Diplom-Chemiker (FH) Robin Steudtner

Zur Wechselwirkung von Uran mit den Bioliganden Citronensäure und Glucose

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Kurzfassung in Deutsch

Um das Verhalten von Actiniden im Menschen (Stoffwechsel), in geologischen und in biologischen Systemen vorherzusagen, ist es erforderlich deren Speziation genau zu kennen. Zur Bestimmung dieser wird das chemische Verhalten des Urans hinsichtlich Komplexbildungsreaktionen und Redoxreaktionen in Modellsystemen untersucht. Anhand der gewonnenen thermodynamischen Konstanten und dem Redoxverhalten können Risikoabschätzungen für das jeweilige untersuchte System getroffen werden.
Das umweltrelevante Uran(IV)-Uran(VI)-Redoxsystem besitzt mit der metastabilen fünfwertigen Oxidationsstufe einen zumeist kurzlebigen Zwischenzustand. Innerhalb dieser Arbeit gelang es erstmalig die Uran(V)-Fluoreszenz mittels laserspektroskopischer Methoden nach zu weisen. Beispielsweise konnte das Bandenmaximum von aquatischem Uranyl(V) im perchlorhaltigem Medium (λex = 255 nm) mit 440 nm, bei einer Fluoreszenzlebensdauer von 1,10 ± 0,02 µs bestimmt werden. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung eines aquatischen [U(V)O2(CO3)3]5--Komplexes (λex= 255 nm und 408 nm) zeigte bei Raumtemperatur keine Fluoreszenz. Durch Anwendung der Tieftemperaturtechnik wurden bekannte Quencheffekte des Carbonats unterdrückt, so dass bei beiden Anregungswellenlängen ein für Uran(V) typisches Fluoreszenzspektrum im Bereich von 375 nm bis 450 nm, mit Bandenmaxima bei 401,5 nm (λex = 255 nm) und 413,0 nm (λex = 408 nm) detektiert werden konnte. Darüber hinaus konnte bei 153 K (λex = 255 nm) eine Fluoreszenzlebensdauer von 120 ± 0,1 µs bestimmt werden. Untersetzt wurden diese fluoreszenzspektroskopischen Nachweise durch mikroskopische Studien verschiedener Uran(IV)-Festphasen (Uraninit…UO2, Uran(IV) Tetrachlorid…UCl4) und einer sulfathaltigen Uran(IV)-Lösung (UIVSO4). Diese wurden durch kontinuierliche Sauerstoffzufuhr zu Uran(VI) oxidiert. Die ablaufende Oxidation wurde mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) verfolgt, wobei die Proben mit einer Wellenlänge von 408 nm zur Fluoreszenz angeregt wurden. Die auftretenden Bandenmaxima bei 445,5 nm (UO2), bei 445,5 nm (UCl4) und bei 440,0 nm (UIVSO4) konnten eindeutig der Uran(V)-Fluoreszenz zugeordnet werden.
Zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mit Hilfe der Tieftemperaturfluoreszenz wurde zunächst der Einfluss der Temperatur auf das Fluoreszenzverhalten des freien Uranyl(VI)-Ions näher betrachtet. Es zeigte sich, dass mit Erwärmung der Probe (T>298 K) die Fluoreszenzlebensdauer von 1,88 µs (298 K) deutlich absinkt. Die Fluoreszenzintensität verringerte sich dabei um 2,3 % pro 1 K zwischen 273 K und 313 K. Im Gegensatz dazu, steigt die Fluoreszenzlebensdauer um das 150-fache auf 257,9 µs bei einer Verminderung der Temperatur (T <298 K) auf 153 K. Das weitere Absenken der Temperatur (T <153 K) zeigte keinen Einfluss auf die Fluoreszenzlebensdauer. Die Lage der Hauptemissionsbanden des freien Uranyl(VI)-Ions (488,0 nm, 509,4 nm, 532,4 nm, 558,0 nm, 586,0 nm) zeigte bei diesen Untersuchungen keine temperaturabhängige Verschiebung.
Die Validierung der Tieftemperaturtechnik zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mittels zeitaufgelöster laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie erfolgte anhand des Uran(VI)-Citrat-Systems. Im Gegensatz zu bisherigen fluoreszenzspektroskopischen Betrachtungen bei Raumtemperatur wurde das Fluoreszenzsignal bei tiefen Temperaturen mit einsetzender Komplexierung nicht gequencht, woraus die Ausprägung einer gut interpretierbaren Fluoreszenz resultierte. Die Analyse der spektralen Daten mit SPECFIT ergaben mit log β101 = 7,24 ± 0,16 für den [UO2(Cit)]--Komplex und log β202 = 18,90 ± 0,26 für den [(UO2)2(Cit)2]2 -Komplex exakt die in der Literatur angegebenen Stabilitätskonstanten. Zudem konnten Einzelkomponentenspektren mit Bandenmaxima bei 475,3 nm, 591,8 nm, 513,5 nm, 537,0 nm und 561,9 nm für den 1:0:1-Komplex und 483,6 nm, 502,7 nm, 524,5 nm, 548,1 nm und 574,0 nm für den 2:0:2-Komplex und Fluoreszenzlebensdauern von 79 ± 15 µs (1:0:1) und 10 ± 3 µs (2:0:2) bestimmt werden.
Zur Modellkomplexierung des Uran-Citrat-Systems wurde in dieser Arbeit auch das Komplexbildungsverhalten von U(IV) in Gegenwart von Citronensäure untersucht. Hierbei wurden über den gesamten pH-Wertbereich gelöste Uran-Citrat-Spezies spektroskopisch nachgewiesen und die Stabilitätskonstanten sowie die Einzelkomponentenspektren für die neu gebildeten Uran(IV) und (VI)-Spezies bestimmt. Für die neu gebildeten Citrat-Komplexe des sechswertigen Urans wurden Komplexbildungskonstanten von log β203 = 22,67 ± 0,34 ([(UO2)2(Cit)3]5-) und log β103 = 12,35 ± 0,22 ([UO2(Cit)3]7-) und für die Komplexe des vierwertigen Urans von log β1-21 = -9,74 ± 0,23 ([U(OH)2Cit]-) und log β1 31 = -20,36 ± 0,22 ([U(OH)3Cit]2-) bestimmt.
Untersuchungen zum Redoxverhalten von Uran in Gegenwart von Citronensäure zeigten unter aeroben und anaeroben Versuchsbedingungen eine photochemische Reduktion vom U(VI) zu U(IV), welche spektroskopisch nachgewiesen werden konnte. Dabei zeigt speziell die Reaktion unter oxidierenden Bedingungen, welchen großen Einfluss vor allem organischen Liganden auf das chemische Verhalten des Urans haben können. Sowohl die Reduktion unter O2- als auch die unter N2-Atmosphäre, weisen ein Maximum bei einem pH Wert von 3,5 bis 4 auf. Unter anaeroben Bedingungen reduziert die Citronensäure mit ca. 66 %, 14 % mehr Uran(VI) zu Uran(IV) als unter anaeroben Bedingungen mit ca. 52 %. Ab einem pH-Wert von 7 konnte eine Reduktion nur unter sauerstofffreien Bedingungen festgestellt werden.
Die Wechselwirkung von U(VI) in Gegenwart von Glucose wurde hinsichtlich Reduktion und Komplexierung des Uran(VI) betrachtet. Mit Hilfe der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen wurde dabei ein Uranyl(VI)-Glucose-Komplex nachgewiesen. Die Komplexierung wurde lediglich bei pH 5 beobachtet und weist eine Komplexbildungskonstante von log βI=0,1 M = 15,25 ± 0,96 für den [UO2(C6H12O6)]2+-Komplex auf. Mit einer Fluoreszenzlebensdauer von 20,9 ± 2,9 µs und den Hauptemissionsbanden bei 499,0nm, 512,1 nm, 525,2 nm, 541,7 nm und 559,3 nm konnte der Uranyl(VI)-Glucose-Komplex fluoreszenzspektroskopisch charakterisiert werden. Unter reduzierenden Bedingungen wurde, ab pH-Wert 4 eine auftretende Umwandlung vom sechswertigen zum vierwertigen Uran durch Glucose in Gegenwart von Licht beobachtet. Der Anteil an gebildetem Uran(IV) steigt asymptotischen bis zu einem pH-Wert von 9, wo das Maximum mit 16 % bestimmt wurde. Als Reaktionsprodukt der Redoxreaktion wurde eine Uran(VI)-Uran(IV)-Mischphase mit der Summenformel [UIV(UVIO2)5(OH)2]12+ identifiziert.
Mit Hilfe der cryo-TRLFS wurde, durch Verminderung von Quencheffekten die Uranspeziation in natürlichen Medien (Urin, Mineralwasser) direkt bestimmt. Proben mit Uran Konzentrationen von < 0,1 µg/L konnten dadurch analysiert werden. In handelsüblichen Mineralwässern wurde die zu erwartende Komplexierung durch Carbonat nachgewiesen. Im Urin zeigte sich in Abhängigkeit vom pH-Wert eine unterschiedliche Uranspeziation. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung wies bei niedrigerem pH Wert (pH<6) eine Mischung aus Citrat- und Phosphat-Komplexierung des U(VI) und bei höheren pH-Wert (pH>6) eine deutliche Beteilung von Carbonat an der Komplexierung auf. Diese Ergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellrechnungen zur Uranspeziation im Urin.
Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass für eine zuverlässigere Prognose des Urantransportes in Geo- und Biosphäre in Zukunft nicht nur Betrachtungen zur Komplexchemie, sondern auch zum Redoxverhalten des Urans nötig sind, um die Mobilität in der Natur richtig abschätzen zu können.

weitere Metadaten

Schlagwörter
(Deutsch)
Fluoreszenzspektroskopie, cryo-TRLFS, UV/VIS, Komplexierung, Reduktion
Schlagwörter
(Englisch)
fluorescence spectroscopy, cryo-TRLFS, UV/VIS, complexation, reduction
DDC Klassifikation546
RVK KlassifikationVH 8078
Institution(en) 
HochschuleTechnische Universität Dresden
FakultätFakultät Mathematik und Naturwissenschaften
BetreuerProf. Dr. Gert Bernhard
GutachterProf. Dr. Gert Bernhard
Prof. Dr. Klaus Seibt
DokumententypDissertation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)25.04.2010
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung30.09.2010
Veröffentlichungsdatum (online)25.03.2011
persistente URNurn:nbn:de:bsz:14-qucosa-65651
InhaltsverzeichnisI. Zusammenfassung XI
II. Summary XV
III. Danksagung XIX

1. Motivation und Zielstellung 1

2. Grundlagen 2
2.1. Zur Chemie des Urans 2
2.1.1. Uran im aquatischen System 2
2.1.2. Redoxchemie des Urans 7
2.2. Citronensäure 10
2.3. Glucose 16
2.4. Komplexbildungskonstanten 22

3. Spektroskopie 28
3.1. Spektroskopie des Urans 30
3.1.1. UV/VIS-Spektroskopie 30
3.1.2. Zeitaufgelöste laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie 32
3.1.3. Infrarot-Spektroskopie 36
3.1.4. Spektroskopie bei tiefen Temperaturen 38
3.2. Spektroskopie organischer Verbindungen 40

4. Ergebnisse und Diskussion 43
4.1. Zur Fluoreszenz des Urans 43
4.1.1. Uran(V)-Fluoreszenz 43
4.1.1.1. Nachweis der Uran(V)-Fluoreszenz 43
4.1.1.2. Mikroskopische Visualisierung der Uran(V)-Fluoreszenz 47
4.1.1.3. Verifizierung der Anregungswellenlänge 408 nm 50
4.1.2. Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenz des freien Uranyl(VI)-Ions 52

4.2. Wechselwirkung von Uran mit Citronensäure 54
4.2.1. Uran(VI)-Komplexierung durch Citronensäure 54
4.2.1.1. Photochemische Stabilität 54
4.2.1.2. Spektroskopische Untersuchung zur Uran(VI) Komplexierung durch Citronensäure 55
4.2.1.3. Bestimmung der Komplexbildungskonstanten 63
4.2.2. Uran(IV)-Komplexierung mit Citronensäure 68
4.2.2.1. Spektroskopische Untersuchung zur Uran(IV) Komplexierung durch Citronensäure 68
4.2.2.2. Bestimmung der Komplexbildungskonstanten zwischen Uran(IV) und Citronensäure 69
4.2.3. Uran(VI)-Reduktion durch Citronensäure 72
4.3. Wechselwirkung von Uran mit Glucose 79
4.3.1. Komplexierung von Uran(VI) mit Glucose 79
4.3.1.1. Photochemische Stabilität 79
4.3.1.2. pH-Abhängigkeit der Komplexierung 82
4.3.1.3. Bestimmung der Komplexbildungskonstante 89
4.3.2. Reduktion von Uran(VI) durch Glucose 92
4.3.2.1. pH-Abhängigkeit 92
4.3.2.2. Identifizierung der Reaktionsprodukte der Redoxreaktion 94
4.3.2.3. Reduktion durch verschiedene Zuckerderivate 97
4.3.2.4. Reduktion im gepufferten System 99
4.4. Zur Bestimmung der Uranspeziation in natürlichen Proben 101

5. Anwendung der Erkenntnisse auf die zukünftige Betrachtung uranhaltiger Umweltsysteme 108
5.1. Komplexbildungsreaktionen 108
5.2. Redoxreaktionen 112

6. Experimenteller Teil 115
6.1. Chemikalien 115
6.2. Bestimmung der molaren Extinktionskoeffizienten von Uran(IV) 116
6.3. Uran(V)-Fluoreszenz 119
6.4. Temperaturabhängigkeit der Uranyl(VI)-Fluoreszenz 120
6.5. Stabilität citronensäurehaltigen Uranyl(VI)-Lösungen 120
6.6. Komplexierung zwischen Uran(VI) und Citronensäure 121
6.7. Komplexierung zwischen Uran(IV) und Citronensäure 122
6.8. Reduktion von Uran(VI) durch Citronensäure 122
6.9. Stabilität glucosehaltigen Uranyl(VI)-Lösungen 122
6.10. Komplexierung zwischen Uran(VI) und Glucose 123
6.11. Reduktion von Uran(VI) durch Glucose 124
6.12. Uran in natürlichen Proben 125

7. Geräte 127
7.1. Lasersysteme 127
7.2. UV/VIS-System 129
7.3. IR-Systeme 129
7.4. Neonlicht 131
7.5. Elementaranalysen 131
7.6. pH-Wert-Messung 132
7.7. Experimente unter Inertgas 132
7.8. Proben schütteln 132
7.9. Probenzentrifugation 132

8. Literaturverzeichnis 133

9. Abkürzungen und Symbole 147

10. In Verbindung mit dieser Arbeit entstandene Publikationen 151

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