Laserspektroskopie zur Aufklärung des Umweltverhaltens von Metallen G. Geipel Lehrerfortbildung 2003/2004 09.Februar 2004 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Chemische Speziation • Was ist Speziation ? – Chemischer Zustand eines Elementes unter definierten chemisch-physikalischen Bedingungen • Wodurch wird Speziation beeinflusst ? – – – – – – – – – Konzentration der Elemente Organische und anorganische Liganden pH-Wert Ionenstärke (Aktivitätskoeffizient) Temperatur, Druck (Gleichgewichte mit Gasen) Redoxpotential (Sauerstoffkonzentration) Festphasen (Oberflächenstruktur) Kolloide Mikroorganismen, Pilze Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 1 Warum Umweltverhalten aufklären ? • Migrationsverhalten wird von der Komplexbildung der Actinide in der wässrigen Phase und der Wechselwirkung der gebildeten Komplexe mit Gesteinsoberflächen (Sorption / Oberflächenkomplexierung) bestimmt. • Die vorhandenen Datenbanken (z.B. NEA) weisen zum Teil erhebliche Lücken auf. • Die Konzentrationsbereiche für Actinide in umweltrelevanten Bereichen (Wismut-Bergbau, Endlagerszenarien) sind extrem niedrig. Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Transportprozesse Fließgeschw. Porosität Hydrogeolog. Bedingungen Druck Transport Radioaktivität Diffusion RedoxBiofilme potential Speziation Oberflächenkomplexe Redoxpotential Gelöster Komplex Liganden Liganden Löslichkeit Sorption Verwitterung Ausfällung Kolloide Quellterm Actinide Mikroorganismen Kolloide Ausfällung Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 2 Vorteile spektroskopischer Methoden • Kein Eingriff in das System während der Messung notwendig (z.B. elektrochemische Methoden) • Nichtinvasive Methoden (keine Anfärbereagenzien) • Die Bestimmung von Komplexbildungskonstanten erfolgt aus der Veränderung der spektroskopischen Eigenschaften • Spezies und deren Konzentration direkt bestimmbar • Laserinduzierte Methoden erreichen auf Grund der Intensität der Lichtquelle Nachweisgrenzen , * c < = 1 x10-7 cm-1 (konventionelle Technik , * c > = 1 x10-4 cm-1) Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Physikalisches Grundprinzip Lichtquelle Absorber I0 Transmission IT A = Streuung Plasma (LIBS) Lichtemission (TRLFS) Absorption ~ I0 *A h*v A > 10-11 cm-1 Relaxationsprozess )E )Q I0 - IT ------- >10-4 cm-1 I0 Wärme (LPAS) (TLS) A > 10-7 cm-1 Photochemische Reaktion Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 3 Laserspektroskopische Methoden im IRC • Messung der Absorption (Laserinduzierte Photoakustische Spektroskopie) – Uran(VI)-karbonate (bei Raumtemperatur) – Uran(IV) Ligand – Neptunium(III), (IV), (V) und (VI) – Plutonium(III), (IV), (V) und (VI) Spektroskopische Eigenschaften – Americium(III) • Messung der Fluoreszenz des Metalls Emission von Photonen Spektroskopische Eigenschaften des Metalls Emission von Energie (Zeitaufgelöste Laserinduzierte FemtosekundenFluoreszenzspektroskopie) – organische Komplexliganden Laser- Actinid (Zeitaufgelöste Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie) – Uran(VI) und Uran(IV) – Americium(III) – Curium(III) • Messung der Fluoreszenz (fs-TRLFS) Ligand Org. Ligand anregung Spektroskopische Eigenschaften des organischen Liganden Emission von Photonen Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Optische Eigenschaften der Actinide f0 f1 +7 f2 +6 f3 Fluoreszierende Spezies f4 5 +5 f +4 f6 f7 +3 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 4 Welche Methoden sind für 5f-Elemente geeignet ? • Messung der Absorption (LIPAS, TLS) – Uran(VI)-karbonate – Uran(IV) – Neptunium(III), (IV), (V) und (VI) – Plutonium(III), (IV), (V) und (VI) – Americium(III) • Messung der Fluoreszenz (TRLFS, LFS) – Uran(VI) (nicht für Karbonate) – Uran(IV) – Americium(III) – Curium(III) – Fluoreszenz emittierende organische Komplexliganden Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Laserinduzierte Photoakustische Spektroskopie Photoakustischer Effekt = Erzeugung von Schall nach Absorption modulierten Lichtes Entdeckt durch G. Bell 1880 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 5 Methoden (I) • Absorptionsspektroskopie – Messung der bei der strahlungslosen Deaktivierung freiwerdenden Energie. Diese ist der Absorption proportional. Die freiwerdende Energie bedingt eine örtlich begrenzte Erwärmung. Die damit verbundene Ausdehnung verursacht eine Druckänderung. • Laserinduzierte Photoakustische Spektroskopie (LIPAS) – Messung der, aus der obengenannten Erwärmung, resultierenden Änderung des Brechungsindizes in der Lösung mit Hilfe eines „Probelichtstrahles“ • Laserinduzierte Thermische Linse • Laserinduzierte Thermische Ablenkung Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Schema Laserinduzierte Photoakustische Spektroskopie Nd:YAG (GCR 230-10) 355 nm 500 mJ OPO und FDO (MOPO730-10) FPD GPIB PC Systemsteuerung Datenaufnahme GPIB Oszilloskop 220…440 nm ~ 4 mJ 440…690 nm ~ 40 mJ Küv. PCT Delay Generator 266 nm <35 mJ Controller OPO Energie Meter FHG Attenuator Vorverstärker spektr. Verst. Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 6 Vergleich UV-VIS und LIPAS Spektroskopie 0.36 M UO22+ / HCO3- /CO32- 1x10-4 M UO22+ / HCO3- /CO322 6x10 -1 2.0x10 2 5x10 Intensität / A.U. Absorbance -1 1.5x10 -1 1.0x10 -2 5.0x10 2 4x10 2 3x10 2 2x10 2 1x10 0 0.6 Differenz Daten und Fit / % Differenz Daten und Fit / % 0.0 0.4 0.2 0.0 380 400 420 440 460 480 0.4 0.2 0.0 380 W ellenlänge / nm 400 420 440 460 480 Wellenlänge / nm Geringe Unterschiede begründet in: Anzahl der Meßpunkte bei UV-VIS 10 mal größer Energiemessung LIPAS Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Photoakustische Parameter von Actiniden Ion OxidationsAb. Maximum M.Abs.Koeff. Nachweisgrenze zustand nm M-1cm-1 M ppm _________________________________________________________________________ Am (III) 503 380 1 * 10-8 0.003 Pu (III) 600 38 1 * 10-7 0.03 Pu (IV) 470 55 1 * 10-7 0.03 Pu (V) 568 19 5 * 10-7 0.10 Pu (VI) 830 550 1 * 10-8 0.003 Np (V) 980 395 1 * 10-8 0.003 U (IV) 650 58 1 * 10-7 0.03 U (VI) 415 8 1 * 10-6 0.20 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 7 Laser-Induzierte Photoakustische Spektren Uran(IV) - Arsenat System 450 -4 400 Intensität / A.U. 350 300 250 200 4+ 1 x 10 M U Ionenstärke 0.5 M 0.5 M HClO4 C H AsO / M 0 -3 1 x 10 -3 3 x 10 -3 5 x 10 3 4 150 100 50 0 -50 600 620 640 660 680 Wellenlänge / nm Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Komplexbildung – Chemisches Gleichgewicht Mz+ + x H3XO4 K= log M(H(3-y)XO4)x(z-xy)+ + xy H+ [M(H(3-y)XO4)x(z-xy)+] * [H+]xy [Mz+] * [H3XO4]x [M(H(3-y)PO4)x(z-xy)+] [Mz+] X = P; As Mz+ = U4+; UO22+ = log K’ + x log [H3XO4] log K’ = log K - xy log[H+] • • Bestimmung zweier unabhängiger Variablen x; y durch Änderung – der H3XO4 Konzentration bei konstantem [H+] für x – und der H+ Konzentration für y Extrapolation auf “unendliche Verdünnung” Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 8 Validierung der Komplexbildung Bestimmung der Anzahl der an der Reaktion beteiligten Arsenatmoleküle 1.2 Ionenstärke 0.5 M 0.25 M HClO4 0.8 4+ log [Komplex] / [U ]frei 1.0 0.6 0.4 log K’ = 3.29 ± 0.27* Anstieg = 1.08 ± 0.10 R2 = 0.96 0.2 0.0 -0.2 Datenpunkte Linearer Fit 95% Konfidenzbereich -0.4 -0.6 -3.6 -3.4 -3.2 -3.0 -2.8 -2.6 -2.4 -2.2 -2.0 log [H3AsO4] Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Berechnung der Stabilitätskonstanten U4+ + H3XO4 P As 3H+ + XO43P As U4+ + 2H+ + XO43P As U(H2XO4)3+ + H+ log K0 = 3.53 ± 0.09 log K0 = 3.34 ± 0.04 H3XO4 0 log β = 21.70 ± 0.04 log β0 = 20.60 UH2XO43+ log β0 = 25.23 ± 0.13 log β0 = 23.94 ± 0.08 G. Geipel , G. Bernhard, V. Brendler; Complex Formation of Uranium(IV) with Phosphate and Arsenate in B.-J. Merkel, B. Planer-Friedrich, Chr. Wolkersdorfer (editors) : Uranium in the Aquatic Environment, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, 2002, p. 373 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 9 Speziationsdiagramm 100 Speziesverteilung / % U4+ 90 80 70 60 Phosphat System 3+ U(H2PO4) 50 40 Arsenat System 3+ U(H2AsO4) 4+ 4+ U 3+ U(OH) 30 Ionenstärke 1.0 M [H3XO4] 1*10-4 M 4+ [U tot.] 5*10-5 M U 3+ U(OH) 20 10 0 0 1 2 3 + - log [H ] Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Zeitaufgelöste Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS) Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 10 Methoden (II) • Fluoreszenzspektroskopie – Messung der aus einer angeregten Probe emittierten Photonen • Detektion – Spektrale Auflösung des Emissionssignals mittels Gitterspektrographen – nicht zeitauflösend » PMT (scannen der spektralen Intensitätsverteilung) » Diodenarray – zeitauflösend » zwei unterschiedliche Verfahren » Phasenverschiebung zwischen moduliertem Anregungsstrahl und gemessenem Fluoreszenzsignal (frequency domain) » Zeitliche Verschiebung der Messung gegenüber dem Anregungspuls (time domain, Boxcartechnik) Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Grundprinzip der Fluoreszenzmessung Probe Laser Anregungspuls U(VI) Nd:YAG 266 nm Fluoreszenz U(IV) MOPO 248 nm Monochromator oder Spektrograph Cm(III) Ti:Sa 396 nm Lichtempfindlicher Detektor Diodenarray Messsystem Kontroller + PC CCD-Kamera mit Bildverstärker Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 11 Zeitschema der Boxcar-Technik 3.5 Laserpuls Fluoreszenzsignal (diexp. / 30 + 100 ns) Belichtung des CCD-Sensors 3.0 Intensität 2.5 2.0 Nutzbarer Zeitbereich Fluoreszenzzerfallszeiten > 20 ns (Belichtungsdauer 5 ns = Minimum) 1.5 1.0 0.5 0.0 0 25 50 75 100 125 150 Zeitskala / ns Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Lichtabsorption und Emission H+ + L Absorption von Licht Emission H+ von Licht + hν5 L* hν1 Deprotonierung: HL + M Komplexbildung: Reaktion im angeregten Zustand HL* hν2 + M* HL M hν3 Keq ML + H+ L ML* + H+ hν4 ML Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 12 Nachweisgrenzen für Fluoreszenzspektroskopie Ion UO2++ TRLIFS LIPAS -10 1x10 Mol/l 1x10-6 Mol/l U4+ Np-(V) Pu-(IV) Am-(III) Cm-(III) Nd-(III) Eu-(III) 1x10-7 1x10-8 1x10-7 1x10-9 Mol/l 1x10-8 2x10-11 Mol/l 3x10-7 Mol/l 1x10-5 1x10-12 Mol/l Mol/l Mol/l Mol/l Mol/l Mol/l Speziationsuntersuchungen erfolgen in der Regel bei höheren Konzentrationen Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Fluoreszenzspektroskopische Daten aquatischer Uran(VI) Spezies (Auswahl) Spezies Fl-lebensd./ µs Emissionsmaxima / nm UO22+ 1.7 +/- 0.2 473 488 510 533 558 UO2OH+ 32.8 +/- 2.0 480 497 518 541 566 0.03 +/- 0.005 489 501 522 542 UO2SO4 4.7 +/- 0.3 478 494 515 538 563 UO2(SO4)22- 11.0 +/- 1.0 478 494 515 538 563 UO2(SO4)34- 18.3 +/- 1.0 478 494 515 538 563 UO2(H2AsO4)+ 12.3 +/- 1.2 478 494 514 539 563 504 525 547 497 518 541 571 494 517 541 565 484 504 526 547 UO2(OH)42- UO2(HAsO4) 0.1<τ<1.0 UO2(H2AsO4)2 38.3 +/- 3.5 UO2(H2PO4)+ 14.0 +/- 1.3 481 UO2(HPO4) Ca2UO2(CO3)3 0.065 +/- 0.015 464 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 13 TRLFS-System für Curium Untersuchungen Spektrograph Glove box Laserfenster Kontroller und PC Ti-Sapphire-Laser Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Fluoreszenzspektren Intensität / A.U. Gelöste und feste Uranyl-Arsenato-Spezies 2.0x10 4 1.5x10 4 1.0x10 4 5.0x10 3 solution UO2HAsO4(aq.) 5 1.0x10 4 8.0x10 UO2HAsO4x 4H2O Trögerit 4 6.0x10 4 4.0x10 4 2.0x10 0.0 475 Forschungszentrum Rossendorf 500 525 550 Wellenlänge / nm Institute of Radiochemistry 14 Zeitaufgelöstes Fluoreszenzspektrum 3x10 5 3x10 5 2x10 5 2x10 5 1x10 5 5x10 4 0 10 W avelength / nm ay t im e 425 450 475 500 525 550 575 600 625 50 Del 40 / µs 20 30 Fluorescence intensity / A.U. 5x10-6 M UO22+, 2.5x10-3 M H3AsO4, pH = 2.5 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Validierung der Komplexbildung Uran (VI) und Arsenat log {[UO2(H)n(AsO4)m(2+n-3m)+]/[H+]n*[UO22+]} 12 11 10 9 8 7 UO2HAsO4(aq) + UO2H2AsO4 UO2(H2AsO4)2(aq) linearer Fit Konfidenzbereich 6 5 4 3 2 1 0 -20 -18 -16 -14 3log [AsO4 ] -12 -10 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 15 Vergleich der Stabilitätskonstanten Uran(VI) and Uran (IV) Mm+ + 2 H+ + XO43- M(H2XO4) (m-1)+ M = UO22+, U4+ X = P,As UO2(H2XO4)+ log β° P 22.82 ± 0.15 1,2) As 21.96 ± 0.24 3) U (H2XO4)3+ 25.23 ± 0.13 4) 23.94 ± 0.08 4) 1) I. Grenthe, J. Fuger, R. J. Lemire, A. B. Muller, C. Nguyen-Trung and H. Wanner, Chemical Thermodynamics of Uranium, 1st ed. , Elsevier Science Publishers, Amsterdam, 1992. 2) V. Brendler, G. Geipel, G. Bernhard and H. Nitsche; Radiochim. Acta 74, 1996, 81-86 3) M. Rutsch, G. Geipel, V. Brendler, G. Bernhard and H. Nitsche, Interaction of Uranium(VI) with Arsenate in Aqueous Solution Studied by Time-Resolved Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy (TRLFS), Radiochim. Acta 86 (1999), 135 4) G. Geipel , G. Bernhard, V. Brendler; Complex Formation of Uranium(IV) with Phosphate and Arsenate in B.-J. Merkel, B. Planer-Friedrich, Chr. Wolkersdorfer (editors) : Uranium in the Aquatic Environment, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, 2002, p. 373 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Speziesverteilung im Wasser eines Tailingbeckens als Funktion des pH-Wertes 2+ relative Speziesverteilung [UO2 ] / % 100 90 2+ 80 UO2 UO2SO4(aq) 70 2- UO2(SO4)2 + UO2H2PO4 UO2HPO4(aq) 60 50 + UO2H2AsO4 UO2HAsO4(aq) UO2CO3(aq) 40 2- UO2(CO3)2 30 4- UO2(CO3)3 20 10 0 2 3 4 5 6 pH 7 8 9 10 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 16 6 1.4x10 6 1.2x10 6 1.0x10 5 8.0x10 5 6.0x10 5 4.0x10 5 2.0x10 2.75 3.97 4.31 4.52 4.75 4.82 5.11 pH 5.41 5.66 6.01 6.9 450 500 550 600 Fluoreszenz intensität / A.U. Fluoreszenzspektren als Funktion des pH Veränderung der Speziation 650 Wellenlänge / nm Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Schema fs-Lasersystem für Kurzzeitspektroskopie Diode gepumpter Nd:YVO4 Laser 5 W cw / 532 nm Ti:Sapphire Oszillator 130 fs; 800nm; 80 MHz 1W@800nm Nd:YLF 10 mJ 250 ns 527 nm 1kHz Stretcher / Compressor / Ti:Sapphire Verstärker (regenerativer und multipass) 130 fs; 800nm; 1 kHz Nd:YLF 10 mJ 250 ns 527 nm 1kHz ps-Option: (80 ps) Oszillator und Verstärker SHG/THG 3 mJ@800nm SHG/THG 400/266 nm Parametrischer Verstärker < 130 fs > 10 µJ 290-10000nm Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 17 Prinzip der Lichtverstärkung (Regenerativer Verstärker) Stretcher ps-Maske, ohne Umbau Tsunami auf 1.6 ps Verstärker Pulse-Slicer Compressor Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Zeitschema der Boxcar-Technik 5 fs-Laserpuls Fluoreszenzsignal (monoexp.) Belichtungszeit (80 ps) Intensität 4 3 Nutzbarer Zeitbereich 2 ps/fs-Technik 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Zeitskala / ns Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 18 Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie (Fluoreszenzzerfallszeiten < 20 ns) SHG / THG Küvettenhaus Spektrograf ICCD Fiber für Wellenlängenbestimmung – Photodiode – Energiemessung Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Neptunium(V) und 2,3-Dihydroxybenzoesäure bei pH 3.0 1x10-4 M 2,3-Dihydroxybenzoesäure 5x10-4 M Np(V) I = 0.1 M; pH 3 5 10 600 500 Intensität / A.U. Intensität / A.U. 700 400 300 200 4 10 Data Intensity Lifetime 100 137900 ± 850 382.0 ± 3.5 ps 0 350 400 450 Wellenlänge / nm 500 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Zeitverzögerung / ps Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 19 Neptunium(V) und 2,3-Dihydroxybenzoesäure bei pH 3.0 (II) Stern-Volmer-Gerade 3.0 Validierung 0.50 log ([ Komplex ] / [ Ligandfrei ]) Daten Linearer Fit 95% Konfidenzbereich 2.5 (I0/I)-1 2.0 1.5 1.0 0.5 Daten Linearer Fit 95% Konfidenzbereich 0.25 0.00 -0.25 -0.50 -0.75 -1.00 -1.25 0.0 0.0 -4 2.0x10 -4 -4 4.0x10 6.0x10 + [NpO2 ] / mol/L -4 8.0x10 -4.4 -3 1.0x10 -4.2 -4.0 -3.8 -3.6 + log [NpO2 ] -3.4 -3.2 -3.0 Experimentelle Daten: Anregungswellenlänge 320 nm Ergebnisse : Geradenanstieg 1.05 ± 0.07 Emissionsmaximum Fluoreszenzzerfallszeit 440 ± 2 nm 368 ± 26 ps Bildungskonstante log K = 3.42 ± 0.06 Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Ergebnisse der Komplexbildungsreaktion Neptunium(V) - 2,3 Dihydroxobenzoesäure pH 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 Anstieg 1.05 ± 0.07 1.5 ± 0.65 1.21 ± 0.14 log K 3.42 ± 0.06 3.13 ± 0.15 3.28 ± 0.06 Anstieg 1.67 ± 0.10 1.94 ± 0.18 log K 6.89 ± 0.03 7.06 ± 0.06 • Bei pH-Werten < 5 erfolgt die Komplexbildung enstrechend NpO2+ + C6H3(OH)2(COO)- C6H3(OH)2(COO)(NpO2) mit einer Bildungskonstante log K11 = 3.33 ± 0.04. • Bei pH > 5 wird ein zweiter Komplex entsprechend der Reaktion 2NpO2+ + C6H3(OH)(O)(COO)-C6H3(OH)(O)(COO)(NpO2)2 gebildet. Die Bildungskonstante für diesen Komplex beträgt Forschungszentrum Rossendorf log K12 = 6.92 ± 0.03. Institute of Radiochemistry 20 Speziationsdiagramm 5x10-3 M NpO2+; 5x10-3 M C6H3(OH)2(COO)- ; I = 0.1 M NpO2+ C H (OH) (COO)NpO 6 3 2 2 C6H3(OH)(O)(COO)(NpO2)2 NpO2OH Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry Zusammenfassung • Laserinduzierte spektroskopische Methoden sind wichtige Hilfsmittel für die Untersuchung der Wechselwirkung der Actiniden mit komplexbildenden Liganden. • Diese Methoden erlauben die Untersuchung der Wechselwirkungen der Actinide in umweltrelevanten Konzentrationsbereichen. Forschungszentrum Rossendorf Institute of Radiochemistry 21