sijoitspaikkojen pohjavesinäytteille. Kapillaarielektroforeesimenetelmässä erotettiin seoksessa olevat yhdisteet toisistaan niiden massa/ionivaras -shteessa ohessa (5 j..lm sisähalkaisija ) 77 cm:n silikakapillaarissa, joka oli täytetty vesipskrilla. Pohjavesinäyte ohjattiin kapillaariin paineen avlla, minkä jälkeen korkea jännite (2 kv) kytkettiin päälle ionien erotksen ajaksi kapillaarielektroforeesilaitteen tietokoneohjaksen avlla. Ionit liikkivat pskrilla täytetyssä kapillaarissa. Yhdisteiden tnnists tapahti käänteis-uv -detektoinnilla. Kapillaarissa oleva vesipskri oli valitt siten, että se absorboi vahvasti aallonpitdella 254 nm. Vesinäytteen ionit näkyvät tätä tastaa vastaan absorboimattomina aleina toisistaan erotten. nionit ja kationit erotettiin kahdella eri menetelmällä, jotta saatiin aikaan nopeat erotkset kllekin yhdisteryhmälle. nionierotksissa käytettiin kapallista pyromellitiinihappoliosta (ph 7,7). nionit migratoitivat järjestyksessä: bromidi, kloridi, slfaatti, nitriitti, nitraatti, floridi ja divetyfosfaatti. nionien määritys persti TEKES:in CCTUS 2-ohjelmassa kehitettyyn nioni-ce-menetelmään, joka kehitettiin on-line -kvantitointia varten epäorgaanisille ioneille niiden määrittämiseksi sell- ja paperitehtaiden märkäpään vesistä. Edelleenkin käynnissä olevassa CCTUS 2-ohjelmassa on-line - kvantitointi soritettiin alksi slfaatille, mtta myöhemmin laajennettiin mm. tämän ttkimksen ioneille ja orgaanisille hapoille. Kationit erotettiin 6-krneetteriä käyttäen ph:ssa 3,6, jolloin kationit määritettiin dissosioitneessa modossa. Ne eivät olleet hydroksideinaan tai mahdollisesti mina komplekseinaan. Kationit migratoitivat järjestyksessä ammonim, kalim, kalsim, natrim ja magnesim. nionien kvantitointi soritettiin käyttäen kllekin ionille kahta pitoissaletta,5-1 mg/1 ja 1-1 mg/1. Kationit määritettiin kolmea konsentraatioaletta käyttäen:,5-7 mg/1, 1-1 mg/1 ja 1-25 mg/1 riippen analyytin määrästä näytteessä. Menetelmien lotettavtta serattiin laboratoriossa valmistetilla referenssivesillä (llard, OL-Brine ja OL-SO), joiden valmistsohjeet saatiin Posiva Oy:sta. Ttkitt pohjavedet kahta lknottamatta laimennettiin phdistetlla vedellä (vesi tislatta ja ioninvaihdetta, johtokyky alle,5 ms/m) näytteissä olleiden srten ionipitoisksien voksi. Ionit, joiden pitoisdet lioksissa olivat pieniä, määritettiin laimentamattomista näytevesistä, jotta ionien signaalit olisivat olleet riittävän sret kvantitointiin (signaali/kohina-shde oltava lkarvoltaan yli 2). nionien ja kationien määritysrajat vaihtelivat,2-,1 mg/1 aleella. nionien ja kationien pitoisdet lienneessa modossa vapaina lioksissa vaihtelivat mtamista milligrammoista litrassa kymmeniin grammoihin litrassa näytteen alkperän mkaan. vainsanat: vesinäytteet, kloridi, slfaatti, nitraatti, nitriitti, bromidi, floridi, kalsim, kalim, natrim, magnesim, kapillaarielektroforeesi, UV -detektointi, kvantitointi, menetelmä- ja systeemivalidointi

5 Determination of nions and Cations by Capillary Electrophoresis Testing and Optimization of the Methods BSTRCT The aim of the project was to validate two separation methods for determination of inorganic anions and cations from natral waters with capillary electrophoresis by sing UV -detection. The research is related to the development of analytical methods for grondwaters sampled within the site investigation programme for spent fel disposed in Finland. The capillary electrophoretic methods were sed for the separations of componds according to their molar mass verss charge ratio by sing a narrow (5 Jlm inner diameter) fsed silica capillary (77 cm length), which was filled with an aqeos electrolyte soltion. The grondwater sample was introdced into the capillary by pressre. The system was kept nder a high applied voltage (2 kv). The ions migrated in the capillary filled with the bffer. The componds were identified with indirect-uv detection by sing the high-absorption of the backgrond electrolyte at 254 nm for detection. The analytes were seen as non-absorbing zones against this absorbing backgrond. The separation methods were developed separately for anions and cations to enable the fast separation ei the charged sample grops. nions were separated in a commercial pyromellitinic acid soltion (ph 7. 7). The anions in the samples were migrated according to the order: bromide, chloride, slphate, nitrite, nitrate, floride and dihydrogen phosphate. The method for the determination of anions was based on the stdies made in the project within TEKES' CCTUS 2 programme, where VTT developed an on-line - qantification system for determination of inorganic ions from waters of plp- and paper indstry. In the CCTUS 2-programme which is still going on, the on-line -qantification was first made with slfate, bt later on it was also enlarged to concem the determination of e.g. organic acids. Cations were separated in a 6-crown ether soltion at ph 3.6, at which ph the cations were determined as dissociated forms. They were not measred as hydroxy or other possible complexes. In cation analyses ammonim was the first to migrate followed by potassim, calcim, sodim and magnesim. The qantification of anions were made by sing two ranges of concentrations:.5-1 mg/1 and 1-1 mg/1. Cations were determined with three concentration ranges:.5-7 mg/1, 1-1 mg/1 and 1-25 mg/1 depending on the amont of the analyte in the sample. The repeatability of the methods and the reliability ofthe qantification were tested with laboratory-made reference sample mixtres (named llard, OL-Brine and OL-SO). The recipes for the standards were obtained from Posiva. The samples except two were dilted with water (e1ectrical condctivity less than.5 ms/m) de to the high concentrations of the samples. When the concentrations of the ions were low, their determination was made from the ndi1ted samples to get signals high enogh for qantification (signal to noise ratio above 2). The limits of qantification for the anions and cations were from.2 to.1 mg/1. Concentrations ofthe free solble anions and the free cations in soltion varied from a few milligrams per litre to tens of grams per litre depending on the origin of the sample. Key words: water samp1es, chloride, slfate, nitrite, nitrate, bromide, floride, calcim, potassim, sodim, magnesim, capillary e1ectrophoresis, UV -detection, qantification, method and system validation

7 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ 3 BSTRCT 5 1. TUST 9 2. KOKEELLINEN OSUUS 11 2.1 Laitteisto 11 2.2 Elektrolyyttiliokset eli vesipskrit 11 2.3 Referenssivedet analyysin serantaan 13 2.4 Standardivedet kvantitointiin 13 2.5 Uden kapinaarin käyttöönotto ja kapillaarin knnosts ajojen välillä 14 2.6 Erotkseen käytetty ohjelma 14 2.7 Näytteet ja niiden käsittely CE-määrityksiin 15 2.8 K vantitatiivisten tlosten laskeminen 18 2.9 Kapillaarielektroforeesityövaiheiden kvas 18 3. TULOKSET 2 3.1 Lineaariss 2 3.2 Kvantitointi 22 4. TULOSTEN TRKSTELU 26 5. JOHTOPÄÄTÖKSET J YHTEENVETO 32 6. VIITTEET 33 7. LIITTEET 34 Liite 1. llard, OL-Brine ja OL-SO vesien valmists 35 Liite 2. Lineaarisssorat anionille 38 Liite 3. Lineaarisssorat kationille 48 Liite 4. Elektroferogrammit anionit 56 Liite 5. Elektroferogrammit kationit 67 Liite 6. Kapillaarielektroforeesipiikin malli 74 Liite 7. Nitriitin määrityksen tarkasts 76 Käytetyt lyhenteet CE kapillaarielektroforeesi CZE kapillaarivyöhyke-elektroforeesi MECC misellinen sähkökineettinen kapillaarikromatografia BGE tastaelektrolyyttilios UV ltravioletti

9 1. TUST Kapillaarielektroforeesi (CE) on menetelmä, jossa näytteen komponentit erotetaan toisistaan vesipohjaista- tai orgaanista elektrolyyttiliosta käyttäen. Erots tapaht tavanomaisemmin kapeassa (25 J.tm-75 Jlm sisähalkaisija) silikakapillaarissa, jonka pits vaihtelee 2-1 cm:n välillä. Tekniikan totettamiseen käytetään kapallisia laitteita, jotka soveltvat mm. lääkeaineiden, biologisten näytteiden ja ympäristönäytteiden määrityksiin. Laitteet toimivat tietokoneohjatsti ja ne on varstett atomaattisilla näytteensyöttöjärjestelmillä. Tässä ttkimksessa kapallinen laite oli Beckman P/ CE 5-sarjan laite, jossa oli UV -ilmaisin ionien tnnistamiseksi. Kapillaarielektroforeesi erottelee pskrilla täytetyssä kapillaarissa korkeaa jännitekenttää (max. 3 kv) käyttäen poolisia ja pooliuomia anionisia, kationisia ja kemiallisia additiiveja sekä myös varaksettornia yhdisteitä niiden massa/varasshteessa. Yleisimmät alitekniikat, joita käytetään, ovat kapillaarivyöhyke-elektroforeesi (CZE, erottelee pelkästään varakselliset yhdisteet) ja misellinen sähkökineettinen kromatografia (MECC, erottelee sekä varakselliset että varaksettomat yhdisteet). Yleisin näistä menetelmistä on kapillaarivyöhyke-elektroforeesi, jota sein tarkoitetaan "kapillaarielektroforeesista" phttaessa. Siinä yhdisteiden erottminen toisistaan perst niiden erilaisiin elektroforeettisiin liikkvksiin kapillaarin päiden välille asetetssa sähkökentässä, jonka voimakks vaihtelee tavallisimmin välillä 2-3 kv. CE-menetelmiä voidaan mnnella molekyyli- tai yhdisteryhmäkohtaisesti elektrolyyttilioksen kemiallisten ja fysikaalisten ominaisksien avlla tai mttamalla laiteparametreja (kapillaarin pits, käytetty jännite, pskrin aihettama virta ja teho, näytteen syöttötekniikka). CE-menetelmän selektiivisyyttä voidaan tehostaa esim. detektorivalinnoilla, sillä valintamahdollisksia ovat soran tai käänteisen UV -valon absorption detektoimiseen perstva ilmaisin, laserindsoit floresenssi-ilmaisin (LIF), johtokykyilmaisin, sähkökemiallinen detektori, massaspektrometri, radioaktiiviss-ilmaisin ja tai tekerroindetektori. Kapillaarielektroforeesilla saadaan yhdisteet erottmaan nopeasti. Hyvä erotstehokks joht siitä, että kapillaarissa pinta-alan shde tilavteen on sri, ja termisistä syistä johtva piikkien leveneminen minimoit. Pyöreässä ptkessa lämpötilaero keskstan ja seinämien välillä on soraan verrannollinen halkaisijan neliöön. Sisähalkaisijan pienentäminen alentaa lämpötilagradienttia homattavasti, mtta ei poista sitä kokonaan. Kapillaarin sisähalkaisijan ollessa niin pieni, että molekyylit voivat diffndoita seita kertoja edestakaisin halkaisijan snnassa klketmisen aikana, niiden esiintyminen tietyssä osassa ptkea mtt satnnaiseksi. Tämä pienentää jäljelle jääneen lämpötilagradientin merkitystä. Kn analyysi soritetaan kapillaarissa, jonka sisähalkaisija on riittävän pieni eikä elektro-osmoottista virtasta tai adsorptiota kapillaarin seinämiin tapahd, näytevyöhykkeiden levenemiseen vaikttaa

1 ainoastaan pitkittäisdiffsio. CE:ssa ei tapahd pyörteisdiffsiota eikä massansiirtoa, toisin kin esim. nestekromatografiassa (HPLC), jossa koionni on pakatt kiinteällä partikkelimassalla. Pienten molekyylien käänteis-uv -absorptioon perstvat kapillaarielektroforeesierotkset ovat toneet mahdollisden tnnistaa erotsprosessissa myös valoa absorboimattomia yhdisteitä. Menetelmä totetetaan teknisesti siten, että tastaelektrolyyttilios (BGE) absorboi seranta-aallonpitdella erittäin vahvasti. Kn näyte injektoidaan kapillaariin ja jännite kytketään päälle, yhdisteiden erottminen alkaa ja näytevyöhykkeet klketvat yksitellen detektorille. Yhdiste nähdään absorboimattomden voksi eli absorptio laskee nollatason alapolelle ja palaa takaisin maksimiinsa vasta, kn näytevyöhyke on ohittant detektorin. Näin tapaht aina, kn si näytevyöhyke saavttaa detektorin. CE-menetelmillä saavtetaan sri resoltio, koska näytevyöhykkeet klkevat sähkökentässä palkkimaisina vöinä. Etna voidaan edelleen pitää pieniä näyte- ja liotinmääriä, jolloin analyysijätteen modostminen jää vähäiseksi. Tämän ttkimksen tavoitteena on kehittää Posivan paikkattkimsten pohjavesikemian töihin soveltva kapillaarielektroforeettinen analyysimenetelmä. Kn seraavissa ttkimsvaiheissa painopiste siirtyy tiiviin kallion ttkimiseen, myös pohjavesikemian analyyseihin tllaan ilmeisesti saamaan vain hyvin pieniä näytemääriä.

11 2. KOKEELLINEN OSUUS 2.1 Laitteisto nionien ja kationien määritykset tehtiin Beckman P/ CE 5 (Beckman Instrments, Fllerton, C, US, maahantoja Ordior Oy, Helsinki) kapillaarielektroforeesilaitteella UV -ilmaisin ta käyttäen. Talkkoon 1 on koottna laiteparametrit ja vastaavasti talkkoon 2 mt oloshteet erotksien aikana. Talkko 1. Laiteparametrit Parametri Dimensiot allonpits 254nm Detektorin mittastaajs 5Hz Detektorin heräteaika 1, s Kapillaarin dimensiot Ldet 7 cm, Ltot 77 cm, 5 ~m sisähalkaisij a, 36 ~m lkohalkaisija Lämpötila 25 C Jännite 2kV Polariteetti +=>- (kationeille) joaika Injektioaika In j ekti opaine -=>+ ( anioneille) 1 (kationit)-2 min (anionit) 1-9 s,5 psi Pnnitkset on tehty Precisa 24 analyysivaa"alla (Teopal, Helsinki). Liosten ph:t ja johtokyvyt on määritetty Denver Model 2 ph/johtokykymittarilla (Denver Instrments, Denver, Colorado, US). Liosten laimennkseen käytetty vesi on Milli-Q sodatetta (,45 ~m), jonka johtokyky on maksimissaan,5 ms/m. ph-yhdistelmäelektrodi on kalibroit käyttäen kapallisia valmispskreita, joiden ph:t ovat 4,, 7, ja 1,. Johtokykymittari kennoineen (kennovakio 1 cm- 1 ) on kalibroit 8,4 ms/m (25 C) johtokyvyn omaavalla standardilioksena (Hanna Instrments ). Liosten pipetointiin käytettiin ladattavia, kertakäyttökärjellisiä ja kalibroitja Biohit Proline pipettejä (Biohit, Helsinki). Pipetit oli kalibroit pnitsemaila Milli-Q-vettä Biohitin kalibrointiohjeiden mkaisesti. 2.2 Elektrolyyttiliokset eli vesipskrit nionierotksiin käytetty lios oli kapallisesti saatavaa Bffer soltion ph 7. 7 for HPCE (BioChemica 82619, Flka Chemie, Bchs, Sveitsi). Pskri valittiin sillä persteella, että ph:ssa 7,7 kaikki anionit olisivat dissosioitneet täydellisesti.

12 Kapallisen pskrin sisältämät sekä kationierotksiin itse valmistetn pskrin yhdisteet on listattna talkossa 2. Yleensä pskrilioksen valintaan vaikttaa erityisesti se, miten pskrikapasiteettia ylläpitävän ionin liikkvs erotkseen käytettävässä sähkökentässä shtet ttkittavien ionien liikkvksiin (kva 1 ). Tarkoits on, että pskri-ioni liikkisi yhtä nopeasti kin eroteltavat yhdisteet keskimäärin (gassaalinen piikki, liite 6; kts. myös liite 7 kva 1). Jos se liikk nopeammin, ionipiikit grammissa ovat etosastaan kolmiomaisia. Jos polestaan pskri-ionit liikkvat hitaammin, ionipiikit ovat takaosastaan kolmiomaisia. Usein pyritään käyttämään pskriseoksia, jolloin vesipskrissa on mkana sekä nopeasti että hitaasti liikkvia pskrikapasiteetin ylläpitäviä ioneja. Pskrikapasiteetilla polestaan tarkoitetaan vesipskrin kykyä pitää pskrin ph tietyllä ph-aleella, vaikka siihen lisätäänkin pieniä määriä näytettä, happoa tai emästä. Yleensä pskrikapasiteettiale rajataan pskriin käytettävän yhdisteen happovakion arvon avlla yhtälön 1 mkaisesti Pskrointiale: alaraja pka-ph ja yläraja pka+ph (1) missä happovakio on pka ja tarkoittaa sellaista lioksen ph:ta, jossa polet yhdisteessä on ionisena (5 %) ja polet ionittomana (5 % ). 1 nalyte anions coo l 1 1 1 9 8 7 6 5 1 UV-absorbing anions t Chromate P~ i t i t BT Phtalate Molybdate Vanadate t Benzoate n 1 nalyte cations Fe Cd 7 6 st Ca Na ~n Collilir Ni Mg Zn ~~ C 3 t 2 1 UV -absorbing cations lmidazole Gramine H1s11dinc = 4-MO i Kva 1. Liikkvksien vertail yleisimmin käytetyille UV -absorboiville elektoforeesilioksille : () anionit ja (B) kationit. kseli kvaa elektroforeettista liikkvtta Jl (1-4 cm 2 Ns) (Fng et al. 1998 ja Fngja La 1998).

13 Talkko 2. Elektrolyyttiliokset erotsten aikana Erotkset nionierots: Elektrolyyttilios Kationierots: Elektrolyyttilios Elektrolyyttiliokset 2,25 mm pyromellitiinihappoa (PM)a) 6,5mMNaOH, 7 5 mm heksametonim hydroksidia 1,6 mm trietanolamiinia ph 7,7 +1-,2 (Flka, Sveitsi) 9 mm pyridiiniä (Merck, p.a.) 12 mm glykolihappoa (Flka, n. 99%) 5 mm 18-crown-6-eetteri (Flka, >97%) ph 3,6 (säätö,1 M HCl:lla) a)ionin liikkvs esitetty kvassa 2 (liikkvs (!..t)::::: 7,3 x 1-4 cm 2 1 Vs). 2.3 Referenssivedet analyysin serantaan Työssä käytettiin eri ionivahvisia referenssivesiä ns. makeaa referenssivettä (llard) sekä kahta solaista referenssivettä (OL-SO ja OL-Brine) analyysimenetelmän oikeellisden tarkistkseen ja kapillaarielektroforeettisen erotksen kontrollointiin. Referenssivedet valmistettiin kapallisista kivasoloista Posiva Oy:n ohjeiden mkaisesti (Vorinen & Snellman 1998). Liosten valmistaminen on esitetty liitteessä 1. 2.4 Standardivedet kvantitointiin nionien kvantitointia varten tehtyjen liosten valmistsreagenssit on esitetty talkossa 3. Kstakin anionista valmistettiin yksi perslios sressa pitoisdessa, josta Milli-Q-vedellä (tislatt ja ioninvaihdett vesi, johtokyky alle,5 ms/m) laimennettiin haltt referenssiliokset kvantitointisoria varten. Talkko 3. nionien persliokset. Perssola Valmistaja... Pnnitt maara Vtot nionikonsentraatio solaa [mg] [ml] [mg/1] NaN2 Flka 71759 145,3 1 1 [N2-] KN3 Merck 163,2 1 1 [N3-] NaCl Riedel-deHaen 99,8 % 164,9 1 1 [Cf] KH2P4 J.T. Baker 14,5 1 1 [H2P4-] NaF Merck 22,9 1 1 [F-] NaBr J.T. Baker 128,9 1 1 [Br-] _ 2 Na2S4 J.T. Baker [7757-82-6] 147,9 1 1 [S4 ]

14 Perslioksista valmistettiin käyttöliokset laimennksia varten seraavasti: a) 1 mg/1; 1 ml persliosta laimennetaan 1 ml:ksi H2:11a ja b) 25 mg/1; 2,5 ml persliosta laimennetaan 1 ml:ksi H2:lla. Kationiliosten valmistsreagenssit on esitetty talkossa 4. Kstakin reagenssista valmistettiin yksi perslios sressa pitoisdessa, josta Milli-Q-vedellä (tislatt ja ioninvaihdett vesi, johtokyky alle,5 ms/m) laimennettiin kvantitointia varten eri konsentraatiotasoja vastaavat liokset. Talkko 4. Kationien persliokset Kationi- Perssola Valmistaja Pnnitt määrä Vtot konsentraatio solaa [mg] [ml] [mg/1] NaCl Riedel-deHaen 99,8% 17 1 429,1 [Na+] KCl Merck p.a 99,8 1 5234 [K+] CaC12 Merck 96% 12 1 3683,5 [Ca 2 +] MgC12 X 6 H2 J.T. Baker 99,6% 1,5 1 121,7 [Mg2+] CH 3 COONH4 Merck p.a. 18,5 1 2539 [NH4+] 2.5 Uden kapulaarin käyttöönotto ja kapulaarin knnosts ajojen välillä Kapillaaria hhdellaan peräjälkeen a) 1 min,1 M NaOH:lla, b) 1 min Milli-Qvedellä ja c) 1 min erotkseen käytetyllä elektrolyyttilioksella ennen käyttöön ottoa. Näytteiden määritysten välillä kapillaaria pestiin,1 M NaOH-lioksella viisi minttia, jotta migraatioajat pysyivät toistettavina. 2.6 Erotkseen käytetty ohjelma nalyysit totetettiin tietokoneohjelmia käyttäen aina samalla tavalla. jo-ohjelmat anioneille ja kationeille on esitetty talkossa 5. Ttkimksessa määritettiin kaikista näytteistä ensin anionit, minkä jälkeen ohjelma vaihdettiin kationimäärityksiä varten. Ennen injektointia kapillaaria hhdeltiin korkeapaineen avlla 3 min erotksessa käyteitäväliä elektrolyyttilioksella. Välittömästi hhteln jälkeen näyte injektoitiin paineelia (3,447 kpa). Yhdisteiden erottaminen tapahti elektrolyyttiä täynnä olevassa kapillaarissa 2 kv:n jännitteessä 1-2 min:ssa, anionien tai kationien määrityksen mkaan.

15 Talkko 5. Beckmanin PlCE 5 laitteen ohjelmat ionien erottamiseksi. () anionien määritys ja (B) kationien määritys. Deckm:an PlCE St:ation- c:\pacc\mcthodsnionl.met Ioiti:al Paramctcrs: Base Initlal Conditlons: Capillary teaperatre: 25.o c Detector Inltial Conditlons: UV detector, 5 Hz:, Relays off Navelenqth: 254 Nll, ttenated Range:.2 U Rhe tiae: 1. aec, Slqnal: Indlrect, Neqatlve offset: \ No to Zero on download Time Program: 1 Tiae Fnction V ale Oratlon Inlet Otlet SWMlary Vhl Vial 1 Rinse 5. lllin 11 1 fwd hlqh 2 Inject - Pressre c Sample ln lnlet vlal. 3. Separate - Voltage 2 J<V 25. ain 14 4.17 ramp time 4.5 to Zero 5 25. End B Dcckman PlCE Station- c:\pacc\mcthods\kationi2.mct loitial Parametcrs: Base Inltial Condltlons: Caplllary teaperatre: 25.o c Oetector Inltial Condltlons: UV detector, 5 Hz:, Relays off Navelenqth: 254 Nll, ttenated Ranqe:.2 U Rise tlae: 1. aec, Slqnal: Indirect, Neqative offset: \ No to Zero on download Time Program: 1 Time Fnction V ale Oration Inlet Otlet SWIIIIIary Vial Vial 1 Rlnse ). mln 12 1 fwd hiqh 2 Inject - Pressre 5 Sample ln inlet vlal. 3 4. Separate -.5 to Zero Voltaqe 2 J<V 15. in 12 5.17 ramp tlme 5 15. End 2.7 Näytteet ja niiden käsittely CE-määrityksiin Näytteet joko laimennettiin välilaimennsta käyttäen sopivaan pitoisteen Milli-Qvedellä tai käytettiin laimentamattomana. Laimennksen tarve määräytyi ionivyöhykkeiden erotettavden mkaan. Talkoissa 6 ja 7 on esitetty pohjavesinäytteiden näytteenottopaikat ja ennen kapillaarielektroforeettisia analyysejä soritett laimennstoimenpiteet. Hyvin solaisten vesien kohdalla laimennsvaihe oli välttämätön vierekkäisten ionivyöhykkeiden erottamiseksi toisistaan. mmonim- määrityksissä laimennsta et käytetty lainkaan, sillä pitoisdet jäivät alle määritysrajojen.

16 Talkko 6. nionien määrityksiin käytetyt vesinäytteet Laimennokset tehty Milli-Qvedellä. Näytteet/ Ttkimsale, kairanreikä ja näytteenottosyvyys sekä Nmero kestävöinti N98-137- Romvaara KR-9, syvyys 217-225 m 2 Pohjavesinäyte 26.9.98/ Sodat.,,45 ~m, IVO/DL Y Laimennos ennen analyysia N98-16- Romvaara KR-11.syvyys 54-545,5 m, Pohjavesinäyte 2 3.6.1998/ Sodat.,,45 ~m, IVO/DL Y N98-117- Hästholmen KR-4, syvyys 883-891 m 2 Pohjavesinäyte 13.5.1998/ Sodat.,,45 ~m 111* N98-129- Hästholmen KR-4, syvyys 412-417 m 2 Pohjavesinäyte 13.5.1998/ Sodat.,45 ~m, IVO/DLY 111* N98-145- Hästholmen KR-4, syvyys 212,5-22,5 m 2 Pohjavesinäyte 2.6.1998/ Sodat.,45 ~m, IVO/DLY 111* N97-4 Hästholmen KR3, syvyys 336-356 m, Pohjavesinäyte, Sodat,45 ~m, IVO/DL Y, kestävöity HN3:1la 111* N97-623 Hästholmen KR1, syvyys 938-948 m, Pohjavesinäyte, Sodat.,,45 ~m, IVO/DLY, kestävöity HN3:1la 111* llard-vesi (VTT:n tekemä) OL-Brine (VTT:n tekemä) OL-SO (VTT:n tekemä) Valmistsohje liitteessä 1. Valmistsohje liitteessä 1. Valmistsohje liitteessä 1. 114** 1/2*** ja 1/4 * = välilaimenns 111, josta edelleen laimenns 111 ** = välilaimenns 111, josta edelleen laimenns 114 *** = välilaimenns 111, josta edelleen laimenns 1/2

17 Talkko 7. Kationien määritykseen käytetyt vesinäytteet laimennksineen. Laimennokset tehty Milli-Q-vedellä. Näytteet/ Ttkimsale, kairanreikä ja näytteenottosyvyys sekä Nmero Kestävöinti N98-137- Romvaara KR-9, syvyys 217-225 m 2 Pohjavesinäyte 26.9.98/Sodat.,45 J..Lm, IVO/DLY Laimennos ennen analyysia N98-16- Romvaara KR-11,syvyys 54-545,5 m, Pohjavesinäyte 2 3.6.1998/ Sodat.,45 j.lm, IVO/DLY N98-117- Hästholmen KR-4, syvyys 883-891 m 2 Pohjavesinäyte 13.5.1998/ Sodat.,45 J..Lm 111* N98-129- Hästholmen KR-4, syvyys 412-417 m 2 Pohjavesinäyte 13.5.1998/ Sodat.,45 J.lm, IVO/DLY 111* N98-145- Hästholmen KR-4, syvyys 212,5-22,5 m 2 Pohjavesinäyte 2.6.1998/ Sodat.,45 j.lm, IVO/DLY 111* N97-4 Hästholmen KR-3, syvyys 336-356 m, Pohjavesinäyte, Sodat,45 J..Lm, IVO/DL Y, kestävöity HN3:lla 111* N97-623 Hästholmen KR-1, syvyys 938-948 m, Pohjavesinäyte, Sodat.,,45 J..Lm, IVO/DLY, kestävöity HN3:lla 111* llardvesi (VTT:n tekemä) OL-Brine (VTT:n tekemä) OL-SO (VTT:n tekemä) Valmistsohje liitteessä 1. Valmistsohje liitteessä 1. Valmistsohje liitteessä 1. 1/2oo** 1!5o*** * = välilaimenns 1/1, josta edelleen laimenns 1/1 ** = välilaimenns 1/1, josta edelleen laimenns 112 *** = välilaimenns 111, josta edelleen laimenns 115

18 2.8 K vantitatiivisten tlosten laskeminen Elektroferogrammipiikkien pinta-alat integroitiin Beckman P/ CE 5 -sarjan laitteen atomaattisella ohjelmalla ja niistä on laskettiin pinta-aloja vastaavat konsentraatiot kvantitointiohjelmalla. Saatjen piikkien alat ja vastaavat konsentraatiot talkoitiin Excel-tiedostoon (Microsoft Excel 97), jolla laskettiin soran yhtälö ja korrelaatiokerroin. 2.9 Kapillaarielektroforeesityövaiheiden kvas Kokeellisen työn eri vaiheiden kvas on seraava: 1. Elektrolyyttiliosten valinta Ttkittiin eri elektrolyyttivaihtoehtoja anionien ja kationien määrittämiseksi lonnon vesistä. Parhaimmaksi anionimäärityksiin osoittati kapallinen Bffer soltion ph 7, 7 for HPCE-lios (kts. kappale 2.2). Pskria oli myös kokeilt TEKES:in CCTUSprojektissa nionien on-line-määritys kapillaarielektroforeesilla. Kationien määrittämiseksi kokeiltiin seitsemää eri pskrivaihtoehtoa, JOista parhaimmaksi osoittati pyridiinipskri, joka sisälsi krneetteriä (kts. kappale 2.2). 2. Laiteparametrien optimointi Elektolyyttiliosten valinnan jälkeen yhdisteiden erottmista pyrittiin vielä parantamaan laiteparametrien (injektioaika, kapillaarin pits, erotsjännite, detektioaallonpits) optimoinnilla. Optimoinnilla valitt laiteparametrit on esitetty kappaleessa 2.1 (talkko 1). 3. Menetelmien validointi ja kvantitointi Standardivesistä (ks. lk 2.4) valmistettiin kolme rinnakkaisnäytettä (1 mg/1), jotka analysoitiin ksi kertaa. Tämän jälkeen soritettiin kvantitointi. Lineaarisssoria varten ajettiin jokainen konsentraatiotaso ksi kertaa, jolloin saatiin kllekin ionille lineaarisssorat sekä migraatioaikojen että pitoisstasoja vastaavien pinta-alojen päivästä päivään toistettavs (talkot 9 ja 1). 4. Menetelmien testas Posiva Oy:n ohjeilla valmistetilla referenssivesillä (liite 1) Ktakin referenssivettä (llard, OL-SO, OL-Brine) valmistettiin 25 millilitraa. Jokaisesta vedestä otettiin kahdeksan rinnakkaisnäytettä, jotka analysoitiin neljä kertaa. 5. Pohjavesinäytteiden analysointi Ensin määritettiin kaikki pohjavesinäytteet sellaisenaan kin ne olivat tlleet VTT:n laboratorioon käyttäen normaalia injektointiaikaa (1 s). Tällöin tehtiin kstakin näytteestä kaksi toistoa. Sen jälkeen kaikki solaiset vedet laimennettiin ja ajettiin normaalia injektioaikaa (1 s) käyttäen delleen. Jos ionia ei näkynyt, pidennettiin injektioaikaa (esim. 5 s) ja näyte injektoitiin delleen. Kaikista määritetyistä pohja-

19 vesinäytteistä valmistettiin kahdeksan rinnakkaisnäytettä, jotka analysoitiin neljä kertaa. nionit määritettiin ensin, sen jälkeen kationit. 6. Tarkistsmittakset nitriittipitoisksien vahvistamiseksi Näyte laimennettiin nitriitin määrittämiseksi (migratoiti laimentamattomissa näytteissä yhdessä slfaatin kanssa). Sen jälkeen analysoitiin laimennett näyte. N 2 :n varmistamiseksi käytettiin standardin lisäysmenetelmää, jossa näytteen päälle lisättiin nitriittiä tnnett pitoiss. Näyte-standardiseos analysoitiin anionimenetelmää käyttäen. Migraatioaikojen persteella varmistettiin nitriitin paikka ja laskettiin laimennetssa näytteessä oleva nitriittipitoiss kalibrointia varten tehtyjen sorien avlla (liite 7, kva 2).

2 3. TULOKSET Ioneille laskettiin pinta-alaa ja konsentraatiota vastaava vastetekijä (RF). Talkkoon 8 on listatt ko. arvot konsentraatiolla 6 mg/1. Mitä srempi ionin vastetekijän lkarvo on, sen voimakkaampi vaste kyseisellä ionilla on käytetyllä detektointi-aallonpitdella. Siitä polestaan voidaan olettaa, että sremmilla detektorivasteilla voidaan kvantitoida pienempiä konsentraatioita. Vastearvoa voidaan kasvattaa injektioaikaa lisäämällä eli pienetkin ionipitoisdet on mahdollista havaita. Talkko 8. Ionien RF-arvot pitoisdella 6 mg/1 (Siren et al. 1998 ja Siren 1998). Kationi RF nionit RF nionit RF mmonim 598,5 Eromidi 191,4 Floridi 159 Kalim 48,7 Kloridi 446,9 Divety- Kalsim 962,4 Slfaatti 369,6 fosfaatti 1129 Natrim 99,2 Nitriitti 37,6 Magnesim 1757 Nitraatti 32,9 3.1 Lineaariss Lineaarissale tarkoittaa pitoissaletta, jossa mittalaitteen herkkyys on vakio. Talkoissa 9 ja 1 on esitetty yhteenvetona phtaiden aineiden eri pitoisksilla saadt migraatioaikojen toistettavdet ja lineaarisssorien yhtälöt. Jokaisesta konsentraatiotasosta soritettiin ksi toistoa. Konsentraatioaleella,5-1 mg/1 on käytetty anioneille ksi ja kationeille viisi sekä konsentraatioaleella 1-1 mg/1 yhdeksän eri konsentraatiotasoa. Kstakin pitoisdesta on ajett 6 kertaa peräkkäin 25 min välein. Tästä johten ei ole määritetty päivän sisäistä toistettavtta vaan päivästä toiseen saavtett toistettavs, jotka on esitetty talkoissa 9 ja 1 hajontaprosentteina (Hiissa et al. 1998 ja Siren et al. 1999). Kalibrointisorat on esitetty liitteessä 2 anioneille ja liitteessä 3 kationeille. nionien kvantitointi soritettiin käyttäen kllekin ionille kahta pitoissaletta:,5-1 mg/1 ja 1-1 mg/1. Sorat olivat lineaariset korrelaatiokertoimen ollessa,99. Kationien pitoissaleeksi valittiin konsentraatioale,5-25 mg/1, jolle validoitiin kahdesta kolmeen eri kvantitointisoraa kationista riippen. Kmmassakaan tapaksessa ei ollt mahdollista valita koko konsentraatioaleelle yhtä kalibrointisoraa, sillä tällöin kvaaja ei ollt lineaarinen pienillä pitoisksilla.

21 Talkko 9. Yhteenveto toistettavksista ja lineaarisksista anionisilla referenssiyhdisteillä. nioni t ave (min) sd RSD% Soran yhtälö, RL (pitoissale) Bromidi 9,6,2,22 Y=268,52x-16,54,999 (,5-1 ppm) 8,65,44 5,8 y=189,35x-165,12,999 (1-1 ppm) Kloridi 9,4,4,43 y=636,77 x-36,777,999 (,5-1 ppm) 8,99,5 5,56 y=442,86x -41,81,999 (1-1 ppm) Slfaatti 9,93,3,3 y=462,8x-42,51,999 (,5-1 ppm) 9,46,56 5,7 y=388,68x-98,48,997 (1-1 ppm) Nitriitti 1,1,2,2 y=479, 14x-46,958,999 (,5-1 ppm) 9,62,56 5,82 y=343,87x-7,94,997 (1-1 ppm) Nitraatti 1,5,2,19 y=398,95x-43,652,999 (,5-1 ppm) 9,9,57 5,76 y=32,86x-383,26,999 (1-1 ppm) Floridi 14,2,7 4,93 y=1562,7x-178,9,998 (1-1 ppm) Divetyfos- 16,8 1,12 6,67 y=157,1x-122,1,988 faatti (1-1 ppm) t on aika, joka kl yhdisteen klkiessa detektorille, tave on keskiarvo yhden ionin ajasta toistomittaksissa, sd on poikkeama keskiarvosta ja RSD% on keskihajontaprosentti laskettna kaavalla sd/tave x 1%

22 Talkko 1. Yhteenveto toistettavksista ja lineaarisksista kationien referenssi yhdisteillä. Kationi t ave (min) sd RSD% soran yhtälö, ( pitoissale) RL mmonim 6,17,1,16 y=613,25x+175,18 (,5-7ppm),998 6,3,1,16 y=653,82x-848,69 (1-1 ppm),996 6,49,1,15 y=728, 17x-5662,8 (1-25 ppm),997 Kalim 7,67,1,13 y=49,6x+ 12,71 (,5-7ppm),998 7,57,1,13 y=417,45 x-111,5 (1-1 ppm),999 7,66,1,13 y=44,4x-4199,3 (1-25 ppm),997 Kalsim* 8,11,1,12 y=612,81x+33,87 (,5-7 ppm),989 8,15,1,12 y=959,75x+ 1537,6 (1-1 ppm),995 8,39,1,15 y= 117, 1x-22919 (1-25 ppm),983 Natrim 8,5,1,11 y=864,87x+499,7 (,5-7 ppm),993 8,49,1,12 y=93,27x+ 75,4 (1-1 ppm),997 8,7,1,11 y=1326,9x-35152 (1-25 ppm),994 Magnesim** 8,71,1,11 y=1932,8x+259,78 (,5-7 ppm),998 8,75,1,11 y=223,2x-2937,8 (1-1 ppm),985 8,96,2,22 y= 1932,5x+424.,984 (1-25 ppm) * kalsimmäärät on laskett käyttäen 1-2 ppm ja 2-1 ppm lineaarissaleita. ** magnesimmäärät on laskett käytäen 1-6 ppm lineaarissaletta t on aika, joka kl yhdisteen klkiessa detektorille, tave on keskiarvo yhden ionin ajasta toistomittaksissa, sd on poikkeama keskiarvosta ja RSD% on keskihajontaprosentti laskettna kaavalla sd/tave X 1 % 3.2 K vantitointi Liitteissä 4 ja 5 on esitetty elektroferogrammit sekä referenssiajoista että näytteistä. Talkoissa 11 ja 12 on koottna anionien ja kationien toteamisrajat, joiden laskemiseksi on käytetty phtaista aineista valmistettja näyteseoksia. Toteamisrajapitoisksia määritettäessä käytettiin 1 ja 5 seknnin injektointiaikoja. Injektioajan ollessa 2-55 sekntia elektroferogrammipiikin pinta-ala on lineaarisesti soraan

23 verrannollinen piikin pinta-alaan. Tlokset on laskett yksittäin sekä anioneille että kationeille. Talkko 11. nionien toteamisrajat (LOD) injektoinnin ollessa 5 sekntia. nioni LOD [mg/1] Bromidi,2 Kloridi,1 Slfaatti,1 Nitriitti,1 Nitraatti,1 Floridi,3 Di vetyfosfaatti,4 Talkko 12. Kationien toteamisrajat (LOD) injektoinnin ollessa 1 seknttia. Kationi LOD [mg/1] mmonim,6 Kalim,8 Kalsim,3 Natrim,2 Magnesim,2 Ionipitoiss, jonka antama ilmaisimen signaali on kolme kertaa nollanäytteen keskihajonnan (standard deviation) srinen, on nimeltään toteamisraja (limit of detection, LOD) (Jaarinen et al. 1996). Tästä käytetään myös nimitystä laitteen toteamisraja. Toteamisrajat on laskett käyttäen ioneille valmistettja perslioksia (standardivedet kvantitointiin, kohta 2.4). Yhtä ionipitoistta käyttäen on ajett kapillaarielektroforeesiajo. Jonipiikki on integroit piikin korkeden arvioimiseksi ja tastakohina (pohjakohinan maksimin ja minimin välinen erots) on laskett korketena. Toteamisraja on laskett shtettamalla ionipiikin signaali tastan signaaliin. Pitoiss, jolla signaali/kohina-shde on lkarvoltaan 3, kvaa konsentraatiorajaa, jolla ioni on havaittavissa detektorilla. Varsinaisista pohjavesinäytteistä on otett 8 tai 9 rinnakkaisnäytettä, jotka on analysoit 4:llä toistomittaksella. Talkoissa 13 ja 14 on esitetty kalibroinnin avlla saadt tlokset. Kaikkien näytteiden bromidipitoisdet ovat erittäin pieniä. Näytettä käsittelemättä niitä ei ollt mahdollista kvantitoida. Injektointiajan vaiktsta ei tarkistett tässä työssä.

24 Talkko 13. nionien pitoisdet näytteissä (normaali injektioaika 1s). Nitriitin osalta (HH-KR4 -pohjavesinäytteetja RO-KR9 -pohjavesinäyte) tlokset talkossa 17. Näyte/ nionit Pnnitt nalyysitlos [ mg/1] OL-Brine-vesi (laimenns 114) Kloridi 461 49 llard-vesi Kloridi 49,2 54,2 Slfaatti 11 '1 12,9 OL-SO-vesi K1oridi (1/2) 146 165 Slfaatti (1/4) 4,2 3,66 HH-KR3-pohjavesi kestävöity HN3:lla, 336-356 m (laimenns 111 ) Bromidi alle,2 Kloridi 77 Slfaatti 1 Nitriitti 44* Nitraatti 65* HH-KR1-pohjavesi kestävöity HN3:lla, 938-948 m (laimenns 111 ) Bromidi alle,2 Kloridi 185 Slfaatti 22 Nitriitti 97* Nitraatti 49* HH-KR4-pohjavesi, 212,5-22 m (laimenns 1/1) Bromidi alle,2 Kloridi 54 Slfaatti 8 HH-KR4-pohjavesi, 412-417 m (laimenns 111) Bromidi alle,2 Kloridi 28 Slfaatti 331 HH-KR4-pohjavesi, 883-891 m (laimenns 111 ) Bromidi alle,2 Kloridi 72 Slfaatti 27 RO-KR9-pohjavesi, 217-225 m Bromidi alle,2 Kloridi 5,2 Slfaatti 4,1 RO-KRll-pohjavesi, 54-545 m Eromidi alle,2 Kloridi 4,1 Slfaatti 2,3.... *) VTT:n laboratonoon totmttettnn yhdet näytteet (tarkmtett kattommääntyksnn, JOten ne ohvat kestävötty HN3:1la). Samasta näytteestä määritettiin sekä anionit että kationit. Kationimäärityksiä varten lasipllot pestään typpihapolla, mistä joht, että nitraatti- ja nitriittipitoisdet eivät kvaa tilannetta lonnossa.

25 Talkko 14. Kationien pitoisdet näytteissä (normaali injektioaika los). N äyte/kationi Pnnitt nalyysitlos [ mg/1] OL-Brine-vesi (laimenns 112) Kalsim 173 178 Natrim 997 13 llard-vesi Kalim 3,78 3,66 Kalsim 18, 17,2 Natrim 51,4 56,7 Magnesim 4,78 5,15 OL-SO -vesi (laimenns 1/5) Kalsim 4 394 Natrim 48 488 Magnesim 55,9 51' 1 HH-KR3-pohjavesi kestävöity HN3:lla, 336-356 m (laimenns 111) Kalsim 715 Natrim 33 Magnesim 35 HH-KR1-pohjavesi kestävöity HN3:lla, 938-948 m (laimenns 111) Ka1sim 32 Natrim 5 Magnesim 4 HH-KR4-pohjavesi -212,5-22 m (laimenns 111 ) Ka1sim 7 Natrim 25 Magnesim 3 HH-KR4-pohjavesi- 412-417 m (laimenns 111 ) Ka1sim 39 Natrim 14 Magnesim 89,5 HH-KR4-pohjavesi 883-891 m (laimenns 111) Ka1sim 128 Natrim 27 Magnesim 16 RO-KR9-pohjavesi 217-225 m Kalim,74 Ka1sim 12,2 Natrim 18,2 Magnesim,89 RO-KRll-pohjavesi 54-545 m Kalim 1,6 Ka1sim 11,5 Natrim 19,3 Magnesim 2,2

26 4. TULOSTEN TRKSTELU Projektissa on optimoit kaksi kapillaarielektroforeettista menetelmää, joista toinen anionien (bromidi, kloridi, slfaatti, nitriitti ja nitraatti) ja toinen kationien (ammonim, kalim, kalsim, natrim ja magnesim) kvantitoimiseksi Posiva Oy:n toimittamista pohjavesinäytteistä. Erotsmenetelmät validoitiin käyttäen ionien kontrollivesilioksia (ns. referenssivesiä), jotka oli tehty kivasoloista phtaisiin vesiin Uohtokyky oli alle,5 ms/m) Posiva Oy:n antamia ohjeita nodattaen. K vantitoionit soritettiin käyttämällä kivasoloista valmistettja standardivesisarjoja. K vantitointi tehtiin kahdella tai kolmella pitoissaleella ionien konsentraatioiden mkaan käyttäen soria (5-9 pitoisstasoa), jotka oli laskett Microsoft Excel 97-versiolla ionipiikkien pintaaloja vastaavia pitoisksia käyttäen. Yhdisteet tnnistettiin UV -ilmaisimella ns. käänteisdetektointia käyttäen, jolloin absorboimattomat näyteionit erottivat voimakkaasti absorboivaa tastaelektrolyyttiliosta vastaan. Pohjavesinäytteistä analysoitiin kaikki edellä mainitt yhdisteet. NH 4 -, H 2 P 4 - ja F -pitoisdet olivat alle niiden toteamisrajojen. Lonnonvesinäytteet kvantitoitiin myös NO:n ja Kokemäenjoen Vesiensojelyhdistys Ry:n (Tampere, laboratoriojohtaja Sirpa Vänski) laboratorioissa. Tampereen laboratorioon (KV, analyysit tehty 1.1.-15.12.1998) oli toimitett osa samoista näytteistä kin VTT:llekin (analyysit tehty 1.5.-3.9.1998) VTT:n katta. Näytteenkäsittely Kapillaarielektroforeesimenetelmää käytettäessä näytettä e1 käsitelty mtoin kin laimentamalla Uohtokyky,5 ms/m). CE-mittaksia varten osa näytteistä jodttiin laimentamaan näytteissä olleiden srten solapitoisksien voksi. Lähinnä Cl, S 4, Ca ja Na esiintyivät pohjavesinäytteissä erittäin srissa pitoisksissa. Pienet anioni- ja kationipitoisdet määritettiin laboratorioon toimitetista näytteistä soraan (ilman laimennsta) käyttäen pitkää näytteen injektointiaikaa (5 s normaalin 1 s tilalla). Pitkästä injektioajasta holimatta kapillaarielektroforeesimäärityksissä NH 4 - ja Br-pitoisdet olivat kaikissa näytteissä alle määritysrajan. Kitenkin injektioajan lisääminen paransi N 3 :n, N 2 :n ja S 4 :n määrityksiä. Tloksia tarkasteltaessa tlisi arvioida, mikä merkitys näytteenkäsittelyllä on mittastlokseen. Näytteet olisi esikäsiteltävä samalla tavalla, jotta tlosten vertail olisi mahdollista eri määritysmenetelmien välillä. tomiabsorptiolla (NO, Tampereen KV) mitattaessa näyte tehdään yleensä happamaksi, jolloin näytteen ph laskee, mikä polestaan vaikttaa kationien vesilikoissominaisksiin. Todennäköistä on, että hydroksidin modosts tai kompleksointi prkat happamissa oloshteissa. PI-menetelmässä (Tampereen KV) UV-detektointia käytettäessä polestaan ttkittavasta ionista tehdään UV -absorboiva kompleksi, jonka avlla määritetään

27 näytteessä oleva ionipitoiss. Kompleksointi ei aina ole kvantitatiivinen menetelmä ja kilpailevia reaktiototteita voi modosta, jotka häiritsevät absorptiomittaksia. Kapillaarielektroforeesimenetelmä anionien ja kaiionien määrityksissä nionien määritykseen käytetty menetelmä koeoloshteissa toimi hyvin erottaen yksittäiset yhdisteet lotettavasti. Kitenkin erittäin konsentroitneiden (ionivahvs yli 1 M) näytteiden kohdalla kapillaarielektroforeesitekniikka ei osoittatnt soveltvan soraan analyysimenetelmäksi ionivyöhykkeiden ylikyllästymisen takia. Tässä työssä jodttiin erotkseen käytettäviä näytteitä laimentamaan (referenssillä ja näytteillä osoitett), jolloin pienissä pitoisksissa olevat ionipitoisdet pienenivät siinä määrin, että riittävää signaali/kohina-shdetta (SIN=2) ei saat ttkittjen ionien konsentraatioiden määrittämiseksi. Jos sren ionivahvden näyte injektoitiin sellaisenaan, anionien tapaksessa nitriittipiikki jäi sripitoisen slfaattipiikin alle. Laimennettaessa laboratorioon tot näyte vedellä esim. 111, S4:n pitoiss pieneni ja N 2 -piikki erotti siitä. Normaalia injektointiaikaa (1 s) käyttäen nitriittiä näkyi kitenkin niin vähän, että S/N ei ollt riittävä. Injektointiaikaa viisinkertaistettaessa (5 s) piikki tli riittävän sreksi ja nitriitin pitoiss voitiin laskea kvantitointiin käytetyllä soran yhtälöllä. Todellinen pitoiss kapillaarielektroforeesissa lasketaan yleensä homioimaila viisinkertainen injektointiaika ja -tilavs. Yhtälö 2 ilmoittaa injektiomäärän ja -ajan riippvden toisistaan (Khn ja Hoffstetter-Khn, 1993). missä Vi on injektiotilavs (m 3 = 1 12 nl), ~p on paine-ero (Pa), r on kapillaarin säde (m), t on injektioaika (s), 11 on viskositeetti (Pa s = 1 3 cp) ja LT on kapillaarin kokonaispits (m). Lisäksi injektointipaine-ero on riippvainen näytelioksen tiheydestä, gravitaatiovakiosta ja korkeserosta näyteastioiden välillä yhtälön (3) mkaan. ~h = ~p 1 ( p g) (3) missä p on näytelioksen tiheys (kg m- 3 ), g on gravitaatiovakio (9,89665 m s- 2 ) ja ~h on korkesero (m) nesteastioiden välillä laitteen atomaattisyöttäjässä injektointia soritettaessa. Tässä ttkimksessa ei ole homioit viskositeetin aihettamaa virhettä näytettä laimennettaessa, sillä siitä aihetva virhe pitkiä injektioita käytettäessä ( 1-5 sekntia) on vähäinen Kapillaarielektroforeettinen kationimenetelmä oli valitt siten, että ttkimksessa määritetyt ionit erottivat toisistaan pohjaviivaerotksella. Kten anionien tapaksessa myös kationien määrityksissä näytteet jodttiin laimentamaan, jotta joidenkin ionien ylikylläisyystila olisi eliminoitnt. Kationimäärityksissä päästiin pienempiin (2)

28 toteamisrajoihin normaalia injektointia (1 s) käyttäen kin anionien kohdalla. Syynä on anioneille käytetyn elektrolyyttilioksen heikompi absorptio mittasaallonpitdella kin kationeille käytettävällä reagenssilla. Virhearviointia kapillaarielektroforeesimittaksissa VTT:lle tlleista näytteistä ei ollt rinnakkaisia näytteitä, joten ainoat rinnakkaismääritykset, jotka tehtiin, olivat yhdestä ja samasta näytteestä. Rinnakkaisnäytteitä tehtiin kitenkin Posiva Oy:n ohjeiden mkaan valmistetista referenssivesistä, joilla arvioitiin analyysimenetelmien toistettavtta ja erotskykyä 1 onnonvesinäytteiden anal ysoimiseksi. Kapillaarielektroforeesianalyyseissa anioneille pinta-alojen shteellinen standardipoikkeama (RSD) vaihteli 2-6 %. Kationimäärityksissä poikkeamat olivat kattaaltaan pienemmät eli,8-4 %. Kitenkin kaikkien ionien migraatioajat olivat toistotarkkoja poiketen ajosta toiseen 1-2 %. Johtopäätelmänä voidaan arvioida, että kromofori (absorboiva yhdiste elektrolyyttilioksessa) liikki sähkökentässä samalla nopedella kin ttkimksen ionit. Tällöin kationipiikit olivat symmetrisempiä kin anionierotksessa, jossa absorptiota aihettava elektrolyytti-ioni liikki hitaammin kin esim. nitraatti (kts. kva 1 ). Menetelmän toistettavden virhearviointia ei voida sorittaa IVO:n tai Tampereen KV :n tekemien ttkimsten avlla, sillä näiden tlosten rinnakkaismäärityksistä tai toistojen määrästä ei ole tietoa. Lisäksi VTT:llä ei ollt käytettävissään miden laboratorioiden virhearviointia tätä raporttia kirjoitettaessa. Laboratorioiden välistä vertaila Tloksissa laboratorioiden välillä on selkeitä eroja. Talkossa 15 on esitetty anionitlokset, joista voidaan todeta, että kolmen laboratorion väliset lkarvot lknottamatta nitriittiä shtetvat toisiinsa siten, että yhden laboratorion arvot ovat kahden mn tlosten välissä. Mitään systematiikkaa ei ollt nähtävissä, että yhden laboratorion tlokset olisivat aina ns. keskiarvotloksia. Kationitloksia tarkasteltaessa talkon 16 persteella voidaan havaita, että VTT:n ja IVO:n tlokset ovat vertailkelpoisia. Poikkeksena on näyte HH-KR4 (883-891 m), sillä IVO sai homattavasti sremmat tlokset miden laboratorioiden määrityksiin verrattna kloridin, kalsimin, natrimin ja magnesimin määrityksissä eli heillä oli 2,5-3,5 -kertaisesti srempi tlos knkin ionipitoisden kohdalla kin VTT ja Tampereen KV olivat saaneet. Kitenkin slfaatti-ionin kohdalla VTT:n (27 ppm) ja IVO:n (25 ppm) tlokset olivat lähes samat. Oletettavaa on, että näyte ei joko ole ollt sama tai se ei ole ollt "homogeeninen" erotettaessa määritykseen näytteitä. Tlokset on tarkistett kapillaarielektroforeesimittaksilla kahteen kertaan. Yksittäisiä poikkeksia löytyy myös näytteiden RO-KR9 ja RO-KR11 kohdalla: Tlokset ovat laboratorioiden välillä mten samat, mtta VTT on löytänyt RO-KR11 kloridimäärityksessä 114 vähemmän ko. ionia näytteestä kin IVO ja Tampereen KV.

Talkko 15. nionimääritykset VTT:n, KV:nja IVO:n laboratorioista. Näyte B{ cr soi- N2- No3- VTT KV IVO VTT KV IVO VTT KV IVO VTT KV IVO VTT KV IVO mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 J.Lg/1 J.Lg/1 mg/1 J.Lg/1 J.Lg/1 RO-KR9, 217-225 m -- **,75 5,2 51 5,9 4,1 * 4, ll 4,5 --,3 RO-KR11, 54-545 m -- **,6 4,1 15 16 2,3 * 2, -- 4,5 -- 1,2 HH-KR4, 212,2-22 m -- ** 19 54 5267 512 8 * 52 ll 28,8 -- 5,5 HH-KR4, 412-417 m -- ** 1 28 265 324 331 619 33 ll 41,4 -- 9,1 HH-KR4, 883-891 m -- ** 67 72 6745 1943 27 267 25 ll 91 - ------ -- 22 KV:n analyysimenetelmät: slfaattimääritykset on tehty 1:1 laimennoksista (nefelometrinen määritys), nitriittija nitraatti PI-menetelmällä värireaktiota käyttäen (UV-detektointi) ja kloridi titrimetrisesti; IVO:n analyysimenetelmät: slfaatti (IC, johtokykydetektori), kloridi (gn 3 -titras kn Cl > 1 mgll ja IC, johtokykydetektori kn Cl < 1 mg/ml), Br ( IC, UV -detektori), nitriitti ja nitraatti (IC, UV -detektori); VTI:n analyysimenetelmä: kaikki anionit (CE) -- = < LOD ; **=ei määritetty; *näytettä ei riittänyt määritykseen; n = < LOD, kn injektioaika oli 1s IV \ Talkko 16. Kationimääritykset VTT:n, KV :n ja IVO:n laboratorioista. Näyte K+ Ca 2 + Na+ Mg2+ VTT KV IVO VTT KV IVO VTT KV IVO VTT KV IVO mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mgfl mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 RO-KR9, 217-225 m,74 **,9 12,2 23 1, 18,2 13 2,,89,2 1, RO-KR11, 54-545 m 1,6 ** 1,6 11,5 15,1 9, 19,3 29 22, 2,2,7 2,2 HH-KR4, 212,2-22 m -- ** 18,6 7 74 69 25 23 227 3 271 27 HH-KR4, 412-417 m -- ** 11 39 39 46 14 12 16 89,5 88 19 H:H-KR~ 8~-8911~ -- ** 39 128 139 44 27 24 723 - ----- 16 163 52 KV:n analyysimenetelmät: kalsim, magnesimja natrim (S:lla happokäsitellystä näytteestä); IVO:n analyysimenetelmät: natrimja kalim (FS, SFS 317), kalsimja magnesim (FS, SFS 318); VTI:n analyysimenetelmä: kaikki kationit (CE) -- = < LOD; ** ei määritetty

3 Lisäksi HH-KR4:ssa (213-22 m) slfaattia on löytynyt 1,5-kertaisesti enemmän VTT:llä kin IVO:lla. Tampereen tlokset poikkesivat enemmän vähäsolaisissa vesissä VTT:n ja IVO:n tloksista kin hyvin solaisissa vesissä. Lisäksi Na:n ja Mg:n pitoisdet olivat solaisinta näytettä (HH-KR4, 883-891 m) lknottamatta samaa srslokkaa, olipa ne tehty kapillaarielektroforeesilla tai IVO:n menetelmillä. Kloriditlokset ovat keskimäärin jonkin verran srempia CE:llä kin IVO:n menetelmällä on saat. Slfaattitloksissa ei ole selvää trendiä näillä menetelmillä saatjen tlosten välillä. Nitraatti- ja nitriittipitoisksien määritys näytteistä VTT:lle toimitettjen näytteiden osalta oli nitraatin ja nitriitin kohdalla poikkeavtta, sillä näytteet olivat kestävöity typpihapolla, jolloin anionipitoiss ei pitänyt paikkaansa lonnosta otetn näytteen kanssa. Homioitavaa tloksia arvioitaessa on, että osa VTT:lle toimitetista näytteistä (HH-KR1 ja HH-KR3) oli käsitelty typpihapolla (HN 3 ) ja pllot, joihin mt pohjavesinäytteet oli pipetoit, oli pesty ko. hapolla, mistä syistä nitriittipitoiss anionien tapaksessa oli poikkeava IVO:n määrityksiin verrattna. Lisäksi VTT:n näytteistä ei löytynyt lainkaan ammonimia, mikä johti NH 4 :n mahdollisesta poistmisesta happamassa näytteessä. Nitriitti vaihteli enemmän kin mt poikkeaman ollessa 7-1 %, koska sitä oli näytteessä vähemmän ja koska kvantitoinnissa jodttiin käyttämään srta injektointiaikaa laimennetlla näytteellä, jotta elektroferogrammissa piikki näkyisi (liite 7, kva 1). Tlokset nitriittimäärityksistä on esitetty talkossa 17. Laimenns oli välttämätön, jotta piikki ei yhdistyisi slfaattiin srilla S 4 -pitoisksilla. Tällaisessa tapaksessa myös slfaatille saatiin normaalia srempi standardipoikkeama (RSD noin 9 % ). Homattavaa on, että VTT:n kapillaarielektroforeesimenetelmällä saat slfaattitlos edellä kerrotssa tapaksessa oli lähes sama kin IVO oli saant eri menetelmää käyttäen: VTT 27 ppm ja IVO 25 ppm. Johtopäätökseksi voidaan vetää, että laimennsmenetelmä toimi yhtä hyvin kin perinteisesti käytetty menetelmäkin. Tästä edelleen johtopäätöksenä voitaneen sanoa, että nitriitin määrittämiseksi laimennsmenetelmä toimii lotettavasti, kn laimennetta näytettä injektoidaan 5- kertainen määrä laimentamattomaan näytteeseen nähden. Talkko 17. Nitriittipitoisdet sremmilla injektioajoilla. Pohjavesinäyte Inj ektioaika [ s] nalyysitlos [ppm] HH-KR4-pohjavesi, 212,5-22m 35 52 (laimenns 111) HH-KR4-pohjavesi, 412-417 m 5 23 (laimenns 111) HH-KR4-pohjavesi, 883-891 m 45 55 (laimenns 111) RO-KR9-pohjavesi, 217-225 m 9,2 RO-KR11-pohjavesi, 54-545 m 99 <LOD

31 Kapillaarielektroforeesimenetelmien käyttömahdollissnäkymiä Kapillaarielektroforeesimenetelmä on nopea tekniikka erottaen samanaikaisesti jopa kymmeniä ioneja toisistaan yhdellä ainoalla analyysilla. Tekniikan edllistta poltaa vähäinen näytteen kertaklts ja elektrolyyttiliottimien vorokasiklts. Laitteistolla on helppo analysoida näytteitä atomatisoidsti 24 h vorokadessa. Laitteen haittakohtina voitaneen pitää detektointia, johon ei ole löytynyt yleisilmaisinta. Tässäkin ttkimksessa jodttiin käyttämään käänteis-uv -detektointia, koska se oli ainoa edllinen vaihtoehtoa kapallista laitteistoa käytettäessä. Käänteisdetektointia käytettäessä yleensä analyysin herkkyys kärsii, jos ei löydy sopivaa kromoforia. Haittatekijänä voitaneen pitää myös sitä seikkaa, että ionimääritys solaisesta pohjavedestä tottaa vaikeksia, jos ionivyöhykkeet migratoitvat lähellä toisiaan. Näytteen laimentaminen on välttämätöntä, jotta vältyttäisiin piikkien päällekkäiseltä migratoitmiselta. Solaisten näytteiden määrityksiin VTT Kemiantekniikka on yhteistyössä Keskslaboratorio Oy:n kanssa rakentamassa on-line-sovelltksiin pmppasyksikköä laimenns- ja sodatsjärjestelmineen. Ttkims on käynnissä CCTUS 2 -projektissa (Siren et al. 1998). Tämä tekniikka toisi mahdollisden kapillaarielektroforeesin käyttöön kenttälaitteena.

32 5. JOHTOPÄÄTÖKSET J YHTEENVETO Työn päätavoitteena oli kehittää kaksi kapillaarielektroforeesimenetelmää, toinen samanaikaiseen anionien ja toinen kationien määritykseen. Menetelmien optimoinnin ja validoinnin jälkeen niillä määritettiin Posiva Oy:n ttkimkseen liittyen käytetyn polttoaineen sijoitspaikkaselontaan liittyen kntien pohjavesinäytteitä. Menetelmä, jota käytettiin oli kapillaarielektroforeesitekniikka (CE). Menetelmässä ionit erotetaan toisistaan pskria täynnä olevassa ohessa kapillaarissa sähkökentän vaiktksessa. Ionien identifioinnin tapahtessa käänteis-uv -detektointiin persten siten, että pskriliokseen on lisätty UV -absorboivaa kromoforia yhdisteiden tnnistamisen helpottamiseksi. CE-menetelmillä ttkittiin kvaajiin saatjen piikkien pinta-aloja, jotka korreloivat soraan piikkiä vastaavan ionin konsentraatioon. Lisäksi ttkittiin yhdisteiden migraatioaikoja ionien identifioinnin varmistamiseksi. Pitoisksia määritettäessä selvitettiin knkin ionin toteamisrajakonsentraatiot ja lineaarissaleet. Menetelmän lotettavtta ttkittiin snnitellsti toistomittas-koesarjaoilla. CE-menetelmä toimii hyvin vähäsolaisia vesiä ttkittaessa. Solaiset pohjavedet jodttiin laimentamaan näytteissä olleiden srten slfaattipitoisksien voksi. Lisäksi laimennsta käytettiin, jos ionipitoisdet olivat pienet ja tarkoitksena oli injektoida srempi näytetilavs laitteistoon. CE-tloksia verrattiin IVO:n ja Tampereella SIJaitsevan Kokemäenjoen Vesiensojelyhdistyksen laboratorioiden menetelmillä saatihin tloksiin. Todettiin, että tlosten välillä on merkittäviä eroja.