Laser induced fluorescens

OBS Remissversion - texterna är fortfarande under bearbetning och ska enbart ses som utkast. Finns det direkta fel? Hittar du enkelt det du vill, dvs är strukturen bra? Finns det ord/begrepp som behöver förklaras? Vi tar tacksamt emot förslag på ändringar/tillägg via e-post till This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.. Texterna kommer kontinuerligt att uppdateras och revideras och layouten förbättras. 



Tillämpning

Laserinducerad fluorescens (LIF) används för screening av organiska föroreningar i jord och grundvatten. Tekniken är avsedd att ge en kvalitativ till semikvantitativ information om fördelningen av föroreningar som fluorescerar då de belyses med laser från en sond. Det innebär att LIF-metoden inte kan användas ensam (utan verifierande laboratorieanalyser) för att säkerställa om föroreningsnivåerna över- eller underskrider gällande rikt- och gränsvärden. (1)(3)(4)

Sonden monteras på en borrigg och drivs ned i undersökningsområdet. En LIF-sond är relativt okänslig för stötar vilket innebär att den kan drivas ned med hammaren på en borrbandvagn. Sondering i grovkorniga jordmatriser kan dock ändå vara svår att utföra till följd av förekomst av stenar och block.

Metoden används främst för att detektera föroreningar bestående av tyngre alifatfraktioner och polycykliska aromatiska kolväten (PAH). Tekniken används för att kartlägga utbredningen av petroleum- eller tjärprodukter i jord och grundvatten, se exempel i Figur 1. Tekniken kan dock inte användas för detektering av polyaromatiska kolväten som är lösta i vattenfasen. (1)(3)(4)(5)(6)(7)

LIF1

Figuren 1. Två prover med olika förorening skikt som tydligt framträder i flouroscerande ljus, särskilt provet till höger där föroreningen inte är synlig med blotta ögat. Källa CLU-IN.

Det finns för närvarande sex olika varianter av LIF enligt det amerikanska naturvårdsverket (EPA); ROST (Rapid Optical Screening Tool System), SCAPS (Site Characterization and Analysis Penetrometer System LIF Sensor and Support System), TarGOST (Tar-Specific Green Optical Screening Tool, UV LED (Ultraviolet Light Emitting Diode), UV-OST (Ultra Violet Optical Screening Tool) och DyeLIF (Dye-Enhanced Laser Induced Fluorescence System). Den grundläggande principen för de olika varianterna är densamma. Skillnaderna består främst i att vissa av instrumenten är optimerade för olika föreningar och har olika typer av kringutrustning till LIF-instrumentet, som exempelvis vilken typ av borrigg eller lastbil som instrumenten är monterade på. (1)(5)

Ett av de mer använda LIF-systemet i Europa är UV-OST-sonden (Ultra Violet Optical Screening Tool). Likt FFD-sonden (länk) är UV-OST lämplig att använda vid undersökningar där tyngre alifater (>C10), monoaromater och PAH ska detekteras. UV-OST detekterar enbart omättade kolväten (d.v.s med dubbel- eller trippelbindningar). Det innebär att alifatgrupperna alkaner och cykloalkaner inte kan detekteras.

UV-OST-systemet är speciellt utformat för att detektera lätta till medeltunga bränslen och oljor samt tjärprodukter med innehåll av PAH med två till fyra aromatringar, t.ex. naftalen, metylnaftalen, fenantren, antracen och pyren. Exempel på föroreningsprodukter som är lämpliga att undersöka med hjälp av UV-OST är bensin, diesel, motorolja, skärvätskor, hydraulolja, brännoljor, kreosot och stenkolstjära. (1)(2)

I kombination med andra LIF-metoder kan UV-OST användas för att utreda vilken typ av petroleumprodukter som föreligger inom ett förorenat område. Till exempel kan UV-OST detektera monoaromater medan TarGOST är specifikt utvecklad för att påvisa stenkolstjära och kreosot. Med   DyeLIF injekteras en hydrofob färglösning i jordprofilen vilken medför att klorerade alifater kan påvisas. Det är viktigt för användaren att välja det instrument som passar bäst för den föroreningssammansättning som förväntas råda i det aktuella undersökningsområdet. 

Beskrivningarna nedan är i huvudsak anpassade till UV-OST-systemet.

Tekniska principer

UV-OST fungerar enligt principen att omättade föreningar, främst fleromättade alifater och polycykliska aromatiska kolväten (PAH), i mark och grundvatten fluorescerar vid bestrålning av UV-ljus. Genom ett safirfönster på sidan av trycksonden mäts fluorescensen från föroreningar i jordprofilen medan sonden drivs ned. Sonden sänder ut UV-ljus med hjälp av en inbyggd laser. Systemet fungerar både över och under grundvattenytan.

Instrumentet är monterat på en sond som drivs ned i jordprofilen med hjälp av en borrigg. Utrustningen är robust och kan vid behov även slås ned. Registrering av jordartsförhållanden genom exempelvis portrycks- eller spetstrycksondering kan genomföras parallellt med screening av kolväten med UV-OST.

LIF 2

Figur 2. Exempel på UV-OST-utrustning. Källa Dakota Technologies.

En uppfattning om föroreningssituationen i det aktuella området är nödvändig, exempelvis ger UV-OST inte utslag för halogenerade DNAPLs (klorerade lösningsmedel, klorfenoler m.fl.). Eftersom enbart omättade kolväten fluorescerar vid belysning med UV-lampa reagerar inte UV-OST-sonden för alkaner eller cykloalkaner, vilka utgör viktiga beståndsdelar i petroleum. Dock innehåller petroleumprodukter alltid en hög andel omättade kolväten så som monoaromater och alkener vilka reagerar vid UV-bestrålning. (1)(4)(5)

Utvärdering av resultat

Instrumentet redovisas som en totalhalt av de fluorescerande ämnena. Resultat från mätningarna presenteras i en mjukvara. Resultaten från mätningarna är kvalitativa till semikvantitativa och ger en karakteristisk fluorescenssignatur för respektive ämnesgrupp vid varje datapunkt. Petroleumprodukter som bränslen och oljor är dock blandningar vilket ger upphov till överlappande spektra, varför det inte är möjligt att identifiera enskilda ämnen in situ med metoden.

Eftersom resultaten från mätningarna är semikvantitativa måste resultaten kalibreras mot laboratorieanalyser på representativa prover från området. Detektionsgränsen för UV-OST och övriga LIF-varianter kan vara så låg som 10 ppm men vid ofördelaktiga förutsättningar i förhållande till föroreningsförhållanden och jordart kan detektionsgränsen vara närmare 1 000 ppm.

Det innebär att UV-OST-metoden inte kan användas utan kompletterande provtagnings- och analysinsatser för att t.ex. klarlägga om riktvärden eller åtgärdsmål för ett förorenat område över- eller underskrids. (1)(3)(4)

Utvärdering av resultat

Instrumentet redovisas som en totalhalt av de fluorescerande ämnena. Resultat från mätningarna presenteras i en mjukvara. Resultaten från mätningarna är kvalitativa till semikvantitativa och ger en karakteristisk fluorescenssignatur för respektive ämnesgrupp vid varje datapunkt. Petroleumprodukter som bränslen och oljor är dock blandningar vilket ger upphov till överlappande spektra, varför det inte är möjligt att identifiera enskilda ämnen in situ med metoden.

Eftersom resultaten från mätningarna är semikvantitativa måste resultaten kalibreras mot laboratorieanalyser på representativa prover från området. Detektionsgränsen för UV-OST och övriga LIF-varianter kan vara så låg som 10 ppm men vid ofördelaktiga förutsättningar i förhållande till föroreningsförhållanden och jordart kan detektionsgränsen vara närmare 1 000 ppm.

Det innebär att UV-OST-metoden inte kan användas utan kompletterande provtagnings- och analysinsatser för att t.ex. klarlägga om riktvärden eller åtgärdsmål för ett förorenat område över- eller underskrids. (1)(3)(4)

Kvalitetskritiska faktorer

Signalstyrkan korresponderar negativt med ytarean på partiklarna i marken vilket gör att undersökningar i finpartikulära jordarter som lera och silt ger en svagare fluorescerande signal. Motsatt så kan fluorescerande mineraler, som exempelvis kalcit, kan ge utslag på mätinstrumentet vid UV-belysning vilket kan resultera i en falsk positiv respons. Dataanalys av mätresultaten kan dock identifiera fluorescens från icke-förorenat material som mineraler, torv eller andra störningar. En oljeförorening som närmast uteslutande består av alkaner/cykloalkaner kan förbises med metoden. (1)(4)

För- och nackdelar 

Fördelarna med LIF-sondering (UV-OST) är bl.a.:

  • En fördel med UV-OST jämfört med exempelvis FFD-sonden är en lägre detektionsgräns.
  • Utöver att påvisa på vilket djup föroreningarna föreligger kan UV-OST även särskilja vilken eller vilka typer av petroleumförorening som dominerar inom ett förorenat markområde.
  • Metoden är relativt snabb. Enligt uppgifter från tillverkaren, kan borrhålsloggar från cirka 10–20 borrhål och ett samlat borrdjup på cirka 100 - 150 m per dag genomföras med metoden.
  • Metoden är mindre känslig för stötar än andra metoder vilket medför att sonden kan drivas ned med hjälp av borriggens hammare i hårdare material.

Nackdelarna med LIF-sondering (UV-OST) är bl.a. följande:

  • UV-OST ger olika respons beroende på typ av jordart i undersökningsområdet.
  • Fluorescerande mineraler, som exempelvis kalcit, och även torv kan ge utslag på mätinstrumentet vid UV-belysning vilket kan resultera i en falsk positiv respons.
  • En oljeförorening som närmast uteslutande består av alkaner/cykloalkaner kan förbises med metoden.

Att tänka på inför LIF-sondering

Inför en UV-OST-sondering är det viktigt att bl.a. ställa sig följande fråga:

Vilka föroreningar syftar undersökningen till att kartlägga? UV-OST-sonden är i stort sett endast tillämpbar för att kartlägga utbredningen av tyngre högmolekylära alifater och monoaromater samt polyaromatiska kolväten (>C10). Det kan därför finnas anledning att ställa sig frågan om UV-OST-sonden kan behöva kompletteras med t.ex. MIP-sondering för att kartlägga förekomst och utbredning av mer lättflyktiga kolväten i jordlagerföljden.

Referenser/lästips

(1) Bergqvist, C, Helldén, J, Pirard, E och von Heijne P, 2017: Dynamiska miljöundersökningsmetoder för förorenade områden. En översikt och metodbeskrivning. Svenska Geotekniska Föreningen, nr 3-2017.
(2) Dakota Technologies Inc, 2016: http://www.dakotatechnologies.com/ products/ uvost/ overview
(3) SGI. (2008). Bättre markundersökningar. Delprojekt 1 - In situ-metoder för undersökningar av förorenad mark Statens geotekniska institut. ISSN:1100-6692
(4) USEPA. (2004). Site Characterization Technologies for DNAPL Investigations. EPA 542-R-04-017
(5) USEPA. (2016a). The Contaminated Site Clean-Up Information (CLU-IN) Web Site. https://clu-in.org.
(6) USEPA. (2016b). Triad Resource Center Web Site. www.triadcentral.org.
(7) USEPA. (2016c). United States Environmental Protection Agency Web Site. https://www.epa.gov/superfund/cleanup-optimization-superfund-sites. Hämtat från https://www.epa.gov/superfund/cleanup-optimizationsuperfund-sites