Nanopore detection of single molecule RNAP-DNA transcription complex.

In the past decade, a number of single-molecule methods have been developed with the aim of investigating single protein and nucleic acid interactions. For the first time we use solid-state nanopore sensing to detect a single E. coli RNAP-DNA transcription complex and single E. coli RNAP enzyme. On the basis of their specific conductance translocation signature, we can discriminate and identify between those two types of molecular translocations and translocations of bare DNA. This opens up a new perspectives for investigating transcription processes at the single-molecule level.

An Efficient Segmentation Method for Ultrasound Images based on a Semi-supervised Approach and Patch-based Features

Segmenting ultrasound images is a challenging problemwhere standard unsupervised segmentation methods such asthe well-known Chan-Vese method fail. We propose in thispaper an efficient segmentation method for this class ofimages. Our proposed algorithm is based on asemi-supervised approach (user labels) and the use ofimage patches as data features. We also consider thePearson distance between patches, which has been shown tobe robust w.r.t speckle noise present in ultrasoundimages. Our results on phantom and clinical data show avery high similarity agreement with the ground truthprovided by a medical expert.

Atteintes de la chevill et du tarse postérieur dans les maladies métaboliques

De nombreuses maladies métaboliques peuvent atteindre la cheville et le tarse postérieur. Dans la phase aiguë, la goutte peut toucher l'arrière-pied, la cheville, le médio-tarse ou le tendon calcanéen. Une rougeur intense des tissus souscutanés du dos du pied peut être en rapport avec une inflammation liée à des microtophus sous-cutanés. Un diagnostic de certitude se fait par la mise en évidence de cristaux d'urate de sodium dans le liquide de ponction articulaire ou dans les tissus. L'imagerie par tomodensitométrie ou par échographie peut orienter de façon pratiquement certaine le diagnostic. Le traitement de la goutte de l'arrière-pied fait appel aux antiinflammatoires, aux anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) et à la colchicine. Dans la phase chronique, un traitement hypo-uricémiant au long terme est à instaurer. L'hémochromatose se manifeste principalement sous forme d'une arthrose, liée souvent à une chondrocalcinose de la cheville et du tarse postérieur. L'enthésopathie hyperostosante diffuse peut causer des talalgies ou des douleurs du fascia plantaire liées à des exostoses. L'hypercholestérolémie familiale provoque souvent des xanthomes tendineux des tendons calcanéens. Des calcifications apatitiques de la région du talon peuvent s'observer, notamment chez des patients en hémodialyse chronique. Numerous metabolic diseases can affect the ankle and the hind-foot. In the acute phase, gout can affect the rear of the foot, the ankle, the mid-foot and the calcaneal (Achilles) tendon. Intense redness of the subcutaneous tissue of the back of the foot can be present in conjunction with inflammation associated with subcutaneous micro-tophaceous deposits. A definitive diagnosis is made by confirming the existence of sodium urate crystals in joint puncture fluid or in tissue. CT scan or ultrasonography images can also be used to provide a fairly definitive diagnosis. Treatment of gout of the rear of the foot requires the use of anti-inflammatory medication, NSAIDs and colchicine. In the chronic phase, long-term hypouricemic therapy is to be used. Haemochromatosis mainly shows in the form of arthritis, often associated with chondrocalcinosis of the ankle and hind-foot. A diffuse hyperostosis enthesopathy can cause talalgia or pain to the plantar fascia associated with exostoses. Familial hypercholesterolaemia often leads to tendinous xanthoma on the calcaneal tendons. Apatitic calcifications to the heel can also be observed, especially undergoing chronic haemodialysis.

Management of nanomaterials safety in research environment

Despite numerous discussions, workshops, reviews and reports about responsible development of nanotechnology, information describing health and environmental risk of engineered nanoparticles or nanomaterials is severely lacking and thus insufficient for completing rigorous risk assessment on their use. However, since preliminary scientific evaluations indicate that there are reasonable suspicions that activities involving nanomaterials might have damaging effects on human health; the precautionary principle must be applied. Public and private institutions as well as industries have the duty to adopt preventive and protective measures proportionate to the risk intensity and the desired level of protection. In this work, we present a practical, 'user-friendly' procedure for a university-wide safety and health management of nanomaterials, developed as a multi-stakeholder effort (government, accident insurance, researchers and experts for occupational safety and health). The process starts using a schematic decision tree that allows classifying the nano laboratory into three hazard classes similar to a control banding approach (from Nano 3 - highest hazard to Nano1 - lowest hazard). Classifying laboratories into risk classes would require considering actual or potential exposure to the nanomaterial as well as statistical data on health effects of exposure. Due to the fact that these data (as well as exposure limits for each individual material) are not available, risk classes could not be determined. For each hazard level we then provide a list of required risk mitigation measures (technical, organizational and personal). The target 'users' of this safety and health methodology are researchers and safety officers. They can rapidly access the precautionary hazard class of their activities and the corresponding adequate safety and health measures. We succeed in convincing scientist dealing with nano-activities that adequate safety measures and management are promoting innovation and discoveries by ensuring them a safe environment even in the case of very novel products. The proposed measures are not considered as constraints but as a support to their research. This methodology is being implemented at the Ecole Polytechnique de Lausanne in over 100 research labs dealing with nanomaterials. It is our opinion that it would be useful to other research and academia institutions as well. [Authors]

Ocular biocompatibility of novel Cyclosporin A formulations based on methoxy poly(ethylene glycol)-hexylsubstituted poly(lactide) micelle carriers.

Topical ocular drug delivery has always been a challenge for pharmaceutical technology scientists. In the last two decades, many nano-systems have been studied to find ways to overcome the typical problems of topical ocular therapy, such as difficult corneal penetration and poor drug availability. In this study, methoxy poly(ethylene glycol)-hexylsubstituted poly(lactides) (MPEG-hexPLA) micelle formulations, which are promising nanocarriers for poorly water soluble drugs, were investigated for the delivery of Cyclosporin A (CsA) to the eye. As a new possible pharmaceutical excipient, the ocular compatibility of MPEG-hexPLA micelle formulations was evaluated. An in vitro biocompatibility assessment on human corneal epithelial cells was carried out using different tests. Cytotoxicity was studied by using the [3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide] (MTT), and clonogenic tests and revealed that the CsA formulations and copolymer solutions were not toxic. After incubation with MPEG-hexPLA micelle formulations, the activation of caspase-dependent and -independent apoptosis as well as autophagy was evaluated using immunohistochemistry by analyzing the localization of four antibodies: (1) anti-caspase 3; (2) anti-apoptotic inducing factor (AIF); (3) anti-IL-Dnase II and (4) anti-microtubule-associated protein 1 light chain 3 (LC3). No apoptosis was induced when the cells were treated with the micelle solutions that were either unloaded or loaded with CsA. The ocular tolerance was assessed in vivo on rabbit eyes by Confocal Laser Scanning Ophthalmoscopy (CLSO), and very good tolerability was seen. The observed corneal surface was comparable to a control surface that was treated with a 0.9% NaCl solution. In conclusion, these results demonstrate that MPEG-hexPLA micelles are promising drug carriers for ocular diseases involving the activation of cytokines, such as dry eye syndrome and autoimmune uveitis, or for the prevention of corneal graft rejection.

Nanoinventory : a representative survey of nanoparticle usage in Suisse industry

Background Addressing the risks of nanoparticles requires knowledge about their hazards, which is generated progressively, but also about occupational exposure and liberation into the environment. However, currently such information is not systematically collected, therefore the risk assessment of this exposure or liberation lacks quantitative data. In 2006 a targeted telephone survey among Swiss companies (1) showed the usage of nanoparticles in a few selected companies but did not provide data to extrapolate on the totality of the Swiss workforce. The goal of this study was to evaluate in a representative way the current prevalence and level of nanoparticle usage in Swiss industry, the health, safety and environment measures, and the number of potentially exposed workers. Results A representative, stratified mail survey was conducted among 1,626 clients of the Swiss National Accident Insurance Fund (SUVA). SUVA insures about 80,000 manufacturing firms, which represent 84% of all Swiss manufacturing companies. 947 companies answered the survey (58.3% response rate). Extrapolation to all Swiss manufacturing companies results in 1,309 workers (95%-confidence interval, 1,073 to 1,545) across the Swiss manufacturing sector being potentially exposed to nanoparticles in 586 companies (95%-CI: 145 to 1'027). This corresponds to 0.08% (95%-CI: 0.06% to 0.09%) of all Swiss manufacturing sector workers and to 0.6% (95%-CI: 0.2% to 1.1%) of companies. The industrial chemistry sector showed the highest percentage of companies using nanoparticles (21.2% of those surveyed) and a high percentage of potentially exposed workers (0.5% of workers in these companies), but many other important sectors also reported nanoparticles. Personal protection equipment was the predominant protection strategy. Only a minority applied specific environmental protection measures. Conclusions This is the first representative nationwide study on the prevalence of nanoparticle usage across a manufacturing sector. The information about the number of companies can be used for quantitative risk assessment. Furthermore it can help policy makers designing strategies to support companies in the responsible development of safer nanomaterial use. Noting the low prevalence of nanoparticle usage, there would still seem to be time to introduce necessary protection methods in a proactive and cost effective way in Swiss industry. But if the predicted "nano-revolution" becomes true, now is the time to take action.

Minimal analytical characterisation of engineered nanomaterials need for hazard assessment in biological matrices

The safe and responsible development of engineered nanomaterials (ENM), nanotechnology-based materials and products, together with the definition of regulatory measures and implementation of "nano"-legislation in Europe require a widely supported scientific basis and sufficient high quality data upon which to base decisions. At the very core of such a scientific basis is a general agreement on key issues related to risk assessment of ENMs which encompass the key parameters to characterise ENMs, appropriate methods of analysis and best approach to express the effect of ENMs in widely accepted dose response toxicity tests. The following major conclusions were drawn: Due to high batch variability of ENMs characteristics of commercially available and to a lesser degree laboratory made ENMs it is not possible to make general statements regarding the toxicity resulting from exposure to ENMs. 1) Concomitant with using the OECD priority list of ENMs, other criteria for selection of ENMs like relevance for mechanistic (scientific) studies or risk assessment-based studies, widespread availability (and thus high expected volumes of use) or consumer concern (route of consumer exposure depending on application) could be helpful. The OECD priority list is focussing on validity of OECD tests. Therefore source material will be first in scope for testing. However for risk assessment it is much more relevant to have toxicity data from material as present in products/matrices to which men and environment are be exposed. 2) For most, if not all characteristics of ENMs, standardized methods analytical methods, though not necessarily validated, are available. Generally these methods are only able to determine one single characteristic and some of them can be rather expensive. Practically, it is currently not feasible to fully characterise ENMs. Many techniques that are available to measure the same nanomaterial characteristic produce contrasting results (e.g. reported sizes of ENMs). It was recommended that at least two complementary techniques should be employed to determine a metric of ENMs. The first great challenge is to prioritise metrics which are relevant in the assessment of biological dose response relations and to develop analytical methods for characterising ENMs in biological matrices. It was generally agreed that one metric is not sufficient to describe fully ENMs. 3) Characterisation of ENMs in biological matrices starts with sample preparation. It was concluded that there currently is no standard approach/protocol for sample preparation to control agglomeration/aggregation and (re)dispersion. It was recommended harmonization should be initiated and that exchange of protocols should take place. The precise methods used to disperse ENMs should be specifically, yet succinctly described within the experimental section of a publication. 4) ENMs need to be characterised in the matrix as it is presented to the test system (in vitro/ in vivo). 5) Alternative approaches (e.g. biological or in silico systems) for the characterisation of ENMS are simply not possible with the current knowledge. Contributors: Iseult Lynch, Hans Marvin, Kenneth Dawson, Markus Berges, Diane Braguer, Hugh J. Byrne, Alan Casey, Gordon Chambers, Martin Clift, Giuliano Elia1, Teresa F. Fernandes, Lise Fjellsbø, Peter Hatto, Lucienne Juillerat, Christoph Klein, Wolfgang Kreyling, Carmen Nickel1, and Vicki Stone.

Post-Plutonic Magmatism: from the Source to the Emplacement of an Upper Crustal Dyke Swarm, Adamello Massif, Italy

Magmas of the arc-tholeiitic and calc-alkaline differentiation suites contribute substantially to the formation of continental crust in subduction zones. Different geochemical-petrological models have been put forward to achieve evolved magmas forming large volumes of tonalitic to granitic plutons, building an important part of the continental crust. Primary magmas produced in the mantle wedge overlying the subducted slab migrate through the mantle and the crust. During the transfer, magma can accumulate in intermediate reservoirs at different levels where crystallization leads to differentiation and the heat transfer from the magma, together with gained heat from solidification, lead to partial melting of the crust. Partial melts can be assimilated and mix with more primitive magma. Moreover, already formed crystal cumulates or crystal mushes can be recycled and reactivated to transfer to higher crustal levels. Magma transport in the crust involves fow through fractures within a brittle elastic rock. The solidified magma filled crack, a dyke, can crosscut previously formed geological structures and thus serves as a relative or absolute time marker. The study area is situated in the Adamello massif. The Adamello massif is a composite of plutons that were emplaced between 42 and 29 million years. A later dyke swarm intruded into the southern part of the Adamello Batholith. A fractionation model covering dyke compositions from picrobasalts to dacites results in the cummulative crystallization of 17% olivine, 2% Cr-rich spinel, 18% clinopyroxene, 41% amphibole, 4% plagioclase and 0.1% magnetite to achieve an andesitic composition out of a hydrous primitive picrobasalt. These rocks show a similar geochemical evolution as experimental data simulating fractional crystallization and associated magma differentiation at lower crustal depth (7-10 kbar). The peraluminous, corundum normative composition is one characteristic of more evolved dacitic magmas, which has been explained in a long lasting debate with two di_erent models. Melting of mafic crust or politic material provides one model, whereas an alternative is fractionation from primary mantle derived melts. Amphibole occurring in basaltic-andesitic and andesitic dyke rocks as fractionating cumulate phase extracted from lower crustal depth (6-7.5 kbar) is driving the magmas to peraluminous, corundum normative compositions, which are represented by tonalites forming most of the Adamello Batholith. Most primitive picrobasaltic dykes have a slightly steepened chondrite normalized rare earth elements (REE) pattern and the increased enrichment of light-REE (LREE) for andesites and dacites can be explained by the fractional crystallization model originating from a picrobasalt, taking the changing fractionating phase assemblage and temperature into account. The injection of hot basaltic magma (~1050°C) in a closely spaced dyke swarm increases the surface of the contact to the mainly tonalitic wallrock. Such a setting induces partial melting of the wall rock and selective assimilation. Partial melting of the tonalite host is further expressed through intrusion breccias from basaltic dykes. Heat conduction models with instantaneous magma injection for such a dyke swarm geometry can explain features of partial melting observed in the field. Geochemical data of minerals and bulk rock further underline the selective or bulk assimilation of the tonalite host rock at upper crustal levels (~2-3 kbar), in particular with regard to light ion lithophile elements (LILE) such as Sr, Ba and Rb. Primitive picrobasalts carry an immiscible felsic assimilant as enclaves that bring along refractory rutile and zircon with textures typically found in oceanic plagiogranites or high pressure/low-temperature metamorphic rocks in general. U-Pb data implies a lower Cretaceous age for zircon not yet described as assimilant in Eocene to Oligocene magmatic rocks of the Central Southern Alps. The distribution of post-plutonic dykes in large batholiths such as the Adamello is one of the key features for understanding the regional stress field during the post-batholith emplacement cooling history. The emplacement of the regional dyke swarm covering the southern part of the Adamello massif was associated with consistent left lateral strike-slip movement along magma dilatation planes, leading to en echelon segmentation of dykes. Through the dilation by magma of pre-existing weaknesses and cracks in an otherwise uniform host rock, the dyke propagation and according orientation in the horizontal plane adjusted continuously perpendicular to least compressive remote stress σ3, resulting in an inferred rotation of the remote principal stress field. Les magmas issus des zones de subduction contribuent substantiellement à la formation de la croûte continentale. Les plutons tonalitiques et granitiques représentent, en effet, une partie importante de la croûte continentale. Des magmas primaires produits dans le 'mantle wedge ', partie du manteau se trouvant au-dessus de la plaque plongeante dans des zones de subduction, migrent à travers le manteau puis la croûte. Pendant ce transfert, le magma peut s'accumuler dans des réservoirs intermédiaires à différentes profondeurs. Le stockage de magma dans ces réservoirs engendre, d'une part, la différentiation des magmas par cristallisation fractionnée et, d'autre part, une fusion partielle la croûte continentale préexistante associée au transfert de la chaleur des magmas vers l'encaissant. Ces liquides magmatiques issus de la croûte peuvent, ensuite, se mélanger avec des magmas primaires. Le transport du magma dans la croûte implique notamment un flux de magma à travers différentes fractures recoupant les roches encaissantes élastiques. Au cours de ce processus de migration, des cumulats de cristaux ou des agrégats de cristaux encore non-solidifiés, peuvent être recyclés et réactivés pour être transportés à des niveaux supérieures de la croûte. Le terrain d'étude est situé dans le massif d'Adamello. Celui-ci est composé de plusieurs plutons mis en place entre 42 et 29 millions d'années. Dans une phase tardive de l'activité magmatique liée à ce batholite, une série de filons de composition variable allant de picrobasalte à des compositions dacitiques s'est mise en place la partie sud du massif. Deux modèles sont proposés dans la littérature, pour expliquer la formation des magmas dacitiques caractérisés par des compositions peralumineux (i.e. à corindon normatif). Le premier modèle propose que ces magmas soient issus de la fusion de matériel mafique et pélitique présent dans la partie inférieur de la croûte, alors que le deuxième modèle suggère une évolution par cristallisation fractionnée à partir de liquides primaires issus du manteau. Un modèle de cristallisation fractionnée a pu être développé pour expliquer l'évolution des filons de l'Adamello. Ce modèle explique la formation des filons dacitiques par la cristallisation fractionnée de 17% olivine, 2% spinelle riche en Cr, 18% clinopyroxène, 41% amphibole, 4% plagioclase et 0.1% magnetite à partir de liquide de compositions picrobasaltiques. Ce modèle prend en considération les contraintes pétrologiques déduites de l'observation des différents filons ainsi que du champ de stabilité des différentes phases en fonction de la température. Ces roches montrent une évolution géochimique similaire aux données expérimentales simulant la cristallisation fractionnée de magmas évoluant à des niveaux inférieurs de la croûte (7-10 kbar). Le modèle montre, en particulier, le rôle prépondérant de l'amphibole, une phase qui contrôle en particulier le caractère peralumineux des magmas différentiés ainsi que leurs compositions en éléments en traces. Des phénomènes de fusion partielle de l'encaissant tonalitique lors de la mise en place de _lons mafiques sont observée sur le terrain. L'injection du magma basaltique chaud (~1050°C) sous forme de filons rapprochés augmente la surface du contact avec l'encaissante tonalitique. Une telle situation produit la fusion partielle des roches encaissantes nécessaire à l'incorporation d'enclaves mafiques observés au sein des tonalites. Pour comprendre les conditions nécessaires pour la fusion partielle des roches encaissantes, des modèles de conduction thermique pour une injection simultanée d'une série de filons ont été développées. Des données géochimiques sur les minéraux et sur les roches totales soulignent qu'au niveau supérieur de la croûte, l'assimilation sélective ou totale de l'encaissante tonalitique modifie la composition du liquide primaire pour les éléments lithophiles tel que le Sr, Ba et Rb. Un autre aspect important concernant la pétrologie des filons de l'Adamello est la présence d'enclaves felsiques dans les filons les plus primitifs. Ces enclaves montrent, en particulier, des textures proches de celles rencontrées dans des plagiogranites océaniques ou dans des roches métamorphiques de haute pression/basse température. Ces enclaves contiennent du zircon et du rutile. La datations de ces zircons à l'aide du géochronomètre U-Pb indique un âge Crétacé inférieur. Cet âge est important, car aucune roche de cet âge n'a été considérée comme un assimilant potentiel pour des roches magmatiques d'âge Eocène à Oligocène dans les Alpes Sud Centrales. La réparation spatiale des filons post-plutoniques dans des grands batholites tel que l'Adamello, est une caractéristique clé pour la compréhension des champs de contraintes lors du refroidissement du batholite. L'orientation des filons va, en particulier, indiqué la contrainte minimal au sein des roches encaissante. La mise en place de la série de filon recoupant la partie Sud du massif de l'Adamello est associée à un décrochement senestre, un décrochement que l'on peut lié aux contraintes tectoniques régionales auxquelles s'ajoutent l'effet de la dilatation produite par la mise en place du batholite lui-même. Ce décrochement senestre produit une segmentation en échelon des filons.

MRI-based prostate brachytherapy seed localization.

A magnetic resonance imaging (MRI) pulse sequence and a corresponding image processing algorithm to localize prostate brachytherapy seeds during or after therapy are presented. Inversion-Recovery with ON-resonant water suppression (IRON) is an MRI methodology that generates positive contrast in regions of magnetic field susceptibility, as created by prostate brachytherapy seeds. Phantoms comprising of several materials found in brachytherapy seeds were created to assess the usability of the IRON pulse sequence for imaging seeds. Resulting images show that seed materials are clearly visible with high contrast using IRON, agreeing with theoretical predictions. A seed localization algorithm to process IRON images demonstrates the potential of this imaging technique for seed localization and dosimetry.

Elemental and isotopic zoning in natural alpine quartz

THESIS ABSTRACT : Stable isotope geochemistry is used to help resolve a large number of geological questions. In order to do this, it is essential to understand the different mechanisms that govern isotopic fractionation processes between different phases and to identify the conditions required to reach equilibrium fractionation. However, at low temperatures, these processes are poorly constrained and many factors can induce differential partitioning of the isotopes between sectors of a mineral species and the fluid during mineral growth. This can result in so-called 'sector zoning' of a mineral species. The aim of this thesis is to evaluate the occurrence of sector zoning of the oxygen isotopes and trace elements in natural α-quartz crystals and to identify the reasons for such zoning. The implications for the fluid-mineral interactions are studied in the context of the Alpine metamorphism. The approach chosen has focused on examining the crystal structure, cathodoluminescence appearance (CL), and on relating elemental (e.g. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) to stable oxygen isotope compositions between and along different growth sectors. Low temperature quartz samples were selected from Alpine veins in different localities, where growth conditions have already been well constrained. The mineralogy as well as the isotopic compositions of the host rocks were also investigated, in order to interpret the variations obtained between the different growth stages in the framework of fluid-rock interaction during Alpine metamorphism. Depending on the growth conditions, most of the studied quartz is strongly zoned in CL, and it reveals corresponding zonations in the trace element content (e.g. growth zoning). Aluminium, substituting for Si in the lattice, was found in concentrations up to 1000's ppma, and its distribution is strongly related to Li and H and to a lesser extent, to Ge. Elemental sector zoning is evident from the distribution of these three elements since they exhibit differences in their respective concentrations between faces for distinct growth zones, with prismatic faces having the lowest Al contents. Quartz from veins in magmatic rocks, for example, tend to have lower Al concentrations and similar concentrations of Li and Ti suggesting also a contribution of these elements from the host rock. The relationship between Al and Li is still correlated. Only Alpine crystals grown at higher temperatures (~400°C) without any CL zoning feature are free of these impurities and do not show such zoning characteristics. Differences in the δ18O values were measured between different faces principally in the AIenriched growth zones or stages. These results were confirmed by the means of two different methods (in situ/non in situ). However, it was determined that the Al concentrations do not affect significantly oxygen isotope fractionations at 300°C. The results altogether suggest that the presence of sector zoning in quartz crystals is real, but not universal, and henceforth should be taken into consideration for any use of these systems. The occurrence of disequilibrium partitioning has been enhanced and is possibly related to kinetic processes as well as structural effects that do not affect similarly trace element incorporation and isotopic fractionation. In situ measurements also revealed fine scale δ18O zonations along growth paths that are useful to constrain fluid-rock interactions during Alpine metamorphism. Variations in the δ18O values present along growth vectors indicate changes in the fluid composition and origin. Association with oxygen isotope composition of the host rock allows for the deduction of interactions between rocks, veins and consequently fluids, as well as fluid regimes. RESUME DE LA THESE : A basses températures, (i.e. <400°C) les différents mécanismes qui régissent le fractionnement isotopique ainsi que les conditions nécessaires pour établir un état d'équilibre sont peu connus et nombre de paramètres peuvent entraîner un partitionnement chimique différentiel entre différents secteurs d'un minéral et le fluide en contact. Ainsi, ce travail de thèse a pour but d'évaluer la possible présence de zonages sectoriels en isotopes de l'oxygène mais aussi en éléments traces dans des cristaux naturels de quartz-α de basses températures, ainsi que les raisons d'un tel phénomène et enfin ses implications sur les interactions fluide-roche, principalement dans le cadre du métamorphisme Alpin. La structure et l'apparence en cathodoluminescence (CL) des échantillons ont été caractérisées avant de retracer en détail les compositions en élément traces (Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) et en isotopes de l'oxygène, le long et entre différents secteurs. Les échantillons de quartz sélectionnés proviennent majoritairement de veines Alpine de différentes localités, où les conditions de croissance ont été déjà bien caractérisées. Les compositions minéralogiques et isotopiques de la roche encaissante ont aussi été examinées, pour contraindre les variations obtenues dans un contexte Alpin. Selon leurs conditions de croissance, la plupart des cristaux étudiés sont fortement zonés, ce qui est souligné par un zonage des concentrations en éléments traces (e.g. zonage de croissance). L'Aluminium, qui peut se substituer à la Silice dans le réseau cristallin, a été retrouvé jusqu'en très grandes concentrations dans certaines zones (plusieurs milliers de ppma). De plus, la distribution en Al est fortement liée à celles de Li et H, ainsi que dans une moindre mesure à Ge. La présence de zonage sectoriel est évidente au niveau de ces éléments qui montrent de larges différences de concentrations entre différentes faces pour une même zone de croissance, avec les concentrations les plus basses retrouvées dans les faces prismatiques. Les quartz de veines situées dans des roches magmatiques par exemple possèdent des concentrations en Li et Ti de même ordre de grandeur, confirmant le rôle de la composition de la roche encaissante. La relation Li/Al est toujours fortement présente, mais ce rapport est fonction de la face mesurée. Seuls les cristaux Alpins de plus hautes températures (400°C) ne possédant pas de zones en CL ne présentent aucune de ces caractéristiques. Des différences dans les valeurs de δ18O de zones identiques enrichies en Al ont clairement été mesurées entre les différentes faces r, z, et m, mais aussi au sein d'une même seule zone, indiquant que le fractionnement a probablement eu lieu en déséquilibre. Il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs n'avait qu'un faible effet sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. L'utilisation de deux méthodes différentes a permis d'obtenir des résultats in situ et non in situ concordants. La comparaison des résultats obtenus permet de démontrer que le zonage sectoriel est bien présent dans certains cristaux de quartz, et dépend des conditions de formation. La présence d'un partitionnement différentiel des éléments traces peut être due à des effets cinétiques aussi bien que structuraux, alors que le zonage sectoriel des isotopes de l'oxygène aurait d'autres origines. Il est alors évident que la possibilité de zonage sectoriel doit être désormais pris en considération avant toute interprétations de données isotopiques de cristaux zonés. Les mesures in situ ont de plus permis de distinguer de fines variations des valeurs δ18O au cours de la croissance, qui peuvent aider à retracer la circulations des fluides dans les Alpes durant cette période. En association avec les compositions des roches encaissantes, ii est possible de déduire les interactions entre roches, veines, et par conséquent fluides, au cours de différentes étapes. RESUME GRAND PUBLIC : La géochimie des isotopes stables a pris beaucoup d'importance depuis ces dernières années pour aider à résoudre nombre de questions géologiques, en se basant sur les caractéristiques du fractionnement isotopiques pour différents systèmes. Il est donc nécessaire d'avoir une connaissance approfondie des mécanismes qui s'appliquent au fractionnement isotopique entre les minéraux et les fluides à partir desquels ils se forment. Ces mécanismes ont été bien approchés par différents types de calibrations pour des systèmes à hautes températures, cependant cela n'est pas aussi évident pour les systèmes à des températures inférieures à 400-500°C. Ce travail de thèse a pour but d'aider à la description et la compréhension des phénomènes qui peuvent affecter le fractionnement isotopique à basses températures, ainsi que leurs implications, à partir de l'étude de cristaux de quartz. Le choix des échantillons s'est porté sur des cristaux naturels formés à des températures inférieures ou égales à 400°C, provenant majoritairement de fissures hydrothermales Alpines dont les conditions de formation ont déjà été déterminées. L'étude des cristaux Alpin permet de plus de replacer les résultats obtenus dans le contexte du métamorphisme Alpin au cours du Miocène (21-13 Ma). Après examen de la structure et de la morphologie des cristaux, et leur caractérisation par cathodoluminescence (CL), des analyses chimiques détaillées sur les éléments en traces pouvant entrer dans le réseau cristallin du quartz comme impuretés (i.e. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti), et des isotopes stables de l'oxygène, ont été menées. En fonction des conditions de croissance, la plupart des cristaux présentent des zonations, qui peuvent être facilement reliées à la distribution des éléments traces analysés par microsonde électronique, sonde ionique (SIMS) et LA-ICPMS. De fortes concentrations d'Aluminium (plusieurs milliers de parties par million atomique) ont pu être observées dans les zones les plus externes des cristaux. De plus, les concentrations en Al et en Li sont toujours corrélées; la présence d'Hydrogène déduite à partir d'analyses par FTIR suit cette même tendance. Les différentes faces des cristaux présentent des concentrations distinctes d'Al, Li et H pour des mêmes zones de croissance, avec par exemple les concentrations les plus faibles dans les zones des faces prismatiques. Cela implique la présence d'un zonage sectoriel, qui a déjà été observé principalement dans des carbonates mais jamais décrit auparavant pour des quartz. Seuls les cristaux alpins homogènes en CL dont la croissance s'est faite à plus haute température (400°C) ne présentent aucune de ces caractéristiques. Par analogie avec le zonage sectoriel en Al, élément qui se substitue au Si dans le réseau cristallin du quartz, il est possible de penser qu'un zonage sectoriel pourrait aussi s'appliquer aux isotopes de l'oxygène. Des précédentes études avaient en effet émis cette hypothèse. Nos résultats ont été obtenus à partir d'analyses à la fois in- situ par SIMS, et par extraction assistée par laser-CO2 sur des parties de quartz soigneusement séparées, et sont en accord entre les deux méthodes. Un zonage sectoriel est en effet bien présent pour les cristaux alpins, mais principalement au niveau des zones très riches en Aluminium. Cependant, il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs avait un effet plus que minimal sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. Des différences importantes ont été observées entre les faces r & z mais aussi au sein d'une même et seule zone, indiquant que le fractionnement a pu avoir lieu en déséquilibre, ce qui est aussi visible au niveau des valeurs totalement opposées entre faces pour la dernière phase de croissance de certains cristaux. Ainsi l'association de ces résultats laisse suggérer que la présence d'un zonage sectoriel peut être liée à différents paramètres tels que le taux de croissance ou la structure de surface du cristal, mais qui n'affectent pas de la même façon l'incorporation des éléments traces et le fractionnement isotopique. La possibilité d'un zonage sectoriel est importante à prendre en compte lors de toute interprétation de données isotopiques. Les analyses des isotopes de l'oxygène effectuées par SIMS ont aussi permis de distinguer des variations importantes à petite échelle au cours de la croissance. Des mesures faites par laser CO2 sur certaines roches encaissantes, ont permis distinguer plusieurs étapes dans la croissance des minéraux et de déduire le rôle de l'encaissant et le type de fluide. En association avec de précédentes études, il a été ainsi possible de mieux contraindre la formation de ces cristaux dans le contexte alpin et la circulation de fluide au cours du métamorphisme alpin durant le Miocène.

Rôle des champignons dans la voie oxalate-carbonate

La présente thèse met en évidence trois rôles des champignons dans la voie oxalate-carbonate. (i) La dynamique fongique de production des cristaux d'oxalate de calcium montre une diminution du nombre de ces cristaux comparativement à ceux préalablement produits. Afin de confirmer ce résultat, une méthode analytique faisant usage de la chromatographie liquide mesurant l'oxalate total, a été mise en pratique. De plus, des champignons à pourriture blanche ont été cultivés sur un milieu Schlegel couramment utilisé par les bactériologistes pour montrer la dissolution bactérienne des oxalates de calcium. Certains champignons se sont révélés positifs au test. (ii) Une approche en microcosme a été employée pour comprendre le rôle respectif des champignons et des bactéries dans la voie oxalate-carbonate. Champignons et bactéries sont la composante biologique du système oxalate-carbonate et sont donc ajoutés au sol des microcosmes selon les séries : (A) champignons seuls, (B) bactéries seules et (C) champignons et bactéries ensemble. En prenant en considération la variable oxalate et en opérant une approche factorielle en accord avec la théorie de la hiérarchie, les séries additionnelles suivantes ont été étudiées : (D) champignon plus oxalate, (E) bactéries plus oxalate et (F) champignon et bactéries ensemble plus oxalate. En présence d'oxalate de calcium les résultats des quantités de champignon vivant (évaluées par dosage de l'ergostérol) au cours du temps montrent que la rapidité de colonisation des microcosmes est accélérée de trois semaines ; c'est une fertilisation du sol opérée par l'oxalate qui favorise la biomasse vivante du champignon. Les champignons à leur tour survivent sur le long terme (3 mois) seulement en présence des bactéries sinon leur biomasse vivante reste faible. Par conséquent, c'est l'interaction entre champignons et bactéries sous forme de coexistence qui permet leur survie réciproque. Les champignons interagissent en synergie avec les bactéries dans le sol du microcosme mais les bactéries, moteur de l'alcalinisation du sol, survivent plus longtemps et atteignent des populations plus élevées seulement quand le champignon et l'oxalate sont présents. En plus des résultats sur les quantités de champignons et de bactéries, le suivi du pH pour toutes les séries des microcosmes examinées laisse apparaître une propriété émergente. Pour l'unique série (F), il se produit une alcalinisation du milieu de deux unités et demie de pH. L'hypothèse de base selon laquelle l'oxalate est responsable d'une favorisation de la voie oxalate-carbonate a été vérifiée. Le rôle des champignons est de favoriser les populations bactériennes sous l'action fertilisante de l'oxalate. (iii) L'origine du calcium, une des questions à résoudre les plus importantes afin que la voie oxalate-carbonate agisse comme un puits de carbone, a été abordée théoriquement, par une littérature élargie, et expérimentalement en boîte de Pétri, en utilisant la colonisation fongique. Le rôle des champignons est de transloquer et libérer du calcium activement et passivement dans le sol.

The making of frozen-hydrated, vitreous lamellas from cells for cryo-electron microscopy.

There has been a long standing desire to produce thick (up to 500 nm) cryo-sections of fully hydrated cells and tissue for high-resolution analysis in their natural state by cryo-transmission electron microscopy. Here, we present a method that can successfully produce sections (lamellas in FIB-SEM terminology) of fully hydrated, unstained cells from high-pressure frozen samples by focused ion beam (FIB) milling. The samples are therefore placed in thin copper tubes and vitrified by high-pressure freezing. For transfer, handling and subsequent milling, the tubes are placed in a novel connective device (ferrule) that protects the sample from devitrification and contamination and passes through all operation steps. A piezo driven sample positioning stage (cryo-nano-bench, CNB) with three degrees of freedom was additionally developed to enable accurate milling of frozen-hydrated lamellas. With the CNB, high-pressure frozen samples can be milled to produce either thin lamellas (<100 nm), for direct imaging by high-resolution cryo-TEM or thicker lamellas (300-500 nm) for cryo-electron tomography. The sample remains vitreous throughout the process by using the presented tools and methods. The results are an important step towards investigating larger cells and even tissue in there natural state which in the end will enable us to gain better insights into cellular processes.

Particle exposure scenarios for research and production activities involving nanomaterials

Nanomaterials with structures in the nanoscale (1 to 100 nm) often have chemical, physical and bioactive characteristics different from those of larger entities of the same material. This is interesting for industry but raises questions about the health of exposed people. However, little is known so far about the exposure of workers to inhalable airborne nanomaterials. We investigated several activities in research laboratories and industry to learn about relevant exposure scenarios. Work process analyses were combined with measurements of airborne particle mass concentrations and number−size distributions. Background levels in research settings were mostly low, while in industrial production, levels were sometimes elevated, especially in halls near busy roads or in the presence of diesel fork lifts without particle filters. Peak levels were found in an industrial setting dealing with powders (up to 80,000 particles/cm³ and up to 15 mg/m³). Mostly low concentrations were found for activities involving liquid applications. However, centrifugation and lyophilization of nanoparticle containing solutions resulted in very high particle number concentrations (up to 300,000 particles/cm³), whereas no increases were seen for the same activities conducted with nanoparticle−free liquids. No significant increases of particle concentrations were found for processes involving nanoparticles bound to surfaces. Also no increases were observed in laboratories that were visualizing properties and structures of small amounts of nanomaterials. Conclusion: When studying exposure scenarios for airborne nanomaterials, the focus should not only be on processes involving nano−powders, but also on processes involving intensively treated nanoparticle−containing liquids. Acknowledgement: We thank Chantal Imhof, MSc and Guillaume Ferraris, MSc for their contributions.