Indirect hydrogen monitoring by chemi-ionisation following an associative ionisation pathway after metastable helium atoms production by electron impact ionisation: Protonation and deuteration of carrier gas

Gas chromatography (GC) is an analytical tool very useful to investigate the composition of gaseous mixtures. However, hydrogen (H2) detection after a GC separation is only possible with a Thermal Conductivity Detector (TCD), a Helium Ionisation Detector (HID) or expensive Atomic Emission Detector (AED). Recently, indirect H2 detection by GC coupled to mass spectrometry (MS) was demonstrated but the mechanism of carrier gas protonation remained unclear. With electron impact as ionisation source of MS and helium (He) as GC carrier gas, H2 is not ionised according the expected Penning ionisation neither according to the Associative ionisation. Rearrangement ionisation (RI) was found to be the main channel for H2 and D2 ionisation under GC-MS conditions used in most of laboratories using GC-MS, leading to the formation of [He−H]+ and [He−D]+ ions.

Indirect hydrogen analysis by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS).

Gas chromatography (GC) is an analytical tool very useful to investigate the composition of gaseous mixtures. The different gases are separated by specific columns but, if hydrogen (H2 ) is present in the sample, its detection can be performed by a thermal conductivity detector or a helium ionization detector. Indeed, coupled to GC, no other detector can perform this detection except the expensive atomic emission detector. Based on the detection and analysis of H2 isotopes by low-pressure chemical ionization mass spectrometry (MS), a new method for H2 detection by GC coupled to MS with an electron ionization ion source and a quadrupole analyser is presented. The presence of H2 in a gaseous mixture could easily be put in evidence by the monitoring of the molecular ion of the protonated carrier gas. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Hydrogen isotope fractionations between amphiboles, micas, and fluids in alkaline igneous intrusions

RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les teneurs des amphiboles en éléments majeurs et en isotopes stables ont été analysées dans plusieurs complexes ignés alcalins et hyperalcalins, dans le but de déterminer l'importance des variations de composition des minéraux pour le fractionnement isotopique de l'hydrogène dans un système naturel minéral-magma-fluide. Cette étude se concentre principalement sur les syénites néphéliniques de complexes intrusifs alcalins bien connus mais à chimie variable, dont les amphiboles, ainsi que d'autres silicates hydratés tels que micas et eudialytes, lorsque cela était possible, ont été séparés. L'intérêt principal s'est porté sur le complexe alcalin d'Ilímaussaq de la Province du Gardar, au Sud du Groenland. Dans une optique de comparaison, nous avons collecté et analysé d'autres échantillons provenant du complexe de Tugtutôq (Sud Groenland), des complexes de Khibina et Lovozero (Péninsule de Kola, Russie), du Mont St-Hilaire et du Mont Royal (Canada) et de 6 autres du nord-ouest de la Namibie (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld,et Okorusu). Les compositions isotopiques de l'hydrogène des amphiboles des ces différentes zones présentent de grandes variations (-227 à -700/00), ce qui est atypique pour des magmas d'origine mantellique. Les valeurs comprises entre -80 et -400/00 indiquent une provenance du manteau. Ces larges variations de compositions ainsi que l'extrême appauvrissement en isotope lourd de l'hydrogène (D), en comparaison avec d'autres roches ignées, semblent être propres.aux roches alcalines et hyperalcalines de ce type, ce qui indiquerait un processus commun. Les différents complexes alcalins choisis présentent un large intervalle de composition chimique des amphiboles. La caractérisation des amphiboles par microscopie électronique et par spectroscopie Mössbauer contribuent à observer le contrôle du Fe sur le fractionnement des isotopes de l'hydrogène. En effet, cela a mis en évidence un contrôle du Fe sur le fractionnement et même, dans le cas du complexe hyperalcalin d'Ilímaussaq, une relation entre le rapport Fei3+/FeT et les variations du rapport D/H. Les complexes étudiés diffèrent de par leur index agpaïtique (Na+K/Al) et également de par leur contenu en fer. Les plus hautes valeurs en Fe (27-35 wt%) et en éléments alcalins dans les amphiboles, ainsi que les teneurs de D/H les plus basses et leur grande variation, sont celles du complexe d'Ilímaussaq. Les amphiboles de la Péninsule de Kola et du Canada sont similaires, mais toutefois moins appauvries en D. En ce qui concerne les amphiboles des complexes du NO de la Namibie, elles présentent des compositions isotopiques de l'hydrogène magmatiques normales (-73 à -100 0/00), contiennent moins de Fe (15-17 wt%) et sont fortement enrichies en Ca et moins en Na. Dans ce cas, l'alcalinité est moins importante en comparaison des autres complexes étudiés. En dehors des teneurs en éléments alcalins des amphiboles, l'alcalinité des fluides s'avère également un facteur important, ce qui est cohérent avec certaines suggestions à partir de systèmes expérimentaux. Afin de mieux contraindre ce facteur, des expériences d'échanges hydrothermaux entre les amphiboles et les fluides de salinité différente ont été effectuées en simulant des conditions naturelles. L'approximation d'amphiboles naturelles de complexes ignés alcalins, couplée aux expériences d'échange, aide à préciser les facteurs contrôlant le fractionnement des isotopes de l'hydrogène dans les roches alcalines. Les valeurs extrêmement basses de 3D des amphiboles de ces complexes alcalins peuvent être dues à une combinaison de différents facteurs, telles qu'une haute alcalinité, une haute teneur en Fe et une faible profondeur d'intrusion. Les grandes variations ainsi que les faibles valeurs de SD des amphiboles étudiées peuvent résulter d'un processus magmatique interne et il est peu probable que de l'eau météorique soit impliquée et/ou que le dégazage magmatique ait joué un rôle. THESIS ABSTRACT Major element and stable isotope compositions of amphiboles were analyzed from a number of alkaline and peralkaline igneous complexes in order to determine the importance of compositional variations in minerals to hydrogen isotope fractionations in natural mineral-melt-fluid systems. The thesis mainly focuses on nepheline syenites of well-studied, but chemically variable alkaline intrusive rocks, from which amphiboles and, if possible, other hydrous silicates such as micas and eudialytes were separated. The system of primary interest was the alkaline Ilímaussaq Complex of the Gardar Province of South Greenland. For the purpose of comparison additional samples were collected and examined from the Tugtutôq Complex (South Greenland), the Khibina and Lovozero Complexes (Kola Peninsular, Russia), Mount St-Hilaire and Mount Royal (Canada) and six further complexes from NW Namibia (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld, and Okorusu). The hydrogen isotope compositions of amphiboles from the localities studied differ greatly, which is atypical for amphiboles from mantle, range between - 227 and - 700/00 (latter compatible with a simple mantle origin). As this wide range in compositions and the extreme depletion in the heavy hydrogen isotope (D) content relative to other igneous rocks appear to be unique to alkaline to peralkaline rocks of this type, a common process is indicated. The different alkaline complexes chosen cover a wide range of amphibole chemical compositions. Detailed chemical characterization of amphiboles by electron microprobe and Mössbauer spectroscopy analyses helped to constrain the control of Fe on the H-isotope fractionations. Complete characterization of the chemical compositions of the amphiboles support Fe-control on fractionations and at least for the peralkaline Ilímaussaq complex a relationship between Fe3+/FeT ratios and variations in D/H. The studied complexes differ in their agpaitic index (Na+K/Al) and also in their Fe-content. The most iron (27-35 wt. %) and alkaline element rich amphiboles, with the lowermost D/H ratio, as well with very wide range, are the ones from Ilímaussaq complex. Similar, but less D depleted amphiboles are from the Kola Peninsula and the Canadian localities. The complexes described from NW Namibia have amphiboles with normal magmatic hydrogen isotope composition (-730/00 to -1000/00), and have less Fe-content (15-17 wt. %), and are more Ca-and less Na-rich. In this case alkalinity is not that important in comparison to the other studied complexes. Beside the alkaline element contents in the amphiboles, the alkalinity of the fluids has been found to be an important factor, in conjunction with earlier suggestions from experimental systems. To further constrain this factor, hydrothermal exchange experiments between amphiboles and fluids of different salinity simulating natural conditions were performed. The approach of examining natural amphiboles from alkaline igneous complexes in parallel to performing exchange experiments - helped to further constrain the factors controlling the H-isotope fractionations in alkaline rocks. The observed changes between the hydrogen and oxygen isotope compositions of amphiboles and fluids before and after the experiments suggest that another phase was produced during the experiments, which influenced the final hydrogen isotope composition of the system. This presumably hydrous phase has also influenced the Fe3 +/Fe2+ ratio of the amphiboles, which became more oxidized. The extremely low SD values of amphiboles in these alkaline complexes may be due to a combination of different factors such as high alkalinity, high Fe-content, and shallow intrusion depths. This wide range and the low SD values of the amphiboles studied might be a result of internal, magmatic processes and it is unlikely that meteoric water was involved and/or magmatic degassing played an important role. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (pour le grand public) Fractionnement isotopique de l'hydrogène entre amphiboles, micas et fluides dans des intrusions alcalines Zsófia Wáczek Directeur de thèse, Prof. Torsten W. Vennemann Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne Les roches alcalines et celles qui leurs sont associées sont des sources importantes de nombreux minéraux et minerais, tels l'apatite, le niobium, le diamant et autres pierres précieuses. Cette étude se concentre sur des complexes alcalins localisés dans le sud du Groenland, au Canada, dans la péninsule de Kola en Russie et au nord-ouest de la Namibie. Ces complexes sont composés de roches ayant cristallisé à partir de magmas et de fluides très enrichis en alcalins. Cet enrichissement permet la précipitation de minéraux inhabituels riches en potassium et/ou sodium, telles les amphiboles sodiques, également enrichies en fer. Les amphiboles étudiées ont des compositions calciques, sodi-calciques et sodiques, qui reflètent leurs différents environnements de formation. Des études précédentes ont révélé une large gamme de rapports isotopiques de l'hydrogène dans les amphiboles de roches hyperalcalines, dont certains extrêmement bas. Cette variation importante est très intrigante, sachant que des valeurs entre -40 et -800/00 correspondent à des silicates ignés hydratés et non altérés, alors que des valeurs descendant jusqu'a -1500/00 nécessiteraient une altération par de l'eau météorique et/ou une contamination par les roches environnantes ou des sédiments riches en matière organique. Dans lé cas précis du complexe d'Ilímaussaq (sud du Groenland), aucune de ces explications n'a pu être démontrée et des valeurs encore plus faibles ont été trouvées. Le complexe d'Ilímaussaq présente des valeurs de rapport isotopique de l'hydrogène entre -227 et -500/00 dans les amphiboles. Une origine mantellique permet d'expliquer les valeurs élevées, mais d'autres processus doivent entrer en jeu pour engendrer les valeurs les plus négatives. C'est à l'identification de ces processus que nous nous sommes attachés dans ce travail. Les grandes variations observées dans les teneurs en fer et dans le rapport Fe3+/FeT des roches et des minéraux de ces complexes sont corrélées avec d'autres paramètres chimiques, tels que la composition isotopique de l'hydrogène dans les amphiboles. Nous avons dès lors abordé les questions suivantes: quelle est la relation entre la teneur en fer des amphiboles et leur composition isotopique? Que nous apprennent les changements de la teneur en fer et les changements dans le rapport Fe3+/FeT sur les processus pétrologiques dans ces roches? Pour répondre à ces questions, nous avons analysé les compositions isotopiques de l'oxygène et de l'hydrogène dans les amphiboles et d'autres silicates hydratés. La composition chimique et le rapport Fe3+/FeT des amphiboles ont également été déterminés. Des expériences hydrothermales simulant des conditions naturelles ont été entreprises afin de mieux comprendre les processus de fractionnement isotopiques dans ces systèmes très alcalins. Nos conclusions sont les suivantes: (1) Les valeurs extrêmement faibles ainsi que les larges variations des rapports isotopiques de l'hydrogène des amphiboles de ces complexes alcalins sont dues à une combinaison de facteurs tels que la forte alcalinité, la haute teneur en fer et la profondeur très faible de l'intrusion. (2) Ces valeurs sont probablement le résultat de processus magmatiques internes. (3) Il est peu probable que les eaux météoriques et/ou le dégazage magmatique aient joué un rôle lors de la formation de ces amphiboles. (4) Certaines corrélations, en accord avec les études précédentes, ont pu être trouvées au niveau des concentrations en fer. (5) Dans le cas du complexe d'Ilímaussaq exclusivement, une relation a été trouvée entre le rapport Fe3+/FeT et la composition isotopique de l'hydrogène des amphiboles.

Cryo-electron microscopy of vitreous sections of native biological cells and tissues : methodology and applications

Résumé L'eau est souvent considérée comme une substance ordinaire puisque elle est très commune dans la nature. En fait elle est la plus remarquable de toutes les substances. Sans l'eau la vie sur la terre n'existerait pas. L'eau représente le composant majeur de la cellule vivante, formant typiquement 70 à 95% de la masse cellulaire et elle fournit un environnement à d'innombrables organismes puisque elle couvre 75% de la surface de terre. L'eau est une molécule simple faite de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sa petite taille semble en contradiction avec la subtilité de ses propriétés physiques et chimiques. Parmi celles-là, le fait que, au point triple, l'eau liquide est plus dense que la glace est particulièrement remarquable. Malgré son importance particulière dans les sciences de la vie, l'eau est systématiquement éliminée des spécimens biologiques examinés par la microscopie électronique. La raison en est que le haut vide du microscope électronique exige que le spécimen biologique soit solide. Pendant 50 ans la science de la microscopie électronique a adressé ce problème résultant en ce moment en des nombreuses techniques de préparation dont l'usage est courrant. Typiquement ces techniques consistent à fixer l'échantillon (chimiquement ou par congélation), remplacer son contenu d'eau par un plastique doux qui est transformé à un bloc rigide par polymérisation. Le bloc du spécimen est coupé en sections minces (d’environ 50 nm) avec un ultramicrotome à température ambiante. En général, ces techniques introduisent plusieurs artefacts, principalement dû à l'enlèvement d'eau. Afin d'éviter ces artefacts, le spécimen peut être congelé, coupé et observé à basse température. Cependant, l'eau liquide cristallise lors de la congélation, résultant en une importante détérioration. Idéalement, l'eau liquide est solidifiée dans un état vitreux. La vitrification consiste à refroidir l'eau si rapidement que les cristaux de glace n'ont pas de temps de se former. Une percée a eu lieu quand la vitrification d'eau pure a été découverte expérimentalement. Cette découverte a ouvert la voie à la cryo-microscopie des suspensions biologiques en film mince vitrifié. Nous avons travaillé pour étendre la technique aux spécimens épais. Pour ce faire les échantillons biologiques doivent être vitrifiés, cryo-coupées en sections vitreuse et observées dans une cryo-microscope électronique. Cette technique, appelée la cryo- microscopie électronique des sections vitrifiées (CEMOVIS), est maintenant considérée comme étant la meilleure façon de conserver l'ultrastructure de tissus et cellules biologiques dans un état très proche de l'état natif. Récemment, cette technique est devenue une méthode pratique fournissant des résultats excellents. Elle a cependant, des limitations importantes, la plus importante d'entre elles est certainement dû aux artefacts de la coupe. Ces artefacts sont la conséquence de la nature du matériel vitreux et le fait que les sections vitreuses ne peuvent pas flotter sur un liquide comme c'est le cas pour les sections en plastique coupées à température ambiante. Le but de ce travail a été d'améliorer notre compréhension du processus de la coupe et des artefacts de la coupe. Nous avons ainsi trouvé des conditions optimales pour minimiser ou empêcher ces artefacts. Un modèle amélioré du processus de coupe et une redéfinitions des artefacts de coupe sont proposés. Les résultats obtenus sous ces conditions sont présentés et comparés aux résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Abstract Water is often considered to be an ordinary substance since it is transparent, odourless, tasteless and it is very common in nature. As a matter of fact it can be argued that it is the most remarkable of all substances. Without water life on Earth would not exist. Water is the major component of cells, typically forming 70 to 95% of cellular mass and it provides an environment for innumerable organisms to live in, since it covers 75% of Earth surface. Water is a simple molecule made of two hydrogen atoms and one oxygen atom, H2O. The small size of the molecule stands in contrast with its unique physical and chemical properties. Among those the fact that, at the triple point, liquid water is denser than ice is especially remarkable. Despite its special importance in life science, water is systematically removed from biological specimens investigated by electron microscopy. This is because the high vacuum of the electron microscope requires that the biological specimen is observed in dry conditions. For 50 years the science of electron microscopy has addressed this problem resulting in numerous preparation techniques, presently in routine use. Typically these techniques consist in fixing the sample (chemically or by freezing), replacing its water by plastic which is transformed into rigid block by polymerisation. The block is then cut into thin sections (c. 50 nm) with an ultra-microtome at room temperature. Usually, these techniques introduce several artefacts, most of them due to water removal. In order to avoid these artefacts, the specimen can be frozen, cut and observed at low temperature. However, liquid water crystallizes into ice upon freezing, thus causing severe damage. Ideally, liquid water is solidified into a vitreous state. Vitrification consists in solidifying water so rapidly that ice crystals have no time to form. A breakthrough took place when vitrification of pure water was discovered. Since this discovery, the thin film vitrification method is used with success for the observation of biological suspensions of. small particles. Our work was to extend the method to bulk biological samples that have to be vitrified, cryosectioned into vitreous sections and observed in cryo-electron microscope. This technique is called cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). It is now believed to be the best way to preserve the ultrastructure of biological tissues and cells very close to the native state for electron microscopic observation. Since recently, CEMOVIS has become a practical method achieving excellent results. It has, however, some sever limitations, the most important of them certainly being due to cutting artefacts. They are the consequence of the nature of vitreous material and the fact that vitreous sections cannot be floated on a liquid as is the case for plastic sections cut at room temperature. The aim of the present work has been to improve our understanding of the cutting process and of cutting artefacts, thus finding optimal conditions to minimise or prevent these artefacts. An improved model of the cutting process and redefinitions of cutting artefacts are proposed. Results obtained with CEMOVIS under these conditions are presented and compared with results obtained with conventional methods.

Distal dendrites of frog motor neurons: a computer-aided electron microscopic study of cobalt-filled cells.

With the aid of the cobalt labelling technique, frog spinal cord motor neuron dendrites of the subpial dendritic plexus have been identified in serial electron micrographs. Computer reconstructions of various lengths (2.5-9.8 micron) of dendritic segments showed the contours of these dendrites to be highly irregular, and to present many thorn-like projections 0.4-1.8 micron long. Number, size and distribution of synaptic contacts were also determined. Almost half of the synapses occurred at the origins of the thorns and these synapses had the largest contact areas. Only 8 out of 54 synapses analysed were found on thorns and these were the smallest. For the total length of reconstructed dendrites there was, on average, one synapse per 1.2 micron, while 4.4% of the total dendritic surface was covered with synaptic contacts. The functional significance of these distal dendrites and their capacity to influence the soma membrane potential is discussed.

Stable hydrogen and oxygen isotope composition of waters from mine tailings in different climatic environments

The stable isotope composition of waters (delta H-2, delta O-18) can be used as a natural tracer of hydrologic processes in systems affected by acid mine drainage. We investigated the delta H-2 and delta O-18 values of pore waters from four oxidizing sulfidic mine tailings impoundments in different climatic regions of Chile (Piuquenes at La Andina with Alpine climate, Cauquenes and Caren at El Teniente with Mediterranean climate, and Talabre at the Chuquicamata deposit with hyperarid climate). No clear relationship was found between altitude and isotopic composition. The observed displacement of the tailings pore waters from the local meteoric water line toward higher delta O-18 values (by similar to +2% delta O-18 relative to delta H-2) is partly due to water-rock interaction processes, including hydration and O-isotope exchange with sulfates and Fe(III) oxyhydroxides produced by pyrite oxidation. In most tailings, from the saturated zone toward the surface, isotopically different zones can be distinguished. Zone I is characterized by an upward depletion of H-2 and O-18 in the pore waters from the saturated zone and the lowermost vadose zone, due to ascending diffused isotopically light water triggered by the constant loss of water vapor by evaporation at the surface. In zone II, the capillary flow of a mix of vapor and liquid water causes an evaporative isotopic enrichment in H-2 and O-18. At the top of the tailings in dry climate a zone III between the capillary zone and the surface contains isotopically light diffused and atmospheric water vapor. In temperate climates, the upper part of the profile is affected by recent rainfall and zone III may not differ isotopically from zone II.

Neuroscience, quantum indeterminism and the Cartesian soul.

Quantum indeterminism is frequently invoked as a solution to the problem of how a disembodied soul might interact with the brain (as Descartes proposed), and is sometimes invoked in theories of libertarian free will even when they do not involve dualistic assumptions. Taking as example the Eccles-Beck model of interaction between self (or soul) and brain at the level of synaptic exocytosis, I here evaluate the plausibility of these approaches. I conclude that Heisenbergian uncertainty is too small to affect synaptic function, and that amplification by chaos or by other means does not provide a solution to this problem. Furthermore, even if Heisenbergian effects did modify brain functioning, the changes would be swamped by those due to thermal noise. Cells and neural circuits have powerful noise-resistance mechanisms, that are adequate protection against thermal noise and must therefore be more than sufficient to buffer against Heisenbergian effects. Other forms of quantum indeterminism must be considered, because these can be much greater than Heisenbergian uncertainty, but these have not so far been shown to play a role in the brain.