Arsenic speciation in edible alga samples by microwave-assisted extraction and high performance liquid chromatography coupled to atomic fluorescence spectrometry

Twelve commercially available edible marine algae from France, Japan and Spain and the certified reference material (CRM) NIES No. 9 Sargassum fulvellum were analyzed for total arsenic and arsenic species. Total arsenic concentrations were determined by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) after microwave digestion and ranged from 23 to 126 μg g−1. Arsenic species in alga samples were extracted with deionized water by microwave-assisted extraction and showed extraction efficiencies from 49 to 98%, in terms of total arsenic. The presence of eleven arsenic species was studied by high performance liquid chromatography–ultraviolet photo-oxidation–hydride generation atomic–fluorescence spectrometry (HPLC–(UV)–HG–AFS) developed methods, using both anion and cation exchange chromatography. Glycerol and phosphate sugars were found in all alga samples analyzed, at concentrations between 0.11 and 22 μg g−1, whereas sulfonate and sulfate sugars were only detected in three of them (0.6-7.2 μg g−1). Regarding arsenic toxic species, low concentration levels of dimethylarsinic acid (DMA) (<0.9 μg g−1) and generally high arsenate (As(V)) concentrations (up to 77 μg g−1) were found in most of the algae studied. The results obtained are of interest to highlight the need to perform speciation analysis and to introduce appropriate legislation to limit toxic arsenic species content in these food products.

Crecimiento, fabricación y caracterización de heteroestructuras y nanocolumnas ordenadas basadas en nitruros del grupo III para aplicaciones sensoras

Esta memoria está basada en el crecimiento y caracterización de heteroestructuras Al(Ga)N/GaN y nanocolumnas ordenadas de GaN, y su aplicación en sensores químicos. El método de crecimiento ha sido la epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PAMBE). En el caso de las heteroestructuras Al(Ga)N/GaN, se han crecido barreras de distinto espesor y composición, desde AlN de 5 nm, hasta AlGaN de 35 nm. Además de una caracterización morfológica, estructural y eléctrica básica de las capas, también se han fabricado a partir de ellas dispositivos tipo HEMTs. La caracterización eléctrica de dichos dispositivos (carga y movilidad de en el canal bidimensional) indica que las mejores heteroestructuras son aquellas con un espesor de barrera intermedio (alrededor de 20 nm). Sin embargo, un objetivo importante de esta Tesis ha sido verificar las ventajas que podían tener los sensores basados en heteroestructuras AlN/GaN (frente a los típicos basados en AlGaN/GaN), con espesores de barrera muy finos (alrededor de 5 nm), ya que el canal de conducción que se modula por efecto de cambios químicos está más cerca de la superficie en donde ocurren dichos cambios químicos. De esta manera, se han utilizado los dispositivos tipo HEMTs como sensores químicos de pH (ISFETs), y se ha comprobado la mayor sensibilidad (variación de corriente frente a cambios de pH, Ids/pH) en los sensores basados en AlN/GaN frente a los basados en AlGaN/GaN. La mayor sensibilidad es incluso más patente en aplicaciones en las que no se utiliza un electrodo de referencia. Se han fabricado y caracterizado dispositivos ISFET similares utilizando capas compactas de InN. Estos sensores presentan peor estabilidad que los basados en Al(Ga)N/GaN, aunque la sensibilidad superficial al pH era la misma (Vgs/pH), y su sensibilidad en terminos de corriente de canal (Ids/pH) arroja valores intermedios entre los ISFET basados en AlN/GaN y los valores de los basados en AlGaN/GaN. Para continuar con la comparación entre dispositivos basados en Al(Ga)N/GaN, se fabricaron ISFETs con el área sensible más pequeña (35 x 35 m2), de tamaño similar a los dispositivos destinados a las medidas de actividad celular. Sometiendo los dispositivos a pulsos de voltaje en su área sensible, la respuesta de los dispositivos de AlN presentaron menor ruido que los basados en AlGaN. El ruido en la corriente para dispositivos de AlN, donde el encapsulado no ha sido optimizado, fue tan bajo como 8.9 nA (valor rms), y el ruido equivalente en el potencial superficial 38.7 V. Estos valores son más bajos que los encontrados en los dispositivos típicos para la detección de actividad celular (basados en Si), y del orden de los mejores resultados encontrados en la literatura sobre AlGaN/GaN. Desde el punto de vista de la caracterización electro-química de las superficies de GaN e InN, se ha determinado su punto isoeléctrico. Dicho valor no había sido reportado en la literatura hasta el momento. El valor, determinado por medidas de “streaming potential”, es de 4.4 y 4 respectivamente. Este valor es una importante característica a tener en cuenta en sensores, en inmovilización electrostática o en la litografía coloidal. Esta última técnica se discute en esta memoria, y se aplica en el último bloque de investigación de esta Tesis (i.e. crecimiento ordenado). El último apartado de resultados experimentales de esta Tesis analiza el crecimiento selectivo de nanocolumnas ordenadas de GaN por MBE, utilizando mascaras de Ti con nanoagujeros. Se ha estudiado como los distintos parámetros de crecimiento (i.e. flujos de los elementos Ga y N, temperatura de crecimiento y diseño de la máscara) afectan a la selectividad y a la morfología de las nanocolumnas. Se ha conseguido con éxito el crecimiento selectivo sobre pseudosustratos de GaN con distinta orientación cristalina o polaridad; templates de GaN(0001)/zafiro, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000-1)/Si y GaN(11-20)/zafiro. Se ha verificado experimentalmente la alta calidad cristalina de las nanocolumnas ordenadas, y su mayor estabilidad térmica comparada con las capas compactas del mismo material. Las nanocolumnas ordenadas de nitruros del grupo III tienen una clara aplicación en el campo de la optoelectrónica, principalmente para nanoemisores de luz blanca. Sin embargo, en esta Tesis se proponen como alternativa a la utilización de capas compactas o nanocolumnas auto-ensambladas en sensores. Las nanocolumnas auto-ensambladas de GaN, debido a su alta razón superficie/volumen, son muy prometedoras en el campo de los sensores, pero su amplia dispersión en dimensiones (altura y diámetro) supone un problema para el procesado y funcionamiento de dispositivos reales. En ese aspecto, las nanocolumnas ordenadas son más robustas y homogéneas, manteniendo una alta relación superficie/volumen. Como primer experimento en el ámbito de los sensores, se ha estudiado como se ve afectada la emisión de fotoluminiscencia de las NCs ordenadas al estar expuestas al aire o al vacio. Se observa una fuerte caída en la intensidad de la fotoluminiscencia cuando las nanocolumnas están expuestas al aire (probablemente por la foto-adsorción de oxigeno en la superficie), como ya había sido documentado anteriormente en nanocolumnas auto-ensambladas. Este experimento abre el camino para futuros sensores basados en nanocolumnas ordenadas. Abstract This manuscript deals with the growth and characterization of Al(Ga)N/GaN heterostructures and GaN ordered nanocolumns, and their application in chemical sensors. The growth technique has been the plasma-assisted molecular beam epitaxy (PAMBE). In the case of Al(Ga)N/GaN heterostructures, barriers of different thickness and composition, from AlN (5 nm) to AlGaN (35 nm) have been grown. Besides the basic morphological, structural and electrical characterization of the layers, HEMT devices have been fabricated based on these layers. The best electrical characteristics (larger carriers concentration and mobility in the two dimensional electron gas) are those in AlGaN/GaN heterostructures with a medium thickness (around 20 nm). However, one of the goals of this Thesis has been to verify the advantages that sensors based on AlN/GaN (thickness around 7 nm) have compared to standard AlGaN/GaN, because the conduction channel to be modulated by chemical changes is closer to the sensitive area. In this way, HEMT devices have been used as chemical pH sensors (ISFETs), and the higher sensitivity (conductance change related to pH changes, Ids/pH) of AlN/GaN based sensors has been proved. The higher sensibility is even more obvious in application without reference electrode. Similar ISFETs devices have been fabricated based on InN compact layers. These devices show a poor stability, but its surface sensitivity to pH (Vgs/pH) and its sensibility (Ids/pH) yield values between the corresponding ones of AlN/GaN and AlGaN/GaN heterostructures. In order to a further comparison between Al(Ga)N/GaN based devices, ISFETs with smaller sensitive area (35 x 35 m2), similar to the ones used in cellular activity record, were fabricated and characterized. When the devices are subjected to a voltage pulse through the sensitive area, the response of AlN based devices shows lower noise than the ones based on AlGaN. The noise in the current of such a AlN based device, where the encapsulation has not been optimized, is as low as 8.9 nA (rms value), and the equivalent noise to the surface potential is 38.7 V. These values are lower than the found in typical devices used for cellular activity recording (based on Si), and in the range of the best published results on AlGaN/GaN. From the point of view of the electrochemical characterization of GaN and InN surfaces, their isoelectric point has been experimentally determined. Such a value is the first time reported for GaN and InN surfaces. These values are determined by “streaming potential”, being pH 4.4 and 4, respectively. Isoelectric point value is an important characteristic in sensors, electrostatic immobilization or in colloidal lithography. In particular, colloidal lithography has been optimized in this Thesis for GaN surfaces, and applied in the last part of experimental results (i.e. ordered growth). The last block of this Thesis is focused on the selective area growth of GaN nanocolumns by MBE, using Ti masks decorated with nanoholes. The effect of the different growth parameters (Ga and N fluxes, growth temperature and mask design) is studied, in particular their impact in the selectivity and in the morphology of the nanocolumns. Selective area growth has been successful performed on GaN templates with different orientation or polarity; GaN(0001)/sapphire, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000- 1)/Si and GaN(11-20)/sapphire. Ordered nanocolumns exhibit a high crystal quality, and a higher thermal stability (lower thermal decomposition) than the compact layers of the same material. Ordered nanocolumns based on III nitrides have a clear application in optoelectronics, mainly for white light nanoemitters. However, this Thesis proposes them as an alternative to compact layers and self-assembled nanocolumns in sensor applications. Self-assembled GaN nanocolumns are very appealing for sensor applications, due to their large surface/volume ratio. However, their large dispersion in heights and diameters are a problem in terms of processing and operation of real devices. In this aspect, ordered nanocolumns are more robust and homogeneous, keeping the large surface/volume ratio. As first experimental evidence of their sensor capabilities, ordered nanocolumns have been studied regarding their photoluminiscence on air and vacuum ambient. A big drop in the intensity is observed when the nanocolumns are exposed to air (probably because of the oxygen photo-adsortion), as was already reported in the case of self-assembled nanocolumns. This opens the way to future sensors based on ordered III nitrides nanocolumns.

Estudios de especiación de arsénico y acumulación de metales en muestras de interés medioambiental : Arsenic speciation and metal accumulation studies in environmental samples

Se ha estudiado la determinación de especies de arsénico y de contenidos totales de arsénico y metales pesados, específicamente cadmio, cromo, cobre, níquel, plomo y cinc, en muestras de interés medioambiental por su elevada capacidad acumuladora de metales, concretamente algas marinas comestibles y plantas terrestres procedentes de suelos contaminados por la actividad minera. La determinación de contenidos totales se ha llevado a cabo mediante espectrometría de emisión atómica con plasma de acoplamiento inductivo (ICP‐AES), así como por espectrometría de fluorescencia atómica con generación de hidruros (HG‐AFS), para bajos contenidos de arsénico. Las muestras fueron mineralizadas en medio ácido y calentamiento en horno de microondas. Los métodos fueron validados a través de su aplicación a materiales de referencia de matriz similar a la de las muestras, certificados en contenidos totales de los elementos seleccionados. Los resultados obtenidos mostraron su elevada capacidad de bioabsorción, especialmente en relación a los elevados contenidos de arsénico encontrados en algunas especies de algas pardas (Phaeophytas). En las plantas, se calcularon los factores de translocación, acumulación y biodisponibilidad de los elementos estudiados, permitiendo identificar a la especie Corrigiola telephiifolia como posible acumuladora de plomo e hiperacumuladora de arsénico. La determinación de especies de arsénico hidrosolubles en las muestras objeto de estudio, se llevó a cabo por cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC) acoplado a ICP‐AES, HG‐ICP‐AES y HG‐AFS, incluyendo una etapa previa de foto‐oxidación. Los métodos desarrollados, mediante intercambio aniónico y catiónico, permitieron la diferenciación de hasta once especies de arsénico. Para el análisis de las muestras, fue necesaria la optimización de métodos de extracción, seleccionándose la extracción asistida por microondas (MAE) con agua desionizada. Asimismo, se realizaron estudios de estabilidad de arsénico total y de las especies hidrosolubles presentes en las algas, tanto sobre la muestra sólida como en sus extractos acuosos, evaluando las condiciones de almacenamiento adecuadas. En el caso de las plantas, la aplicación del diseño factorial de experimentos permitió optimizar el método de extracción y diferenciar entre las especies de arsénico presentes en forma de iones sencillos de mayor movilidad y el arsénico más fuertemente enlazado a componentes estructurales. Los resultados obtenidos permitieron identificar la presencia de arseniato (As(V)) y arsenito (As(III)) en las plantas, así como de ácido monometilarsónico (MMA) y óxido de trimetilarsina (TMAO) en algunas especies. En la mayoría de las algas se encontraron especies tóxicas, tanto mayoritarias (arseniato) como minoritarias (ácido dimetilarsínico (DMA)), así como hasta cuatro arsenoazúcares. Los resultados obtenidos y su estudio a través de la legislación vigente, mostraron la necesidad de desarrollar una reglamentación específica para el control de este tipo de alimentos. La determinación de especies de arsénico liposolubles en las muestras de algas se llevó a cabo mediante HPLC, en modo fase inversa, acoplado a espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo (ICP‐MS) y con ionización por electrospray (ESI‐MS), permitiendo la elucidación estructural de estos compuestos a través de la determinación de sus masas moleculares. Para ello, fue necesaria la puesta a punto de métodos extracción y purificación de los extractos. La metodología desarrollada permitió identificar hasta catorce especies de arsénico liposolubles en las algas, tres de ellas correspondientes a hidrocarburos que contienen arsénico, y once a arsenofosfolípidos, además de dos especies desconocidas. Las masas moleculares de las especies identificadas fueron confirmadas mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC‐MS) y espectrometría de masas de alta resolución (HR‐MS). ABSTRACT The determination of arsenic species and total arsenic and heavy metal contents (cadmium, chromium, cooper, nickel, lead and zinc) in environmental samples, with high metal accumulator capacity, has been studied. The samples studied were edible marine algae and terrestrial plants from soils polluted by mining activities. The determination of total element contents was performed by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP‐AES), as well as by hydride generation atomic fluorescence spectrometry (HG‐AFS) for low arsenic contents. The samples studied were digested in an acidic medium by heating in a microwave oven. The digestion methods were validated against reference materials, with matrix similar to sample matrix and certified in total contents of the elements studied. The results showed the high biosorption capacity of the samples studied, especially regarding the high arsenic contents in some species of brown algae (Phaeophyta division). In terrestrial plants, the translocation, accumulation and bioavailability factors of the elements studied were calculated. Thus, the plant species Corrigiola telephiifolia was identified as possible lead accumulator and arsenic hyperaccumulator. The determination of water‐soluble arsenic species in the samples studied was carried out by high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to ICP‐AES, HG‐ICP‐AES and HG‐AFS, including a prior photo‐oxidation step. The chromatographic methods developed, by anion and cation exchange, allowed us to differentiate up to eleven arsenic species. The sample analysis required the optimization of extraction methods, choosing the microwave assisted extraction (MAE) with deionized water. On the other hand, the stability of total arsenic and water‐soluble arsenic species in algae, both in the solid samples and in the water extracts, was studied, assessing the suitable storage conditions. In the case of plant samples, the application of a multivariate experimental design allowed us to optimize the extraction method and differentiate between the arsenic species present as simple ions of higher mobility and the arsenic more strongly bound to structural components. The presence of arsenite (As(III)) and arsenate (As(V)) was identified in plant samples, as well as monomethylarsonic acid (MMA) and trimethylarsine oxide (TMAO) in some cases. Regarding algae, toxic arsenic species were found in most of them, both As(V) and dimethylarsinic acid (DMA), as well as up to four arsenosugars. These results were discussed according to the current legislation, showing the need to develop specific regulations to control this kind of food products. The determination of lipid‐soluble arsenic species in alga samples was performed by reversed‐phase HPLC coupled to inductively coupled plasma and electrospray mass spectrometry (ICP‐MS and ESI‐MS), in order to establish the structure of these compounds by determining the corresponding molecular masses. For this purpose, it was necessary to develop an extraction method, as well as a clean‐up method of the extracts. The method developed permitted the identification of fourteen lipid‐soluble arsenic compounds in algae, corresponding to three arsenic‐hydrocarbons and eleven arsenosugarphospholipids, as well as two unknown compounds. Accurate mass measurements of the identified compounds were performed by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC‐MS) and high resolution mass spectrometry (HR‐MS).

Electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN films and nanostructures grown directly on Si(111)

Pronounced electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN layers and nanostructures directly grown on Si by plasma-assisted molecular beam epitaxy is demonstrated. The oxidation enhancement, probed with the ferro/ferricyanide redox couple increases with In content and proximity of nanostructure surfaces and sidewalls to the c-plane. This is attributed to the corresponding increase of the density of intrinsic positively charged surface donors promoting electron transfer. Strongest enhancement is for c-plane InGaN layers functionalized with InN quantum dots (QDs). These results explain the excellent performance of our InN/InGaN QD biosensors and water splitting electrodes for further boosting efficiency.