Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
201 
7.  ANALYTICAL METHODS 
Sensitive methods for analysis of plutonium in urine are particularly important for estimating 
occupational plutonium body burdens.  Routinely available instrumentation, such as the alpha 
spectrometer, can readily detect these low concentrations.  More sensitive methods are commonly 
required for urine samples in order to assess chronic exposures to plutonium.  These low detection limits 
were first achieved in the past by nuclear emulsion track counting.  In this method, the electrodeposited 
sample is exposed to nuclear track film, subsequent to the isolation of plutonium.  The alpha-particle 
emitting isotopes of plutonium will leave tracks on the film, which are counted to quantify the amount of 
plutonium.  Nuclear emulsion track counting has been used in the past to measure plutonium 
concentrations in the urine of workers at a nuclear reactor plant (Nielson and Beasley 1980).  A type of 
scintillation counting has been used to measure 
239
Pu and americium-241 (
241
Am) in animal tissues 
(NCRP 1985). 
Epov et al. (2005) reported a method where nondigested urine samples could be analyzed with a detection 
limit of 1.9 pg/L.  The authors noted that in the case of an emergency, urine analysis without digestion 
could provide a rapid determination (about 1 hour) of plutonium levels in urine.  However, sample 
digestion would be needed if more precise and sensitive analysis is required.  Four hours are required to 
analyze urine samples with digestion (Epov et al. 2005).   
7.2   ENVIRONMENTAL SAMPLES 
Methods for the determination of plutonium in environmental samples are summarized in Table 7-2.  The 
separation and extraction methods used to prepare biological samples for plutonium analysis are 
commonly used for environmental samples.  Large volumes of air samples (e.g., 10,000 m
3
) should be 
collected in order to obtain detectable amounts of plutonium in particulate in air (EPA 1976a). 
Field survey instruments for measuring photons of 
241
Am in surface soils and on airborne particulates are 
available (e.g., Field Instrument for Detecting Low Energy Radiation or FIDLER) with a minimum 
detection limit of approximately twice the magnitude of a background level of 
239
Pu (1x10
3
– 
2x10
3 
pCi/m
2
; 37–74 Bq/m
2
).  The FIDLER uses a sodium iodide or calcium fluoride crystal and photon-
height discrimination in order to detect the 17 keV x-rays emitted from the progeny of plutonium, or the 
60 keV gamma photons of 
241
Am.  These instruments are useful for identifying areas of contamination, 
but cannot be used to accurately predict the concentration of plutonium in surface soils (EPA 1976a).  
This instrument has been used in aerial surveys of large area sources, such as the Nevada Test Site. 

---

PLUTONIUM 
202 
7.  ANALYTICAL METHODS 
Table 7-2.  Analytical Methods for Determining Plutonium in Environmental
 
Samples
 
Sample 
matrix 
Preparation method 
Analytical 
method 
Sample 
detection limit  Recovery  Reference 
Air filter, 
soil, water, 
vegetation 
Fusion with KF and 
pyrosulfate; dissolution 
in HCl; coprecipitation 
on BaSO
4
; dissolution of 
α spectrometry 
No data 
85–95% 
DOE 1999c 
CHEM-TP-A.20 
BaSO
4 
and 
reprecipitation with 
DPTA 
Water 
Separation of 
radionuclides by 
Eichrom resins 
α spectrometry 
0.6 mBq 
(400 minutes) 
93% 
DOE 1997 
Se-03 
Soil 
Plutonium isotopes are 
leached from soil using 
HNO
3
/HCl 
α spectrometry 
1 mBq 
(400 minutes) 
No data 
DOE 1997 
Pu-02-RC 
Air filter 
Digestion with HNO
3 
followed by treatment 
with HF; decompose 
filters composed of 
organic polymer 
overnithe at 450 ºC prior 
to digestion 
α spectrometry 
No data 
No data 
DOE 1997 
Pu-01-RC; 
Pu-11-RC; 
G-03 
Soil, 
sediment 
Plutonium isotopes are 
leached with HNO
3
/HCl; 
purification by ion 
exchange 
chromatography; 
microprecipitation 
α spectrometry 
1 mBq 
(400 minutes) 
No data 
DOE 1997 
Pu-12-RC 
Water 
Heated in HNO
3
/HCl; 
evaporation and 
dissolution in HNO
3
; 
α spectrometry 
No data 
No data 
DOE 1997 
Pu-07-RC; 
Pu-11-RC; G-03 
purified by ion 
exchange; 
microprecipitation 
Vegetation  Ashed at 400 ºC; 
dissolved in HNO
3
/HCl; 
filtered; decomposed 
with HF; purified by ion 
exchange 
chromatography 
α spectrometry 
No data 
No data 
DOE 1997 
Pu-08-RC; 
Pu-11-RC 
Vegetation  Digested with 
HNO
3
/H
2
SO
4
; 
coprecipitation of 
plutonium with Fe(OH)
3
; 
purified by ion exchange 
chromatography 
α spectrometry 
No data 
No data 
DOE 1997 
Pu-09-RC; 
Pu-11-RC 

---

PLUTONIUM 
203 
7.  ANALYTICAL METHODS 
Table 7-2.  Analytical Methods for Determining Plutonium in Environmental
 
Samples
 
Sample 
Analytical 
Sample 
matrix 
Preparation method  method 
detection limit  Recovery  Reference 
Food 
HNO
3
, closed-vessel 
ICP-MS 
0.020 pg/g 
100±20%  Evans et al. 2003 
microwave digestion 
Air 
Dry ash; filter; extract; 
α spectrometry 
No data 
No data 
EPA 1984 
reduce valence; 
(EPA Method 
coprecipitate with 
00-04) 
lanthanum fluoride 
Soil, coal,  Ashed or evaporated; 
α spectrometry 
No data 
No data 
EPA 1984 (EPA 
fly ash, 
dissolved with HF, 
Method Pu-01) 
ores, 
HClO
4
, and HCl; 
vegetation,  extraction with 
biotia, and  triisooctylamine/p­
water 
xylene; stripped with 
HNO
3
; wet ashed; co­
precipitated with 
lanthanum fluoride; 
filtration 
Water, soil, Ashing; ion exchange 
α spectrometry 
0.02 pCi/sample  No data 
EPA 1979 
air, 
separation; 
vegetation,  electrodeposition 
and animal 
tissue 
Water 
Filter; extract; 
α particle 
No data 
No data 
EPA 1980 
coprecipitate with 
counter (either 
(EPA method 
lanthanum fluoride 
proportional or 
907.0) 
scintillation 
detectors) 
Drinking 
Acidify; oxidation with 
α particle 
No data 
93% 
EPA 1982 (EPA 
water 
sodium nitrite; 
counter 
Method 911) 
precipitation; extraction 
with tri-isooctylamine; 
co-precipitated with 
lanthanum fluoride 
DPTA = diethylenetriamine-pentaacetic acid; ICP-MS = inductively coupled plasma-mass spectrometry 

---