Helsingin yliopiston uusissa puhdastiloissa yritetään selvittää massaspektrometrisesti muun muassa Maapallon rakenteen ja historian paradoksia, joka on vaivannut tutkijoita jo 70 vuoden ajan. Vain yksi yhtiö maailmassa osasi rakentaa tilat, joiden puhtausvaatimukset ovat ilmiömäiset: miljoona kertaa tavallista huoneilmaa puhtaammat.
Helsingin yliopisto on paraikaa ottamassa käyttöön Kumpulan kampuksella kemian osaston kellarissa Suomen ja koko Pohjoismaiden puhtainta huonetta.
Sinne on sijoitettu uusi mittalaite, terminen pintaionisaatiomassaspektrometri (tims). Laitetta käytetään isotooppianalyyseihin erilaisissa sovelluskohteissa, muun muassa geokemiassa, lääketieteessä ja elintarvikkeiden alkuperämäärityksissä.
Puhdastilojen kansainvälisellä iso-asteikolla uuden huoneen luokitus on 3. Se tarkoittaa, että 0,1 mikrometriä suurempien tomuhiukkasten pitoisuus on alle 1 000 kappaletta kuutiometrissä ja yli 0,5 µm hiukkasten vähemmän kuin 35.
Vertailun vuoksi sairaalatasoisissa puhdastiloissa tomua leijuu edellisiin lukuihin nähden satakertaisesti ja tavallisessa huoneilmassa suuruusluokkaa miljoonakertaisesti.
”Paljonkaan tämän puhtaammaksi ilmaa ei saa, jos ihmisiä on sisällä”, kommentoi tiloista vastaava geokemian professori Christoph Beier, joka esitteli tiloja Tekniikka&Taloudelle.
Ihmiset nimittäin pöllyttävät ympärilleen melkoisen likahiukkasten pilven. Edes kokovartalosuojapuvut, hengityssuojaimet ja muut varotoimet eivät auta tässä määräänsä enempää.
Ei yhtäkään metallista osaa
Kaikkein ainutlaatuisin piirre HY:n uudessa puhdashuoneessa ei kuitenkaan ole sen iso-luokitus, vaan spesifisempi puhtauden mitta: metallivapaus. Tämä tarkoittaa, että huoneen omista rakenteista ei saa irrota ilmaan metalleja yhtään.
- Lue myös Tekniikka&Taloudesta:
Niinpä tiloissa ei ole yhtäkään paljasta metallista osaa lukuun ottamatta itse mittalaitetta. Kaikki muu on muovia aina ilmastointiputkia, vesihanoja ja oven lukkoja myöten. Toki huoneesta sentään löytyy muovin sisään umpioitua metallia esimerkiksi sähköjohdoista.
Erityisrakenteista huolimatta huoneen viimeistely lopulliseen käyttökuntoon vaatii 12 kuukauden tuulettamista ultrasuodatetulla ilmalla yhtämittaisesti vuorokauden ympäri, Beier muistuttaa. Ilmaa puhalletaan laboratorioon 4 000 kuutiometriä tunnissa.
Noin 90 m² kokoiset puhdastilat on toteutettu pohjakerrokseen entisiin arkistoholveihin. Massaspektrometri on ostettu brittiläiseltä laitetoimittaja Isotopx’ltä ja laboratorion tilojen toteutus saksalaisyhtiöltä nimeltä MK Versuchsanlagen.
”Koko laboratorio tehtiin Saksan Mückessä Frankfurtin lähellä. Sitten se purettiin, tuotiin tänne kolmessa kontissa ja koottiin uudelleen. Vain tämä yksi firma koko maailmassa tekee tätä avaimet käteen -periaatteella”, Beier kertoo.
Puhdastilojen talotekniikkaa voidaan edelleen hallita myös etänä Saksasta käsin.
Laboratorion tilat maksoivat vajaat 900 000 euroa, massaspektrometri 750 000 euroa. Hankkeeseen osallistuivat HY:n lisäksi myös Geologian tutkimuskeskus, Suomen ympäristökeskus ja Ruokavirasto.
Tarkkuus: Femtogramma
Ensimmäiset mittaukset HY:n puhdastiloissa on tehty nyt maaliskuussa strontiumin ja neodyymin isotoopeista. Lopullisesti käyttövalmiiksi laboratorio valmistuu vuoden 2026 alkupuoliskon aikana. Parasta puhtautta vaativia alkuaineita kuten lyijyä voidaan alkaa mitata vasta silloin.
Lyijyn mittaaminen vaatii kaikkein tiukinta puhtautta useista syistä. Niistä tärkein on epäsuhta näytteiden ja ympäristön pitoisuuksissa. Geologiset näytteet sisältävät lyijyä yleensä hyvin vähän, mutta ympäristössä lyijyä leijuu saasteena harmillisen paljon.
Lisäksi lyijyn standardi-isotooppi, johon muita isotooppeja verrataan, on varsin harvinainen ²⁰⁴Pb. Sen osuus lyijystä on vain 1,4 prosenttia.
Vaikeuksista huolimatta tutkijat kykenevät erottamaan lyijyn kunkin isotoopin suhteellisen pitoisuuden näytteestä noin 0,01 prosenttiyksikön tarkkuudella ja absoluuttisen määrän noin femtogrammaan eli 10⁻¹⁵ grammaan asti.
Tällaiseen tarkkuuteen pääsemiseksi pitää tietenkin käyttää puhtaiden tilojen lisäksi myös erittäin puhtaita laboratoriovälineitä ja -kemikaaleja. Beierin mukaan esimerkiksi tarvittavat hapot ostetaan niin puhtaina kuin mahdollista, minkä jälkeen ne tislataan kolmesti teflonastioissa.
Tyypillisessä isotooppimittauksessa näyte liuotetaan ensin johonkin tarkoitukseen soveltuvaan happoon. Ennen syöttämistä spektrometriin eri alkuaineet erotetaan toisistaan kromatografisesti ioninvaihtopylväässä.
Lyijyn, strontiumin ja neodyymin lisäksi Beier luettelee geokemian näkökulmasta kiinnostaviksi alkuaineiksi myös reniumin, osmiumin, uraanin ja toriumin. Toisaalta on olemassa sellaisiakin alkuaineita – esimerkiksi elohopea – joille parhaiten toimii jokin muu menetelmä kuin tims-spektrometria.
Paradoksi 1950-luvulta alkaen
HY:n tutkijat aikovat pureutua uudella laitteellaan esimerkiksi niin sanottuun lyijyparadoksiin. Sanalla tarkoitetaan geokemistien alkujaan 1950- ja 1960-luvuilla huomaamia kahta ristiriitaa tuliperäisissä kivissä.
”Lyijyn isotooppikoostumus ei vastaa sitä, mitä sen pitäisi mielestämme olla. Onko siis Maan varhaisvaiheessa tapahtunut jotakin, josta emme tiedä mitään?”, geokemian tutkijatohtori Eemu Ranta avaa ongelman luonnetta.
”Tämä on yksi alan suurimpia kysymyksiä, ja se mainitaan jo peruskursseilla. Mahdollisia selityksiä on kyllä keksitty, mutta niistä yksikään ei ole kaikin osin tyydyttävä.”
Pohtiessaan sitä, mitä lyijyisotooppien koostumuksen ”pitäisi” olla, Ranta viittaa geotieteilijöiden parissa vakiintuneeseen käsitykseen: Maapallo on syntynyt yhteen törmänneistä asteroideista.
Tämän teorian todisteista isotooppi- ja alkuainemittaukset muodostavat keskeisen osan. Omana aikanamme avaruudesta pudonneiden kivien isotooppijakauma nimittäin noudattaa aina tiettyjä säännönmukaisuuksia, jotka suurelta osin toteutuvat myös maanpäällisissä kivissä.
Tämä ei tarkoita isotooppikoostumuksen olevan täydellisesti vakio, mutta on olemassa tiettyjä isotooppien määräsuhteita, jotka eivät myöskään voi vaihdella mielivaltaisesti.
Verrattuna meteoriitteihin tuliperäiset kivet sisältävät kuitenkin liian paljon lyijyn isotooppia 207 suhteessa 204:ään. Vielä isompi ja kiistattomammin teoriaa rikkova ylimäärä on isotoopilla 206.
Toinen lyijyparadoksi on sisällöltään erittäin tekninen.
Mahdollinen ratkaisu 10 µg kokoisissa laavalasin siruissa
Ratkaisun lyijymysteeriin saattaa tarjota Maan vaipassa ja tuliperäisissä kivissä yleinen mineraali oliviini (Mg₂SiO₄), jonka kiteet sisältävät toisinaan pikkiriikkisiä sulkeumia.
Ne ovat jääneet kiteiden sisälle syvällä maan alla, ja ne useimmiten koostuvat lasiksi jähmettyneestä laavasta. Ranta aikoo pureutua tulevassa työssään juuri niihin.
Sulkeumat auttavat rajaamaan mittauksista pois yhden virhelähteen eli tuliperäisen kiven sekoittumisen Maan kuoren kiviaineksen kanssa. Sekoittuminen on Rannan mukaan hyvin mahdollista, sillä laavojen matka Maan pinnalle kestää yleensä kauan.
Sen sijaan sulkeuman sisälle maankuoren aines ei pääse, ja mittauksissa päästään mahdollisimman lähelle Maan vaipan todellista koostumusta. Tällaisen ”aikakapselin” materiaaliksi oliviini sopii hyvin, sillä se alkaa kiteytyä sulasta laavasta kiinteiksi siruiksi hyvin syvällä.
Sulkeumatekniikkaa ei ole maailmalla aikaisemmin juurikaan edes yritetty käyttää lyijymittauksiin, sillä se vaatii niin äärimmäistä herkkyyttä. Oliviinin sisältämät sulkeumat ovat kooltaan 0,1 millimetrin luokassa ja massaltaan osapuilleen 10 mikrogrammaa. Kukin niistä sisältää lyijyä noin miljoonasosan tästä eli suuruusluokkaa 10 pikogramman verran.
”Perinteisesti on ajateltu, että helpommin toteutettava kokokivien analyysi antaa tarkan kuvan. Tässä projektissa testataan oletusta”, Ranta toteaa.
Ranta on tutkinut näytteitä esimerkiksi Islannista ja Azoreilta. Valtamerten tulivuorisaarilla maankuori on ohut, joten kiviainekset sekoittuvat jo lähtökohtaisesti vähemmän kuin muualla.
Koska HY:llä itsellään ei ole ollut omaa isotooppimittauslaitteistoa aiemmin, Ranta on tehnyt näitä mittauksia muun muassa GTK:lla ja yhteistyönä Münsterin yliopistossa Saksassa.
- Lue myös Tekniikka&Taloudesta:
