Työraportti 2011-55 Luonnon radionuklidien fraktiointi vaiheittaisten uuttojen avulla maaperä- ja sedimenttinäytteistä Sinikka Virtanen Heinäkuu 2011 POSIVA OY Olkiluoto FI-27160 EURAJOKI, FINLAND Tel +358-2-8372 31 Fax +358-2-8372 3809
Työraportti 2011-55 Luonnon radionuklidien fraktiointi vaiheittaisten uuttojen avulla maaperä- ja sedimenttinäytteistä Sinikka Virtanen Helsingin yliopisto, Kemian laitos Radiokemian laboratorio Heinäkuu 2011 Posivan 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.
Luonnon radionuklidien fraktiointi vaiheittaisten uuttojen avulla maaperäja sedimenttinäytteistä TIIVISTELMÄ Vaiheittaisten fraktioivien uuttojen avulla voidaan tutkia luonnon radionuklidien liikkuvuutta ja biosaatavuutta ympäristössä sekä niiden sitoutumista ja alkuperää maaperässä. Uuttojen avulla ei voida suoraan päätellä radionuklidien kemiallista muotoa tai sitoutumista tiettyihin geokemiallisiin faaseihin, sillä uuttotulokset riippuvat käytetyistä uutto-olosuhteista. Vaiheittaisissa uutoissa tehdään samalle kiinteälle näytteelle sarja peräkkäisiä uuttoja asteittain voimistuvissa olosuhteissa. Uuttomenetelmiä on useita, mutta uuttofraktiot ovat usein samat. Ensimmäisen uuttovaiheessa uutetaan hiukkasten ioninvaihtopaikoille kiinnittyneet helposti vaihtuvat kationit. Toisessa uuttovaiheessa pyritään hajoittamaan heikkoihin happoihin liukoiset mineraalit. Kolmannessa uuttovaiheessa näyte uutetaan pelkistävällä reagenssilla, jolloin raudan ja mangaanin vedellisiin oksideihin sitoutuneet metallit vapautuvat. Neljännessä uuttovaiheessa näyte uutetaan hapettavalla reagenssilla orgaanisen aineksen hajottamiseksi. Viimeisssä uuttovaiheessa näyte hajotetaan vahvoilla hapoilla. Tutkimuksessa käsitellään Olkiluodon maaperänäytteille tehtyjä fraktioivia uuttoja. Näytteille suoritettiin viisivaiheinen uutto, jonka tarkoituksena oli saada tarkempaa tietoa uraanin, toriumin, radiumin ja lyijyn sitoutumisesta maaperässä. Uraanin, toriumin ja stabiilin lyijyn osuudet uuttofraktioissa analysoitiin induktiivisesti kytketyn plasma -massaspektrometrin avulla. 210 Pb:n aktiivisuuspitoisuudet määritettiin alfaspektrometrisesti sen tytärnuklidin 210 Po:n kautta. Radionuklidien jakaantuminen maaperänäytteiden uuttofraktioihin vaihteli näytesyvyyden ja raekoon mukaan. Suurimmat pitoisuudet uraania, toriumia ja lyijyä liukenivat pienimmän raekoon eli alle 0,063 mm näytteistä. Avainsanat: Vaiheittaiset uutot, luonnon radionuklidit, fraktiointi, maaperä
Fractionation of natural radionuclides from soil and sediment samples with sequential extractions ABSTRACT Sequential extractions are used to evaluate the mobility and bioavailability of natural radionuclides in the environment as well as their binding and origin in soil. However, as extractions results are dependent on the extraction conditions, it is not possible to find out the exact chemical forms of the radionuclides or their sorption to certain geochemical phases. In sequential extractions the same solid sample is extracted several times with stronger extraction conditions each time. There are many extraction methods but their fractionation is mostly same. Easily exchanged cations are extracted in the first step. In the second step acid-soluble materials are dissolved and in the third step reducible manganese and iron oxyhydroxides are dissolved. In the fourth step the sample is extracted with oxidizing reagent to decompose the oxidisable materials. In the last extraction step the remnant sample is decomposed with strong acids. This study focuses on sequential extractions of Olkiluoto soil samples. Five-step extractions were carried out to find out more information about the sorption of uranium, thorium, radium and lead in the soil. The concentrations of uranium, thorium and stable lead in extraction fractions were determined with inductively coupled plasma mass spectrometry. 210 Pb activity concentration was determined by alpha spectrometry through its daughter nuclide 210 Po. Fractionation of the radionuclides was found to be dependent on the sample depth and particle size. The largest concentrations of uranium, thorium and lead were found in the smallest particle size samples. Keywords: Sequential extractions, natural radionuclides, fractionation, soil.
1 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ESIPUHE... 3 1 JOHDANTO... 5 2 VAIHEITTAISET FRAKTIOIVAT UUTOT... 7 2.1 Menetelmät... 8 2.1.1 Tessierin menetelmä... 11 2.1.2 BCR-menetelmä... 13 2.1.3 NIST-menetelmä... 15 2.2 Uuttoihin vaikuttavat päätekijät... 16 2.2.1 Uutto-pH... 16 2.2.2 Neste/kiinteä-suhde... 17 2.2.3 Muut uuttoihin vaikuttavat tekijät... 17 2.3 Fraktioivien uuttojen ongelmat... 18 2.3.1 Uuttoreagenssien selektiivisyys... 19 2.3.2 Uuton epätäydellinen suoritus... 19 2.3.3 Metallien takaisinadsorptio ja uudelleenjakaantuminen... näytematriisiin... 20 2.3.4 Esikäsittelyn ja säilytyksen vaikutus... 21 3 RADIONUKLIDIEN SITOUTUMINEN MAAPERÄSSÄ JA ANALYSOINTI... FRAKTIOIVIEN UUTTOJEN AVULLA... 23 3.1 Radionuklidien sitoutuminen maaperässä... 23 3.1.1 Sitoutumismekanismit maaperässä... 23 3.1.2 Luonnon radionuklidien esiintyminen maaperässä... 25 3.2 Radionuklidien fraktiointi vaiheittaisten uuttojen avulla... 28 3.2.1 Radionuklidien fraktiointi NIST-menetelmällä... 28 3.2.2 NIST-menetelmän vertailu muihin uuttomenetelmiin... 30 3.2.3 Radionuklidien fraktiointi Tessierin menetelmällä... 31 3.2.4 Muut vaiheittaiset uuttomenetelmät... 36 3.2.5 Radionuklidien isotooppitasapainon määritys vaiheittaisilla uutoilla... 37 3.2.6 Analyysimenetelmät... 39 4 KOKEELLISEN TYÖN TARKOITUS... 41 5 MATERIAALIT JA MENETELMÄT... 43 5.1 Näytteet... 43 5.2 Vaiheittainen uuttomenetelmä... 44 5.2.1 Reagenssit... 44 5.2.2 Työn suoritus... 45
2 6 METALLIEN JA RADIONUKLIDIEN MÄÄRITYSMENETELMÄT... 49 6.1 Metallien määritys ICP-MS:lla... 49 6.1.1 ICP-MS-laitteisto... 49 6.1.2 Uuttoliuosten analysointi ICP-MS:lla... 50 6.2 Pb-210:n määritys poloniumin spontaanisaostuksella hopealevylle... 53 6.2.1 Po-210:n spontaanisaostus hopealevylle... 54 6.2.2 Alfaspektrometria... 55 6.3 Ra-226:n määritys nestetuikelaskennalla... 57 7 TULOKSET... 59 7.1 U, Th, Ba, Pb, Pb-210 ja Ra-226... 59 7.2 Uuttojen selektiivisyys ja toistettavuus... 65 7.2.1 Selektiivisyys... 65 7.2.2 Toistettavuus... 68 7.3 Radionuklidien jakaantuminen uuttofraktioihin... 68 7.3.1 Uraani... 69 7.3.2 Torium... 71 7.3.3 Lyijy... 73 7.3.4 Radium ja barium... 78 8 JOHTOPÄÄTÖKSET... 81 LÄHDELUETTELO... 83 LIITTEET... 91
3 ESIPUHE Oheinen Posivan työraportti on Helsingin yliopiston radiokemian laboratoriossa tehty pro gradu -tutkielma. Pro gradu -tutkielma noudattaa Helsingin yliopiston kemian laitoksen pro gradu -ohjetta ja ainoastaan tutkieman ulkoasua on muokattu Posivan työraporttia varten. Tutkimus on tehty Posivan biosfääri-tutkimushankkeen yhteydessä radiokemian laboratoriossa.
4
5 1 JOHDANTO Vaiheittaisten fraktioivien uuttojen avulla on mahdollista arvioida metallien käyttäytymistä ja vaikutuksia ympäristössä. Vaiheittaiset uutot kehitettiin alun perin, jotta tiedettäisiin enemmän hivenmetallien sitoutumisesta maaperään ja sedimentteihin sekä niiden liikkuvuudesta ja kiertokulusta ympäristössä. Metallien fraktioiminen maaperäja sedimenttinäytteistä antaa enemmän tietoa kuin metallien kokonaispitoisuuksien määrittäminen näytteistä. Uuttotulosten tulkinta ei kuitenkaan ole aina yksiselitteistä. Vaiheittaisia fraktioivia uuttoja voidaan hyödyntää ympäristön luonnollisten hivenmetallipitoisuuksien tutkimisen lisäksi myös ihmisen aiheuttaman saastutuksen ja saastenuklidien kulkeutumisen riskiarvioinnissa. Vaikka monet menetelmät on kehitetty sedimenteille, on niitä vuosien kuluessa hyödynnetty menestyksekkäästi myös muille näytematriiseille. Vaiheittaiset uutot soveltuvat myös radionuklidien fraktiointiin ja niiden avulla voidaan selvittää keinotekoisten saastenuklidien kulkeutumista ympäristössä sekä luonnon radionuklidien sitoutumista maaperään ja sedimentteihin. Pro gradu -tutkielman teoreettisen osan tavoitteena on esitellä vaiheittaisia fraktioivia uuttomenetelmiä, joita on käytetty metallien ja radionuklidien fraktiointiin, sekä arvioida menetelmien heikkouksia ja vahvuuksia. Tutkielmassa on keskitytty etenkin luonnon radionuklidien sitoutumiseen ja liikkuvuuteen ympäristössä. Pro gradu - tutkielman kokeellisessa osassa käsitellään Olkiluodon maaperänäytteille tehtyjä fraktioivia uuttoja. Näytteille suoritettiin viisivaiheinen uutto, jonka tarkoituksena oli saada tarkempaa tietoa uraanin, toriumin, radiumin ja lyijyn sitoutumisesta maaperässä. Uraanin ja toriumin pitoisuudet uuttofraktioissa analysoitiin induktiivisesti kytketyn plasma-massaspektrometrin (ICP-MS) avulla ja 210 Pb aktiivisuuspitoisuudet määritettiin alfaspektrometrisesti sen tytärnuklidin 210 Po:n kautta. Tutkielmassa raportoidaan myös uuttoliuoksista tämän pro gradu -työn ulkopuolella määritetyt 226 Ra:n osuudet uuttofraktioissa.
6
7 2 VAIHEITTAISET FRAKTIOIVAT UUTOT Useat eri menetelmät hivenmetallien esiintymismuotojen ja spesiaation määrittämiseksi maaperä- ja sedimenttinäytteissä ovat lähtöisin tutkimuksista, joissa on määritetty metallien saatavuutta kasvien ravinteenotossa sekä niiden liikkuvuutta luonnossa. 1 Tavat, joilla metallit ovat sitoutuneet maaperään ja sedimentteihin vaikuttavat myös niiden liikkuvuuteen, biosaatavuuteen sekä toksisuuteen. 2 Jo vuonna 1958 Goldberg ja Arrhenius 3 fraktioivat alkuaineita merisedimenteistä hyödyntäen pelkistävää reagenssia heikkoon happoon yhdistettynä. Tessier ym. 4 loivat vuonna 1979 pohjan vaiheittaisille fraktioiville uutoille kehittämällä viisivaiheisen uuttomenetelmän, jonka tarkoitus oli määrittää luonnon olosuhteissa liukoisten metallifraktioiden pitoisuuksia sedimenttinäytteissä. 2 Muita merkittäviä tutkimuksia fraktioivista uutoista ovat julkaisseet Chester ja Hughes 5 vuonna 1967 ja Kersten ja Förstner 6 vuonna 1986. Vaiheittaisilla fraktioivilla uutoilla on alun perin ajateltu saatavan tarkkaa tietoa metallien spesiaatiosta, mutta myöhemmin on tarkennettu uutoista saatavan tiedon olevan pikemminkin operatiivista eli käytetyistä uutto-olosuhteista ja reagensseista riippuvaisia. Käytännössä tämä tarkoittaa, ettei uuttojen avulla voida luotettavasti todeta metallien spesiaatiota tietyissä geokemiallisissa faaseissa. Vaihtelut uutto-olosuhteissa, joita ovat esimerkiksi ph, uuttoreagenssien pitoisuus, kiinteän näytteen massan suhde nesteen tilavuuteen, uuttoaika tai sekoitustapa, voivat vaikuttaa metallien osuuksiin ja liukenemiseen eri uuttofraktiossa. 7,8 Vaiheittaisissa uutoissa metallit fraktioidaan näytteistä peräkkäisten kemiallisten uuttojen avulla ja jokaisessa uuttovaiheessa käytetään aina voimakkaampaa reagenssia samalle näytteelle. Uutoissa käytettyjen reagenssien valintaan vaikuttaa niiden kyky hajottaa mahdollisimman selektiivisesti tiettyjä geokemiallisia faaseja. Uuttovaiheet vastaavat luonnossa tapahtuvia prosesseja, joita pyritään laboratorio-oloissa nopeuttamaan. Uuttoreagenssien pitoisuus ja uuttojen lämpötila ovat luonnon olosuhteita korkeammat ja myös ravistelu vahvistaa reaktioita. Uuttoreagenssien ja -menetelmän valintaan vaikuttavat näytematriisi sekä tutkitut metallit. Uutot perustuvat joko uuttoreagenssin taipumukseen irrottaa hivenaineita mineraalifaasista, esimerkiksi kationinvaihdolla tai sen kykyyn vapauttaa mineraalifaasiin sitoutuneet metallit vaikuttamalla suoraan faasin pysyvyyteen, esimerkiksi hajottamalla orgaanista ainesta. 2,9,10 Hivenmetallien esiintymistä määritettäessä uuttosuunnitelman tulisi olla tarpeeksi yksinkertainen, jotta analyysiaika ei ole liian pitkä ja kontaminaatioriski vaiheiden aikana ei kasva liian suureksi. 8 Vaikka vaiheittaiset uuttomenetelmät ovat aikaa vieviä, niiden avulla voidaan saada paljon tietoa hivenmetallien alkuperästä, esiintymismuodosta, biologisesta saatavuudesta, liikkuvuudesta sekä kulkeutumisesta. 4,9 Vaiheittaisilla uutoilla ei kuitenkaan voida saada tarkkaa tietoa metallien spesiaatiosta. Spesiaatiolla tarkoitetaan alkuaineiden kemiallista ja fysikaalista muotoa näytteissä. Spesiaatioon vaikuttaa useat eri tekijät, kuten se, onko alkuaine kiinteänä tai liuenneena faasina ja minkälaisina yhdisteinä ne esiintyvät. Metallien ja radionuklidien kemialliseen esiintymismuotoon vaikuttaa olennaisesti niiden hapetustilat. Radionuklidien spesiaatio vaikuttaa niiden kulkeutumiseen ja pidättäytymiseen ympäristössä. Esimerkiksi uraanin kulkeutumiseen luonnossa vaikuttaa vahvasti se, millä hapetusluvulla se esiintyy. Neljänarvoinen uraani on niukkaliukoinen kun taas kuudenarvoisena se esiintyy liukoisena uranyyli-ionina UO 2 2+. Uraanin liikkuvuuteen vesissä vaikuttaa myös se, esiintyykö uraani vapaana
8 ionina vai kompleksoituneena, sillä uraanyyli-ioni kiinnittyy helposti kolloidien ja 4- mineraalien pinnoille mutta kompleksoitunut uranyylikarbonaatti UO 2 (CO 3 ) 3 pysyy liukoisessa muodossa. 11 Spesiaatiolla on myös tärkeä merkitys metallien ja radionuklidien siirtymisessä ravintoketjussa ja koska vaiheittaisilla uutoilla ei voida selvittää metallien tarkkaa spesiaatiota näytteissä, ei niitä tulisi myöskään suoraan käyttää metallien biosaatavuuden arvioimiseen. 11,12 Fraktioivat uutot on kehitetty erityisesti kationisten metalliyhdisteiden (perinteisesti Cu, Cd, Cr, Fe, Pb, Mg, Ni ja Zn) käyttäytymisen arviointiin maaperässä. Niitä on myös sovellettu anionien ja anionisten spesiesten analysointiin. Arseeni ja seleeni esiintyvät useilla eri hapetustiloilla ja voivat esiintyä maaperässä anionisina yhdisteinä, kuten 2 2 3 SeO 3 (seleniitti-ioni), SeO 4 (selenaatti-ioni) ja AsO 4 (arsenaatti-ioni). 13 On kuitenkin kyseenalaista, sopivatko kationisten yhdisteiden fraktiointiin tarkoitetut vaiheittaiset uutot anionien ja anionisten yhdisteiden fraktiointiin, sillä uuttomenetelmien hapettavat ja pelkistävät uuttovaiheet vaikuttavat näiden spesiesten käyttäytymiseen. Esimerkiksi neljänarvoinen seleniitti hapettuu käytettäessä hapettavia reagensseja kuudenarvoiseksi selenaatiksi, joka on heikommin adsorboitunut. 14 Lisäksi uutot on alunperin kehitetty hivenmetallien analysointiin, eli vain pienten metallipitoisuuksien uuttamiseen kiinteistä näytteistä, minkä takia ne eivät välttämättä sovellu saastuneille näytteille, joiden metallipitoisuudet ovat korkeat. 15 2.1 Menetelmät Eri menetelmissä uutto-olosuhteet ja reagenssit eroavat usein toisistaan, mutta menetelmien geokemialliset kohdefraktiot ovat usein samat. Fraktioita tulisi kuitenkin pitää vain operatiivisina käsitteinä, eli ne ovat riippuvaisia uutto-olosuhteista, eivätkä fraktiot suoraan vastaa tiettyä geokemiallista faasia. Esimerkiksi happoliukoiset-fraktio usein yleistetään käsittämään vain karbonaatteihin sitoutuneet metallit. Tarkempi tapa nimetä fraktio on käytetyn reagenssin mukaan, kuten esimerkiksi 1 M etikkahappoon liukenevat faasit, sillä samalla saattaa liueta myös muitakin heikkoon happoon liukoisia yhdisteitä, esimerkiksi hydroksideja, karbonaattien lisäksi. Uuttomenetelmissä yleisesti esiintyvät fraktiot ovat: Näytteille suoritetaan ensin uutto laimeissa olosuhteissa, käyttämällä reagenssina elektrolyyttiliuoksia. Uuttovaiheen ph on lähellä neutraalia ph:ta. Metallit vapautuvat kiinteästä näytteestä liuoksen ionivahvuuden muuttuessa. 9,14 Näin uutettavat vaihtuvat metallit ovat sitoutuneet maa-hiukkasten pinnoille elektrostaattisin vuorovaikutuksin ja ovat kiinnittyneet pinnan ioninvaihtopaikoille. Tähän fraktioon tullaan myöhemmin viittaamaan tekstissä nimellä vaihtuvatfraktio. Esimerkkinä yleisesti käytetystä reagenssista on MgCl 2, jossa yhdistyy Mg 2+ -ionin kohtalaisen voimakas kyky kiinnittyä pintojen ioninvaihtopaikoille sekä Cl - -ionin heikko kompleksointikyky. 14 Verrattuna yhdenarvoisiin kationeihin, kahdenarvoiset kationit adsorboituvat useimmiten tehokkaammin pintojen ioninvaihtopaikoille. Ammonium-ionia (NH + 4 ) voidaan pitää poikkeuksena, sillä se yhdenarvoisena kationina pääsee kahdenarvoisia kationeja tehokkaammin kiinnittymään savimineraalien kerrosten välisiin ioninvaihtopaikkoihin. 16 Joskus tätä uuttovaihetta voi edeltää myös vesiliukoisten yhdisteiden uutto. 17 Luonnon maaperänäytteet sisältävät myös maavettä, joka
9 haihtuu kuivauksen ja esikäsittelyn seurauksena. Tällöin maavedessä olevat yhdisteet jäävät kiinteän näytteen pinnalle ja ne voidaan uuttaa erillisellä vesiuutolla. Useimmiten erillistä vesiuuttoa ei kuitenkaan tehdä, koska sen osuus on erittäin pieni. Edellisestä uuttovaiheesta jäljelle jääneelle kiinteälle näytteelle tehdään seuraavaksi uutto heikolla hapolla. Tämä uuttovaihe kohdistuu helposti happoliukoisiin mineraaleihin, kuten karbonaatteihin ja näihin faaseihin sitoutuneisiin metalleihin. 9,14 Fraktiota kutsutaan tässä happoliukoiset-fraktioksi. Tessier ym. 4 totesivat CH 3 COONa + CH 3 COOH yhdistelmän (ph 5) olevan hyvä karbonaattien hajoitukseen. Uuttoreagenssin puskurointi Na + -suolalla edesauttaa dolomiitin (CaCO 3 MgCO 3 ) liukenemista. Reagenssin ei uskota kuitenkaan vaikuttavan näytteiden orgaaniseen ainekseen, Fe- ja Mn-oksideihin tai alumiinisilikaatteihin. 4 Etikkahapolla puskuroitu ammoniumasetaatti (CH 3 COONH 4 + CH 3 COOH) on myös yleinen uuttoreagenssi tässä vaiheessa. Kolmannessa uuttovaiheessa tehdään edellisestä uuttovaiheesta jäljelle jääneelle näytteelle uutto pelkistävällä reagenssilla. Muuttamalla näytteen Eh:ta ja ph:ta voidaan maaperän Fe(III) ja Mn(IV) pelkistää. 9 Fraktiota kutsutaan tutkielmassa pelkistyvät-fraktioksi. Tässä uuttovaiheessa vapautuu pääasiassa raudan, mangaanin ja myös alumiinin vedellisiin oksideihin, joita ovat oksidit [MO x ], hydroksidit [M(OH) x ] ja oksihydroksidit [MO x OH y ], sitoutuneita metalleja. Alumiinioksidien liukeneminen tässä uuttovaiheessa johtuu alhaisesta ph:sta, ei pelkistävistä olosuhteista. Fe- ja Mn-vedelliset oksidit voivat esimerkiksi olla saostuneena maa-hiukkasten pinnoille, toimia sementtinä partikkeleiden välissä tai ne voivat olla erillisinä ryppäinä partikkeleiden joukossa. Ne pystyvät sitomaan suuren määrän hivenmetalleja eri mekanismein, kuten kerasaostuksella, adsorptiolla, pintakompleksoinnilla sekä ioninvaihdolla. 9 Fe- ja Mnvedellisten oksidien liukoisuus vaihtelee kohtalaisen liukoisista amorfisista oksideista niukkaliukoisiin kidellisiin oksideihin. 16 Uutoissa käytettävien eri reagenssien selektiivisyyttä voidaan arvioida pelkistyspotentiaalien avulla. Esimerkiksi standardielektrodipotentiaali E 0 on 1,23 V reaktiolle MnO 2 + 4 H + + 2e Mn + + 2 H 2 O, jolloin MnO 2 :n voi teoriassa pelkistää pelkistin, jolla on alhaisempi E 0 arvo. Puolireaktiosta voidaan kuitenkin huomata, että pelkistyspotentiaalit ovat systeemin ph:sta riippuvaisia, koska reaktiossa ovat H + ionit läsnä. Pelkistyspotentiaalien vertaaminen kertookin vain sen, mikä reaktio on termodynaamisesti mahdollinen. Reaktiomekanismit ovat puolireaktioita monimutkaisimpia todellisissa luonnon näytteissä. 16 Hyvä reagenssi tämän fraktion uuttamiseksi sisältää sekä pelkistävän reagenssin, että ligandin, joka pystyy kompleksoimaan liuokseen vapautuvat ionit. 14,16 Hydroksyyliamiinihydrokloridi, NH 2 OH HCl on suosittu uuttoreagenssi, joka ensisijaisesti pelkistää Mn-oksihydroksideja, mutta laskemalla liuoksen ph:ta ja nostamalla konsentraatiota myös reagenssin kyky pelkistää rautaa paranee. 18 Tessier ym. 4 osoittivat myös, että korotettu lämpötila auttoi raudan pelkistymistä: uutto oli käytännössä täydellinen, kun se suoritettiin 96 C:ssa.
10 Seuraavassa uuttovaiheessa näytteelle tehdään uutto hapettavalla reagenssilla, mikä johtaa näytteiden orgaanisen aineksen hajoamiseen hapettavissa olosuhteissa ja siihen sitoutuneiden alkuaineiden vapautumiseen liuokseen. Lisäksi myös sulfidit voivat hapettua sulfiiteiksi (SO 3 2- ) ja sulfaateiksi (SO 4 2- ), jolloin sulfideihin sitoutuneet metallit voivat vapautua uuttovaiheessa. 9,14 Tätä vaihetta kutsutaan hapettuvat-fraktioksi. Maaperän orgaanisesta aineksesta on kerrottu enemmän kappaleessa 3.1.1. Metallit voivat sitoutua maaperän orgaaniseen ainekseen esimerkiksi kompleksoinnin tai bioakkumulaation seurauksena. 9 Vetyperoksidi, H 2 O 2 (30 %) on uutoissa yleisesti käytetty hapetin. Typpihapon lisääminen uuttovaiheeseen alentaa ph:ta ja estää raudan hydroksidien muodostumisen. Raudan hydroksidit voivat sitoa liuokseen vapautuneita metalleja. Metallien takaisinadsorboituminen näytematriisiin uuttojen aikana on yksi fraktioivien uuttojen merkittävimmistä ongelmista. Metallien takaisinadsorptiota voidaan estää typpihapon lisäksi myös muilla elektrolyyttiliuoksilla, kuten CH 3 COONH 4 :n tai MgCl 2 :n avulla. Takaisinadsorptiosta on kerrottu enemmän kappaleessa 2.3.3. Hapettumisprosessia edistetään lämmityksellä useiden tuntien ajan. Kaiken orgaanisen aineksen hajotusta ei kuitenkaan voida taata, etenkin jos näytteen orgaanisen aineksen pitoisuus on korkea. Lisäksi reaktiossa sivutuotteena syntyvät oksalaatti-ionit voivat hajottaa näytteen vedellisiä oksideja. 16 Kun ph on alle 5, H 2 O 2 voi pelkistää myös MnO 2 :a. 16,19 Viimeistä uuttofraktiota kutsutaan jäännösfraktioksi. Fraktion hajotukseen käytetään vahvoja happoja, kuten HClO 4 :a, HCl:a ja HNO 3 :a. 14 Jäännösfraktion metalliosuuksilla voidaan arvioida suurinta mahdollisesti liikkuvaa metalliosuutta luonnon olosuhteiden muuttuessa eli metallien näennäiskokonaispitoisuutta näytteissä. 10 Uuttovaihe ei siis kerro metallien kokonaispitoisuuksia näytteessä, sillä käytetyt vahvat hapot eivät hajota kaikkea mineraaliainesta, kuten esimerkiksi silikaatteja. Jäännösfraktiossa liukenee lähinnä muiden primääristen ja sekundääristen mineraalien kidehiloihin tai niukkaliukoisiin oksideihin sitoutuneet metallit. ISO 11466 standardin mukaan suoritettu hajotus kuningasvedellä (HNO 3 /HCl) on yleisesti käytetty menetelmä, kun halutaan selvittää vahvaan happoon liukenevien alkuaineiden kokonaispitoisuudet näytteissä. 10 Näytteen kokonaishajotus voidaan suorittaa käyttämällä HF:a ja HNO 3 :a (US EPA 3052 menetelmä) ja hajoitusta voidaan tehostaa mikroaaltojen avulla. 20 Seuraavaksi on esitelty tarkemmin kolme vaiheittaista uuttomenetelmää; Tessierin, BCR:n sekä NIST:n menetelmät. Jokaisen menetelmän kohdalla on lyhyesti esitelty menetelmän pääpiirteet, uutto-olosuhteet sekä fraktioinnin vaiheet. Menetelmien vertailu toisiinsa on ongelmallista, sillä uutto-olosuhteet eroavat kaikissa esitetyissä menetelmissä. Alla kuvattujen menetelmien lisäksi on joukko muita menetelmiä ja modifiointeja näistä yleisimmin käytetyistä menetelmistä. Fraktioivia uuttomenetelmiä on kehitetty erilaisille näytematriiseille ja alkuaineryhmille, kuten esimerkiksi epämetallien ja anionisten yhdisteiden analysointiin. Myös uuttoprosessien fraktioiden määrä voi vaihdella, edellä kuvatun viiden fraktion lisäksi on olemassa uuttoprosesseja, jotka sisältävät useampia vaiheita. Muita radionuklidien fraktiointiin käytettyjä uuttomenetelmiä on tarkemmin kuvattu kappaleessa 3.2.4.
11 2.1.1 Tessierin menetelmä Tessier, Campbell ja Bisson 4 kehittivät yleisesti Tessierin menetelmäksi kutsutun vaiheittaisista uutoista koostuvan erotusprosessin, jossa erotettiin järvisedimenttinäytteiden hivenmetallit (Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Zn, Fe, ja Mn) viiteen eri fraktioon; vaihtuvat, karbonaatteihin sitoutuneet, raudan ja mangaanin oksideihin sitoutuneet, orgaaniseen ainekseen sitoutuneet sekä jäännösfraktio. Selvyyden vuoksi uuttomenetelmän fraktioihin viitataan jatkossa nimillä vaihtuvat-, happoliukoiset-, pelkistyvät-, hapettuvat- ja jäännösfraktio. Fraktioiden valintaan vaikutti niiden todennäköisyys vapautua luonnon omissa olosuhteissa, lukuun ottamatta jäännösfraktiota, jolla tarkoitetaan lähinnä mineraalien kidehiloihin pidättyneitä metalleja ja joiden ei oleteta vapautuvan lyhyen aikavälin geologisissa prosesseissa. 4 Tessierin vaiheittainen uuttomenetelmä on esitetty kuvassa 1. Homogenisoidun ja kuivatun sedimenttinäytteen massa on 1 g, jolloin kiinteän näytteen suhde uuttoliuokseen on 1:8 tai 1:20 (g:ml). Näytteet sentrifugoidaan jokaisen uuttovaiheen jälkeen (10 000 rpm, 30 min) ja uute erotetaan pipetoimalla liuosnäyte kiinteän näytteen pinnalta. Jäljelle jäänyt sedimenttinäyte pestään 8 ml:lla ionivaihdettua vettä, joka sentrifugoinnin jälkeen hylätään. Erotettujen uutteiden metallipitoisuudet voidaan analysoida atomiabsorptiospektrofotometrilla (AAS), induktiivisesti kytketyllä plasma - massaspektrometrilla (ICP-MS) tai induktiivisesti kytketyllä plasma -optisella emissiospektrometrilla (ICP-OES).
12 UUTTOVAIHEET FRAKTIO 8 ml 1M MgCl 2 (ph 7) Uutto huoneenlämmössä, 1 h Jatkuva sekoitus Vaihtuvat 8 ml 1 M CH 3 COONa (ph 5, säätö CH 3 COOH) Uutto huoneenlämmössä, 5 h Happoliukoiset Jatkuva sekoitus 20 ml 0,04 M NH 2 OH HCl (25% CH 3 COOH:ssa, ph2) Uutto 96 C, 6 h Ajoittainen sekoitus Pelkistyvät 3 ml 0,02 M HNO 3 ja 5 ml 30% H 2 O 2 (ph 2, säätö HNO 3 ) Uutto 85 C, 2 h, ajoittainen sekoitus 3 ml 30% H 2 O 2 (ph 2, säätö HNO 3 ) Hapettuvat Uutto 85 C, 3 h, ajoittainen sekoitus 5 ml 3,2 M CH 3 COONH 4 (20 % HNO 3 :ssa) Uutto 25 C, 30 min, jatkuva sekoitus Hajoitus väk. HClO 4 ja HF Jäännösfraktio Kuva 1. Selektiivinen vaiheittainen uuttomenetelmä Tessier ym. mukaan 4. Tessier ryhmineen totesi uuttomenetelmän toistotarkkuuden (precision) ja oikeellisuuden (accuracy) yleisesti hyväksi, vaikkakin näytematriisin heterogeenisyys mainittiin rajoittavana tekijänä. Uuttovaiheiden selektiivisyyttä arvioitiin lisätutkimusten avulla. Sedimenttinäytteistä analysoitiin ennen ja jälkeen uuttojen päämineraalit, rikki, epäorgaaninen ja orgaaninen hiili sekä uutteista määritettiin tiettyjen aineiden pitoisuudet (pii, alumiini, kalsium, rikki, epäorgaaninen ja orgaaninen hiili). Vaiheittainen uuttomenetelmä todettiin riittämättömäksi kuvaamaan suoraan sedimenttinäytteiden geokemiallisia faaseja. Metallien jakaantumista fraktioihin tulisi siis pitää vain operatiivisina, uuttomenetelmän määrittäminä fraktioina. 4 Pérez-Cid ryhmineen 21 ovat myös tutkineet Tessierin menetelmän uusittavuutta (reproducibility) ja selektiivisyyttä. Tutkimuksessa todettiin, että paras uusittavuus saavutetaan happoliuokoiset- ja pelkistyvät-fraktioissa sekä jäännösfraktiossa, kun taas analyysin uusittavuus on huonoimmillaan hapettuvat- ja vaihtuvat-fraktioissa. Tutkimuksessa epäiltiin, että reagenssin selektiivisyys on riittämätön orgaanisen faasin koko-
13 naishajotukseen hapettuvat-fraktiossa. 21 Analyysin toistettavuudella (repeatability) tarkoitetaan peräkkäisten analyysitulosten yhtäpitävyyttä, kun analyysit on tehty lyhyellä aikavälillä samaa menetelmää käyttäen ja saman henkilön tekeminä samoissa olosuhteissa ja samalla analyysilaitteella. Analyysin uusittavuudella taas tarkoitetaan analyysitulosten yhtäpitävyyttä, kun analyysit on suoritettu eri mittauslaitteella eri paikoissa tai eri henkilön tekeminä tai pitkällä aikavälillä. 22 Tessierin uuttomenetelmää on vuosien aikana sovellettu laajasti erilaisille näytteille. Sedimenttinäytteiden lisäksi sitä on käytetty esimerkiksi kaivosjätteille, 23 kaivostoiminnan saastuttamalle maaperälle, 24 uraanikaivoksen saastuttamalle maanviljelymaaperälle, 25 ja kivihiilen polton saastuttamalle maaperälle. 26 Tessierin menetelmän etuna onkin sen laaja käyttö eri tutkimuksissa. Tuloksia vertailtaessa tulee kuitenkin olla tarkka siitä, onko käytetty menetelmä todella juuri Tessier ym. kuvaama, vai onko siihen tehty joitain muutoksia, mikä on varsin yleistä. 2.1.2 BCR-menetelmä BCR (European Community Bureau of Reference, nykyisin The Standards, Measurements and Testing Programme eli SM&T) kehitti kolmivaiheisen uuttomenetelmän sedimenttinäytteille. 31 Tarkoituksena oli kehittää standardisoitu vaiheittainen uuttoprosessi, jonka tulokset olisivat vertailukelpoisia ja yhtenäisiä myös eri laboratorioiden välillä ja lisäisivät näin menetelmän luotettavuutta. Menetelmää testattiin laboratorioiden välisin testein ja menetelmälle on sertifioitu sedimentti-referenssimateriaaleja tietyille metalleille (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb ja Zn). 27-32 BCR-uuttomenetelmää paranneltiin myöhemmin ja menetelmää sovellettiin sedimenttien lisäksi myös maaperänäytteille. 1,27 BCR-menetelmässä on kiinnitetty erityisesti huomiota prosessin toistettavuuteen ja eri vaiheet on kuvattu yksityiskohtaisesti. Uuttofraktiot luokitellaan kemiallisten prosessien mukaan eikä kohdemineraalifaasien mukaan. 2 Menetelmässä näyte fraktioidaan kolmeen eri fraktioon, joista ensimmäisessä, vaihtuvat ja happoliukoiset-fraktiossa yhdistyvät Tessierin menetelmän kaksi ensimmäistä fraktiota. Toisen uuttovaiheen kohdefaasi on pelkistyvät-fraktio ja kolmannessa vaiheessa uutetaan hapettuvat-fraktio. Hapettuvat-fraktion hajoituksessa käytetään vetyperoksidin lisäksi myös ammoniumasetaattia, jonka tarkoitus on estää metallien takaisinadsorptiota näytteeseen. Viimeisen uuttovaiheen jälkeen suositellaan vielä jäljelle jääneen näytteen hajotusta kuningasvedellä ja että uuttuneiden metallien kokonaispitoisuutta (vaihe 1 + vaihe 2 + vaihe 3 + jäljelle jääneet) verrattaisiin metallipitoisuuksiin erillisestä kuningasvesihajotuksesta. BCR:n vaiheittainen uuttomenetelmä on esitetty kuvassa 2. Sedimenttinäytteen massa on 1 g ja näytteet sentrifugoidaan jokaisen uuttovaiheen jälkeen (3000g, 20 min). Uutteet dekantoidaan ja jäljelle jäänyt sedimenttinäyte pestään 20 ml:lla tislattua vettä (ravistelu 15 min), joka sentrifugoinnin jälkeen hylätään. Metallien määritysmenetelminä on käytetty esimerkiksi ICP-MS:a (induktiivisesti kytketty plasmamassaspektrometria) tai ETAAS:a (elektroterminen atomiabsorptiospektrometria).
14 UUTTOVAIHEET FRAKTIO 40 ml 0,11 M CH 3 COOH Uutto 22,5 ± 5 C, 16 h Helposti vaihtuvat ja happoliukoiset Jatkuva sekoitus 40 ml 0,5 M NH 2 OH HCl Uutto 22,5 ± 5 C, 16 h Jatkuva sekoitus Pelkistyvät 10 ml 30 % H 2 O 2 Uutto 22,5 ± 5 C, 1h, ajoittainen sekoitus Uutto 85 ± 2 C, 1h Näyte haihdutetaan n. 3ml:aan Hapettuvat 10 ml 30 % H 2 O 2 Uutto 85 ± 2 C, 1h Näyte haihdutetaan n. 1ml:aan 50 ml 1 M CH 3 COONH 4 Uutto 22,5 ± 5 C, 16 h, jatkuva sekoitus (HNO 3 +HCl) Jäännösfraktio Kuva 2. BCR-menetelmä 1. BCR-menetelmä on Tessierin menetelmän jälkeen kirjallisuudessa kaikkein eniten käytetty fraktioiva uuttomenetelmä ja sitä on sovellettu laajasti luonnon sedimenttien 29 ja maaperänäytteiden 33,34 lisäksi myös esimerkiksi saastuneille maanäytteille, 35 kalsiumkarbonaattipitoisille maaperänäytteille 36 sekä merisedimenteille. 37 Ciceri ym. 38 validoivat BCR-uuttomenetelmän sopimaan pienille näytemäärille; 0,1g näytteelle suoritettiin uutto kiinteäfaasiuutto-kolonnissa. Kiinteä näyte pakattiin 12 ml:n kolonniin, jonka toisessa päässä oli suodatin ja hana neste- ja kiinteän faasin erotusta varten. Uuttoajat ja -reagenssit olivat samat kuin perinteisessä BCR-menetelmässä. Marin ym. 37 testasivat BCR-menetelmän uusittavuutta sedimentti-referenssimateriaalille. BCR-menetelmä havaittiin riittävän uusittavaksi ja toistettavaksi metallien spesiaatiotutkimuksiin myös luonnon sedimenttinäytteille, joissa metallipitoisuudet ovat usein pienet ja matriisi on heterogeenisempää verrattuna referenssinäytteisiin. Uuttomenetelmään liittyvää metallien takaisinadsorptiota näytematriisiin on tutkittu radioaktiivisten merkkiaineiden avulla. Esimerkiksi on määritetty lyijyn 39 ja kadmiumin sekä sinkin 40 adsorptiota uuttojen aikana. Takaisnadsorptiosta on kerrottu lisää kappaleessa 2.3.3.
15 2.1.3 NIST-menetelmä National Institute of Standards and Technology eli NIST kehitti 1990-luvun lopussa vaiheittaisen fraktioivan uuttomenetelmän erityisesti radionuklidien määrittämiseksi sedimenttinäytteistä. 41-43 Menetelmä pohjautuu Tessierin ym. 4 kehittämään uuttoprosessiin ja sitä testattiin referenssimateriaalilla (IAEA-135 merisedimentti), jonka avulla tutkittiin aktinidien Am, Pu ja U sekä pysyvien alkuaineiden fraktioitumista. Tämä Schultz et al:n 42 kehittämä uuttomenetelmä on alunperin viisivaiheinen ja sen kohdefaasit ovat vesiliukoiset/vaihtuvat, orgaaninen materiaali, karbonaatit, Fe- ja Mnoksidit sekä jäännösfraktio. Orgaanisen faasin hajotukseen käytetään 5-6 % NaOCl:a ja vaihe suoritetaan ennen karbonaattien liuotusta, koska maahiukkasia usein päällystää ohut orgaanisen aineksen kerros, joka saattaisi estää reaktiot muiden geokemiallisten faasien kanssa. Tätä menetelmää kutsutaan jatkossa NIST:n alkuperäiseksi menetelmäksi. Menetelmää kuitenkin muutettiin myöhemmin merkittävästi, sillä Schultz ym. 42 havaitsivat, että NaOCl voi liuottaa myös karbonaatteja. Menetelmää paranneltaessa 43-45 vaihdettiin orgaanisen faasin hajotukseen reagenssiksi H 2 O 2. Outola ym. 46 ovat lisäksi parantaneet uutto-olosuhteita lämpötilan, uuttoreagenssien konsentraation sekä uuttoajan suhteen 239,240 Pu:lle ja 238 U:lle. Tähän Outola ym. 46 muokkaamaan menetelmään viitataan myöhemmin tekstissä nimellä NIST:n paranneltu menetelmä. NIST-menetelmässä uuttoliuoksen ja kiinteän aineen suhde on 15:1, esimerkiksi 180 ml liuosta ja 12 g näytettä. Näyte kostutetaan ensin lisäämällä siihen 35 ml vettä päivää ennen ensimmäistä uuttoa. Uuttojen jälkeen näytteet sentrifugoidaan ja suodatetaan vakuumisuodatuksella (0,45 m). Stabiilit alkuaineet analysoidaan liuoksista käyttämällä ICP-OES:a tai ICP-MS:a (induktiivisesti kytketty plasma optinen emissiospektrometria tai massaspektrometria) ja 239,240 Pu sekä 238 U aktiivisuudet määritetään alfaspektrometrisesti. Radionuklidien erotukseen käytetään ekstraktiokromatografiaa. Menetelmä ei hajota kaikkea mineraaliainesta, eikä se vapauta alkuaineita, jotka ovat sidoksissa kaikkein kestävimpiin mineraalifaaseihin, kuten silikaatteihin, mihin myös menetelmällä saatavat alhaiset Si-pitoisuudet viittaavat. Kuvassa 3 on esitetty Schultz ym. 42 kehittämä alkuperäinen NIST-menetelmä sekä Outola ym. 46 paranneltu NISTmenetelmä. NIST-uuttomenetelmää on hyödynnetty sertifioitujen meri- ja järvisedimenttien lisäksi myös maaperänäytteille 47 ja uraanikaivoksen jätekasojen lähistöltä kerätyille maaperänäytteille. 48,49
16 Paranneltu NIST-menetelmä Alkuperäinen NIST-menetelmä UUTTOVAIHE FRAKTIO UUTTOVAIHE FRAKTIO 0,1 M MgCl 2 H2O / 0,4 M MgCl 2 Uutto 25 C, 1h Helposti vaihtuvat Uutto 25 C, 1h, ph 5 Vesiliukoiset/vaihtuvat 1M CH 3 COONH 4 (25%:ssa CH 3 COOH) Uutto 50 C, 2h Happoliukoiset 5-6% NaOCl Uutto 96 C, 2 x 0,5h, ph 7,5 Orgaaninen aines 0,1 M NH 2 OH HCl (25%:ssa CH 3 COOH) Uutto 70 C, 6h Pelkistyvät 1,0 M CH 3 COONa (25%:ssa CH 3 COOH) Uutto 25 C, 2 x 2h, ph 4 Happoliukoiset 30% H 2 O 2 (110 ml) ja 0,05 M HNO 3 (70 ml) Hapettuvat 0,04 M NH 2 OH HCl Uutto 25 C, 5h, ph 2 Pelkistyvät Uutto70 C, 3 h, ph:n tulee olla alle 2,5 NaOH sulatus (550 C, 8h) 4 M HNO 3s Tiukasti sitoutuneet tai Jäännösfraktio Uutto 90 C, 4h HNO 3 /HCl/HF/HClO 4 hajoitus Kuva 3. Outola ym. 46 paranneltu NIST-menetelmä sekä Schultz ym. 42 kehittämä alkuperäinen NIST-menetelmä. Shultz ym. 42 arvioivat aktinidien takaisinadsorptiota uuttojen aikana radioaktiivisten merkkiaineita, jotka eivät esiinny luonnostaan näytteissä. Uuttoliuoksen lisäämisen yhteydessä lisättiin merkkiaine, joka kuvasi radionuklidien takaisinadsorptiota näytematriisiin (plutoniumille esimerkiksi Pu-236) ja radiokemiallisten erotusten tehokkuutta valvottiin eri merkkiaineen avulla (Pu-242). Vastaavasti tutkittiin myös uraanin ja amerikiumin takaisinadsorptiota uuttojen aikana U-232- ja U-236-merkkiaineiden sekä Am-243-merkkiaineen avulla. Samalla tutkittiin myös EDTA-pesun lisäämisen vaikutusta analyyttien uudelleenjakaantumisen vähentämiseen matriisissa. Schultz ym. havaitsivat, että vaikka EDTA vähensi amerikiumin ja plutoniumin takaisinadsorptiota, se samalla vaikutti uuttojen selektiivisyyteen ja pesuvaihetta uuttojen yhteydessä ei suositeltu. 2.2 Uuttoihin vaikuttavat päätekijät 2.2.1 Uutto-pH Uuttomenetelmien eri vaiheiden ph:t ovat usein tarkasti määritelty. Esimerkiksi happoliuokoiset-fraktion uuttamista suositellaan usein tehtäväksi ph:ssa 4-5, sillä sen tulisi olla riittävä karbonaattien liukenemiseen. 16 Etenkin pelkistävän uuttovaiheen ph:n merkitystä on tutkittu paljon eri menetelmissä. Sahuquillo ym. 27 testasivat BCRmenetelmän pelkistävät-fraktion uuttoa ph alueella 1,0-3,0 ja huomasivat, että kadmiumin, nikkelin ja sinkin pitoisuudet eivät vaihdelleet kovin paljon ph:n
17 muuttuessa kun taas kromi, kupari ja lyijy olivat kaikkein herkimpiä ph:n muutoksille. Väärin tehty ph:n säätö uutoissa voi aiheuttaa virheitä etenkin uuttotulosten toistettavuuteen. 27 Hapettavassa uuttovaiheessa voidaan hyödyntää eri reagensseja, esimerkiksi natriumhypokloriittia, alkalipyrofosfaatteja tai vetyperoksidia. Vetyperoksidin etu on kuitenkin reaktion alhainen ph (2), joka vähentää metallien hydrolyysia sekä adsorptiota takaisin näytteen pinnalle. 45 Outola ym. 46 havaitsivat, että hapettavassa uuttovaiheessa ph:n noustessa yli arvon 2,5 plutonium todennäköisesti adsorboituu takaisin sedimenttiin. Samankaltaista käytöstä havaittiin lyijyllä, titaanilla ja fosforilla. Jos ph oli uuton loputtua yli 2.5, sen säätäminen jälkikäteen auttoi jossain määrin, mutta parhaimmat tulokset saavutettiin kun ph ei noussut uuton aikana yli suositellun ph arvon 2,5. 2.2.2 Neste/kiinteä-suhde Uuttoreagenssin tilavuuden vaihteluilla kiinteän näytteen massan suhteen voi olla erilaisia vaikutuksia. Tessier ym. 4 käyttivät menetelmässään 8:1 (ml/mg) uuttoliuoksen suhdetta kiinteään näytteeseen, mutta Schulz ym. 42 nostivat liuoksen suhdetta kiinteään näytteeseen lähes kaksinkertaiseksi; 15:1 (ml/mg), jotta valittujen faasien uutto ei jäisi keskeneräiseksi. Uuttomenetelmää testattiin lisäksi myös pienemmillä neste/kiinteäsuhteilla (5:1 ja 9:1). 41,42 BCR-menetelmässä kahden ensimmäisen uuttovaiheen uuttoreagenssin suhde kiinteään näytteeseen on jopa 40:1. Näytematriisin ominaisuudet tulisi huomioida uuttoreagenssin ja näytteen suhdetta valittaessa. Näytteen sisältäessä paljon jotain liuotettavista fraktioista, esimerkiksi karbonaattimineraaleja, tulisi tämän kyseisen fraktion liuottamiseksi tarkoitetun reagenssin määrää kasvattaa, jotta uuttovaihe tapahtuisi täydellisesti. 50 Vastaavasti, jos näytteen orgaanisen aineksen määrä on korkea, tulisi orgaanisen aineksen hajotukseen käytetyn reagenssin tilavuutta kasvattaa, jotta kaikki orgaaninen aines hajoaisi. 2.2.3 Muut uuttoihin vaikuttavat tekijät Fraktioiviin uuttoihin vaikuttaa myös monet muut tekijät, kuten sekoitusnopeus ja -tapa, uuttoaika ja -lämpötila, uuttovaiheiden järjestys sekä uuttoreagenssien pitoisuus. Myös matriisin ominaisuudet vaikuttavat uuttojen lopputulokseen. Quevauviller ym. 29 havaitsivat BCR-menetelmää tutkiessaan, että vaihtelut sekoitustavassa ja -nopeudessa voivat muuttaa uuttotuloksia. On tärkeää, että kiinteä näyte pysyy suspensiossa koko uuton ajan. BCR-menetelmää käytettäessä sekoitus uuttojen aikana tulisi suorittaa aina samalla tavalla, jotta tulokset ovat vertailtavia. Davidson ja Delevoye 51 tutkivat BCR-menetelmän uuttojen nopeuttamista ultraäänihauteen ja - sauvan avulla ja ultraäänen vaikutusta kuparin, raudan, mangaanin ja sinkin liukoisuuteen. Ultraäänen käyttö nopeutti uuttoja ja Cu:n, Mg:n ja Zn:n fraktioituminen vastasi hyvin perinteisen mekaanisen sekoituksen avulla suoritettujen uuttojen tuloksia. Ultraäänen havaittiin soveltuvan hyvin järvisedimenteille mutta ei merisedimenteille. Lisäksi raudan osuudet fraktioissa eivät vastanneet perinteisellä mekaanisella sekoituksella saatavia osuuksia. Tästä pääteltiin, että ultraäänen avulla suoritettu uutto ei välttämättä kohdistu näytteen kohdematriiseihin samalla tavalla kuin mekaanisella sekoituksella suoritettu uutto. Myös Pérez-Cid ym. 52 tutkivat BCR-menetelmän
18 nopeuttamista ultraäänen avulla, mikä lyhensi uuttojen kokonaisajan 51 tunnista vain 22 minuuttiin. Analyysin nopeuttaminen heikensi kuitenkin vertailtavuutta, sillä vaikka tulokset ovat yleisesti toistettavia, havaittiin tietyissä fraktioissa vaihteluita joidenkin metallien kohdalla. Uuttoja on pyritty tehostamaan myös mikroaaltojen avulla. Ultraääni- ja mikroaaltokäsittelyiden fysikaaliset prosessit kuitenkin eroavat merkittävästi mekaanisesta sekoituksesta, eikä voida olettaa, että tulokset olisivat täysin vertailukelpoisia. 2 Fraktioivia uuttoja on yritetty nopeuttaa suorittamalla uuttojärjestelyt dynaamisesti, pakkaamalla näyte esimerkiksi kolonniin, jolloin uuttoliuotin virtaa jatkuvalla syötöllä näytteen läpi. Tämä voi estää analyyttien takaisinadsorptiota näytematriisiin ja lisäksi näytteen suora syöttö analyysilaitteisiin, kuten ICP-OES tai ICP-MS, on mahdollista. 2 Onkin kyseenalaista, voiko luonnon olosuhteita ja metallien biosaatavuutta todella simuloida perinteisillä fraktioivilla uutoilla, jotka perustuvat tietyn näyte-erän ja uuttoliuottimen väliseen tasapainoon, kun luonnossa reaktiot tapahtuvat dynaamisissa olosuhteissa. 53 Uuttomenetelmä on yritetty automatisoida ja miniatyrisoida hyödyntämällä virtausinjektioanalyysiä (FIA, flow injection analysis) tai vaiheittaista injektioanalyysiä (SIA, sequentian injection analysis), Vaiheittaisessa injektioanalyysi-systeemissä näyte on pakattu kolonniin, jonka läpi voidaan syöttää jatkuvalla virtauksella tietty tilavuus uuttoreagenssia sopivalla virtausnopeudella. SIA-systeemi kerää uuttofraktion näytesilmukkaan ja kun uuttoreagenssia on syötetty näytteen läpi haluttu aika, voidaan uuttoreagenssi vaihtaa seuraavan uuttovaiheen reagenssiin, joka kerätään toiseen näytteenkeräyssilmukkaan. Kiinteän näytteen läpi kulkeneet uuttoliuokset voidaan syöttää suoraan analyysilaitteelle, jonka avulla analysoidaan fraktioidut alkuaineet. 53,54 Jatkuvavirtausuutto-systeemin eduiksi voidaan myös lukea, että sen myötä poistuu näytteiden erotukseen, pesuun ja suodatukseen liittyvät kontaminaatiovaarat. 2.3 Fraktioivien uuttojen ongelmat Fraktioivien uuttojen suurimmat ongelmat liittyvät uuttoreagenssien selektiivisyyteen sekä hivenmetallien uudelleenjakautumiseen uuton aikana tai sen seurauksena. Lisäksi käytettyjen menetelmien laaja kirjo vaikeuttaa tulosten vertailtavuutta, sillä pienetkin erot uutto-olosuhteissa voivat vaikuttaa tuloksiin. BCR-menetelmässä yritettiin ratkaista tämä ongelma kehittämällä validoidun uuttomenetelmän, joka sopisi monille eri näytteille ja jonka laatua voisi vertailla sertifioiduilla referenssimateriaaleilla. Myös käytettävät uutto-olosuhteet määriteltiin aikaisempaa tarkemmin ja kiinnitettiin huomiota myös näytteiden ravistelutapoihin, esikäsittelyyn ja kiinteän näytteen erottamiseen nesteestä. 55 Tästä huolimatta myös muut menetelmät ovat säilyttäneet suosionsa ja etenkin Tessierin menetelmän kiistaton etu on sen laaja käyttö jo vuosikymmenten ajan. Metallien biosaatavuuden arviointi on useimmiten yksi tärkeimmistä fraktioivien uuttojen tavoitteista, mutta uuttojen kykyä mallintaa luonnossa tapahtuvia ilmiöitä on kyseenalaistettu, sillä vahvat reagenssit ja nopeutetut reaktiot eroavat huomattavasti luonnon olosuhteista. 12 Myös erot näytematriiseissa vaikuttavat fraktioivien uuttojen tuloksiin. Esimerkiksi BCR:n ja Tessierin uuttomenetelmät on alunperin kehitetty sedimenttinäytteiden
19 analysointiin, mutta niitä on myöhemmin sovellettu myös maaperänäytteille. Maaperä koostuu heterogeenisistä osasista ja useista kerroksista. Sedimentit ovat usein maaperänäytteitä homogeenisempia. Myös sedimenttejä tutkittaessa tulee huomioida erot sedimenttien koostumuksessa. Esimerkiksi sedimenttien kerrostumisolosuhteet, kuten hapettomuus ja hapellisuus, vaikuttavat sedimenttien koostumukseen. Tutkittavan näytematriisin ominaisuudet tulee ottaa huomioon uuttomenetelmää valittaessa. Lisäksi näytteiden raekokojakauma saattaa aiheuttaa vaihtelua tuloksiin. Tämä voidaan ehkäistä seulomalla näytteet. Esimerkiksi sedimenttien kemialliset ja mineralogiset ominaisuudet voivat vaihdella raekoon mukaan. 12 2.3.1 Uuttoreagenssien selektiivisyys Fraktioivat uutot ovat operatiivisia eli käytetyistä uutto-olosuhteista ja reagensseista riippuvaisia. Tämä tarkoittaa, ettei fraktioivien uuttojen täyttä selektiivisyyttä voida taata. Valittujen reagenssien selektiivisyys tiettyä geokemiallista faasia kohtaan onkin yksi menetelmien suurimmista epävarmuustekijöistä. Fraktioivien uuttojen selektiivisyyttä ja reagenssien kykyä liuottaa haluttuja geokemiallisia faaseja voidaan kuitenkin arvioida määrittämällä tiettyjen metallien pitoisuudet jokaisessa fraktiossa. 56 Nämä metallit antavat viitteitä tutkittujen geokemiallisten faasien liukenemisesta. Schultz ryhmineen 42 arvioivat uuttojen selektiivisyyttä Al:n, Ti:n Ca:n, Fe:n ja Mn:n avulla, tutkimalla näiden metallien osuuksia uuttofraktioissa. Alumiinia, titaania ja piitä voidaan pitää erittäin heikosti liukenevien mineraalifaasien, kuten alumiinisilikaattien indikaattorina. Al:n, Ti:n ja Si:n osuuksista jäännösfraktiossa voidaan päätellä onko käytetty uuttoreagenssi onnistunut liuottamaan jäännösfraktioon jäljelle jääneitä vaikeasti liukoisia mineraalifaaseja. 45 Alumiinisilikaattien lisäksi alumiini voi olla sitoutunut myös liukoisempana alumiinioksidina Al 2 O 3. Kalsiumin osuudet happoliukoiset-fraktiossa antavat viitteitä karbonaattimineraalien hajotuksesta (CaCO 3 ). Mangaani voi olla sitoutuneena sekä karbonaattina (MnCO 3 ), että oksidina. Raudan ja mangaanin osuudet pelkistyvät-fraktiossa antavat viitteitä raudan ja mangaanin oksidien liukenemisesta ja tämän uuttovaiheen onnistumisesta. Liuennut rauta voi myös viitata niukkaliukoisiin oksidimuotoihin, kuten götiittiin FeO(OH) tai hematiittiin Fe 2 O 3, joiden oletetaan liukenevan vasta jäännösfraktiossa. 42 Myös piin oletetaan jäävän jäännösfraktioon. Zirkonium on maaperässä yleensä liukenemattomana oksidina ja liukenee vasta jäännösfraktiossa. 56 Orgaanisen aineksen hajoamista uutoissa voidaan tutkia erillisellä analyysimenetelmällä. On mahdollista määrittää kiinteiden näytteiden orgaanisen hiilen pitoisuus ennen ja jälkeen hapettuvat-uuttofraktiota. Tämän avulla voidaan päätellä, onko uuttovaihe ollut riittävä näytteen orgaanisen aineksen hajotukseen. Uuttojen yhteydessä olisi hyvä tutkia myös näytteiden mineraalikoostumus, joka yhdistettynä uutoista saataviin tuloksiin antaa paremman kuvan näytteiden ominaisuuksista. 2.3.2 Uuton epätäydellinen suoritus Uuttovaiheiden epätäydellisen suorituksen tai faasien epätäydellisen liukenemisen seurauksena voivat tutkitut metallit konsentroitua muihin geokemiallisiin faaseihin kuin mihin ne olivat alun perin sitoutuneet. Esimerkiksi jos hapettuvat-fraktion hajotus ei ole täydellinen, voi osa tähän fraktioon alun perin sitoutuneista metalleista jäädä vielä kiinteään näytteeseen ja liueta vasta seuraavissa uuttovaiheissa. Etenkin tämä voidaan
20 nähdä jäännösfraktiossa, johon saattavat kertyä kaikki ne metallit, jotka eivät ole aikaisemmissa uuttovaiheissa liuenneet. 57 Uuttovaiheen tehokkuutta voidaan parantaa nostamalla uuttoreagenssin tilavuutta suhteessa kiinteän näytteen massaan. Näytematriisin ominaisuudet voivat vaikuttaa uuttoreagenssien tehokkuuteen. Jos esimerkiksi pelkistyvien faasien osuus näytteessä on suuri, tulisi myös vastaavan uuttoreagenssin osuutta lisätä, jotta saavutetaan Fe(III):n täydellinen pelkistyminen. Vastaavasti tulisi toimia myös näytteillä, joiden orgaanisen tai karbonaattiaineksen pitoisuus on korkea, jotta saavutetaan näiden fraktioiden täydellinen hajoaminen. 50 Käytännössä tämä voi olla hankalaa, jos ei tiedetä näytteiden geokemiallista koostumusta, mutta esimerkiksi näytteiden karbonaattipitoisuus ja orgaanisen aineksen määrä on mahdollista määrittää ennen uuttojen aloittamista. 2.3.3 Metallien takaisinadsorptio ja uudelleenjakaantuminen näytematriisiin Fraktioivien uuttojen yksi suurimmista ongelmista on tutkittujen metallien takaisinadsorptio näytematriisiin ja uudelleenjakaantuminen näytteessä. Metallit voivat adsorboitua takaisin kiinteän faasin hiukkasten pintaan tai saostua ennen nestefaasin erotusta. 42 Tämä aiheuttaa tulosten virheellisyyttä, jolloin metallien fraktioitumista näytteissä tulkitaan väärin niiden biosaatavuuden tai liikkuvuuden arvioimisessa. 58 Analyyttien takaisinadsorption merkittävyydestä tosin on kiistelty. Schultz ym. 42 toteavat vastaavan prosessin tapahtuvan myös luonnossa, joten reaktioon ei välttämättä tarvitse puuttua uutoissakaan. Takaisinadsorptiota tapahtuu etenkin korkeammassa ph:ssa (yli 5), kun taas uuttovaiheissa, jotka suoritetaan alhaisemmassa ph:ssa (alle 4), ei adsorption tulisi olla enää kovin merkittävää. 42 Metallien takaisinadsorption suuruuden arvioiminen on ongelmallista. Eräs tapa tutkia takaisinadsorptiota on niin kutsuttu standardinlisäysmenetelmä. Uuttoreagenssin mukana lisätään jokaisessa uuttovaiheessa tunnettu määrä tutkittua metallia, jonka adsorptio kiinteään näytteeseen uuton aikana määritetään mittaamalla metallin pitoisuudet liuoksessa uuton jälkeen. 50 Jos takaisinadsorptiota ei tapahdu, tulisi liuoksen metallipitoisuuden vastata lisäyksen suuruutta. Adsorptiota voidaan arvioida myös radioaktiivisten merkkiaineiden avulla. Gilmore ym. 39 tutkivat lyijyn takaisinadsorptiota näytematriisiin BCR-menetelmän eri uuttovaiheissa Pb-212- merkkiaineen avulla. Pb-212 lisättiin näytteeseen yhdessä uuttoreagenssin kanssa. Uuttovaiheen jälkeen mitattiin kiinteän näytteen ja uuttoliuoksen Pb-212-aktiivisuudet, joiden avulla pääteltiin, kuinka suuri osa lisätystä lyijystä adsorboitui näytematriisiin uuton aikana. Merkkiaineen avulla osoitettiin, että jopa 60-90 % helposti vaihtuvatfraktion lyijystä adsorboituu takaisin näytematriisiin ja 35-85 % pelkistyvät-fraktion raudasta sitoutuu takaisin. Gilmore ym. 39 osoittivat pelkistyvät-fraktion olevan merkittävä helposti vaihtuvat-fraktiossa vapautuvan lyijyn takaisinadsorboitumisessa. Schultz ym. 42 arvioivat plutoniumin, amerikiumin ja uraanin adsorptiota uuttojen aikana radioaktiivisten merkkiaineiden avulla, kuten kappaleessa 2.1.3 on kerrottu. Takaisinadsorptiota on yritetty ehkäistä yhdistämällä uuttovaiheisiin kelatoivaa reagenssia, joka voi muodostaa metallien kanssa stabiileja komplekseja, mikä edesauttaa metallien pysymistä liukoisessa muodossa. EDTA:n (etyleenidiamiinitetraetikkahappo) on havaittu vähentävän plutoniumin ja amerikiumin adsorptiota takaisin näytteen pinnalle, mutta se voi samalla kuitenkin vaikuttaa joidenkin faasien