Fractionation, chemical and toxicological characterization of tobacco smoke components

La fumée du tabac est un aérosol extrêmement complexe constitué de milliers de composés répartis entre la phase particulaire et la phase vapeur. Il a été démontré que les effets toxicologiques de cette fumée sont associés aux composés appartenant aux deux phases. Plusieurs composés biologiquement actifs ont été identifiés dans la fumée du tabac; cependant, il n’y a pas d’études démontrant la relation entre les réponses biologiques obtenues via les tests in vitro ou in vivo et les composés présents dans la fumée entière du tabac. Le but de la présente recherche est de développer des méthodes fiables et robustes de fractionnement de la fumée à l’aide de techniques de séparation analytique et de techniques de détection combinés à des essais in vitro toxicologiques. Une étude antérieure réalisée par nos collaborateurs a démontré que, suite à l’étude des produits de combustion de douze principaux composés du tabac, l’acide chlorogénique s’est avéré être le composé le plus cytotoxique selon les test in vitro du micronoyau. Ainsi, dans cette étude, une méthode par chromatographie préparative en phase liquide a été développée dans le but de fractionner les produits de combustion de l’acide chlorogénique. Les fractions des produits de combustion de l’acide chlorogénique ont ensuite été testées et les composés responsables de la toxicité de l’acide chlorogénique ont été identifiés. Le composé de la sous-fraction responsable en majeure partie de la cytoxicité a été identifié comme étant le catéchol, lequel fut confirmé par chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse à temps de vol. Des études récentes ont démontré les effets toxicologiques de la fumée entière du tabac et l’implication spécifique de la phase vapeur. C’est pourquoi notre travail a ensuite été focalisé principalement à l’analyse de la fumée entière. La machine à fumer Borgwaldt RM20S® utilisée avec les chambres d’exposition cellulaire de British American Tobacco permettent l’étude in vitro de l’exposition de cellules à différentes concentrations de fumée entière du tabac. Les essais biologiques in vitro ont un degré élevé de variabilité, ainsi, il faut prendre en compte toutes les autres sources de variabilité pour évaluer avec précision la finalité toxicologique de ces essais; toutefois, la fiabilité de la génération de la fumée de la machine n’a jamais été évaluée jusqu’à maintenant. Nous avons donc déterminé la fiabilité de la génération et de la dilution (RSD entre 0,7 et 12 %) de la fumée en quantifiant la présence de deux gaz de référence (le CH4 par détection à ionisation de flamme et le CO par absorption infrarouge) et d’un composé de la phase particulaire, le solanesol (par chromatographie en phase liquide à haute performance). Ensuite, la relation entre la dose et la dilution des composés de la phase vapeur retrouvée dans la chambre d’exposition cellulaire a été caractérisée en utilisant une nouvelle technique d’extraction dite par HSSE (Headspace Stir Bar Sorptive Extraction) couplée à la chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse. La répétabilité de la méthode a donné une valeur de RSD se situant entre 10 et 13 % pour cinq des composés de référence identifiés dans la phase vapeur de la fumée de cigarette. La réponse offrant la surface maximale d’aire sous la courbe a été obtenue en utilisant les conditions expérimentales suivantes : intervalle de temps d’exposition/ désorption de 10 0.5 min, température de désorption de 200°C pour 2 min et température de concentration cryogénique (cryofocussing) de -75°C. La précision de la dilution de la fumée est linéaire et est fonction de l’abondance des analytes ainsi que de la concentration (RSD de 6,2 à 17,2 %) avec des quantités de 6 à 450 ng pour les composés de référence. Ces résultats démontrent que la machine à fumer Borgwaldt RM20S® est un outil fiable pour générer et acheminer de façon répétitive et linéaire la fumée de cigarette aux cultures cellulaires in vitro. Notre approche consiste en l’élaboration d’une méthodologie permettant de travailler avec un composé unique du tabac, pouvant être appliqué à des échantillons plus complexes par la suite ; ex : la phase vapeur de la fumée de cigarette. La méthodologie ainsi développée peut potentiellement servir de méthode de standardisation pour l’évaluation d’instruments ou de l’identification de produits dans l’industrie de tabac.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

Chemical composition measurements of cloud condensation nuclei and ice nuclei by aerosol mass spectrometry

In this study the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) was used during three laboratory measurement campaigns, FROST1, FROST2 and ACI-03. The FROST campaigns took place at the Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS) at the IfT in Leipzig and the ACI-03 campaign was conducted at the AIDA facility at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). In all three campaigns, the effect of coatings on mineral dust ice nuclei (IN) was investigated. During the FROST campaigns, Arizona Test Dust (ATD) particles of 200, 300 and 400 nm diameter were coated with thin coatings (< 7 nm) of sulphuric acid. At these very thin coatings, the AMS was operated close to its detection limits. Up to now it was not possible to accurately determine AMS detection limits during regular measurements. Therefore, the mathematical tools to analyse the detection limits of the AMS have been improved in this work. It is now possible to calculate detection limits of the AMS under operating conditions, without losing precious time by sampling through a particle filter. The instrument was characterised in more detail to enable correct quantification of the sulphate loadings on the ATD particle surfaces. Correction factors for the instrument inlet transmission, the collection efficiency, and the relative ionisation efficiency have been determined. With these corrections it was possible to quantify the sulphate mass per particle on the ATD after the condensation of sulphuric acid on its surface. The AMS results have been combined with the ice nucleus counter results. This revealed that the IN-efficiency of ATD is reduced when it is coated with sulphuric acid. The reason for this reduction is a chemical reaction of sulphuric acid with the particle's surface. These reactions are increasingly taking place when the aerosol is humidified or heated after the coating with sulphuric acid. A detailed analysis of the solubility and the evaporation temperature of the surface reaction products revealed that most likely aluminium sulphate is produced in these reactions.

Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens zur Bestimmung von halogenierten Kohlenwasserstoffen in Luft mittels anreichernder Probenahme,Thermodesorption und GC,MS mit negativer chemischer Ionisation

Flüchtige organische Halogenverbindungen übernehmen in der Chemie der Troposphäre eine Schlüsselrolle. Photolytisch gebildete Halogenatome reagieren mit troposphärischem Ozon und können durch Oxidation, vor allem von Iod, zur Neubildung von Partikeln beitragen. Auf diese Weise beeinflussen Halogenalkane den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Aus analytischem Blickwinkel ist es wichtig die Konzentration der einzelnen Spezies zu untersuchen um Rückschlüsse auf deren biotische oder abiotische Quellen ziehen und die Emissionswege besser verstehen zu können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher eine sensitive Methode zur Untersuchung von halogenierten Kohlenwasserstoffen entwickelt, basierend auf anreichernder Probenahme mit anschließender Thermodesorption und der Analyse mittels Massenspektrometrie mit negativer chemischer Ionisation. Die Kennwerte der Methode sind: Nachweisgrenzen zwischen 0.11 pg und 5.86 pg bzw. zwischen 1.0 ppqV und 44.7 ppqV, Linearität zwischen R2=0.993 und R2=1.000, Reproduzierbarkeit (Triplikate) RSD < 15 % und ein sicheres Probenahmevolumen von 10 L. Die Methode wurde im Anschluss im Rahmen von zwei Feldmessungen, in Mace Head, Irland und auf einer Schiffskampagne im antarktischen Amundsen-Meer, angewendet. Durch die Ergebnisse aus Irland kann gezeigt werden, dass die Mischungsverhältnisse der Iodalkane mit denen früherer Studien vergleichbar sind, und dass die verschiedenen untersuchten Algenarten deutlich unterschiedliche Emissionsraten zeigen. Die Ergebnisse der Kampagne im Amundsen-Meer zeigen einen großen Einfluss der Windrichtung auf die Halogenalkan-Konzentrationen. So sind die Mischungsverhältnisse der Halogenalkane deutlich höher, wenn der Wind zuvor über die antarktischen Eisflächen strömt. Für die biotischen Quellen wurden die Emissionsraten ausgewählter Makroalgen unter dem Einfluss von Ozon untersucht. Die Emissionsrate der Iodalkane zeigt einen exponentiellen Zusammenhang, sowohl zur I2-Emission als auch zum Gesamtiodgehalt der Algen. Unter oxidativen Bedingungen zeigt L. Digitata eine linear steigende Iodalkanemission. Mit diesem Verhalten wird die These der Bildung von Iodalkanen als Nebenprodukt beim Abbau reaktiver Sauerstoffspezies unterstützt. Neben den Makroalgen wurden auch Mikroalgen als biotische Quellen untersucht. Hierbei können zwei unterschiedliche Emissionsmuster der Halogenalkane für Diatomeen und Phaeocystis sp. gezeigt werden. Im Gegensatz zur Iodalkan-Emission hängt die I2 Emission der Mikroalgenproben von der Ozonkonzentration der Luft ab. Durch die lineare Korrelation der I2-Emission mit der Iodid-Konzentration der wässrigen Phase einerseits, und dem Ozonverbrauch andererseits, kann die Bildung von I2 durch Oxidation von Iodid durch Ozon bestätigt werden. Für das Emissionsverhalten der Mikroalgenprobe aus dem Sylter Wattenmeer, welche keine Korrelation mit dem verbrauchten Ozon zeigt, gibt es zwei Erklärungen: Zum einen kann I2 durch den hohen Gehalt an organischen Verbindungen an diesen adsorbiert bzw. chemisch gebunden werden und wird dann nicht mehr in die Gasphase emittiert. Zum anderen können aktive organische Verbindungen das Gleichgewicht zwischen HOI und I2 in Richtung HOI verlagern. Im Versuch zur abiotischen Bildung von Iodalkanen aus Partikeln, bestehend aus I2O5 und verschiedenen Alkoholen, kann gezeigt werden, dass die Bildung von Iodmethan und Diiodmethan abläuft, dass jedoch die Emission bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die von I2. Somit trägt die Bildung von Iodalkanen nur in einem sehr eingeschränkten Rahmen zum Recycling des Iods in der Atmosphäre bei. Der vorgestellte abiotische Bildungsweg hängt sowohl vom pH-Wert als auch vom Mischungsverhältnis im Partikel ab.

High depth-resolution laser ablation chemical analysis of additive-assisted Cu electroplating for microchip architectures

Laser ablation/ionisation mass spectrometry with a vertical resolution at a nanometre scale was applied for the quantitative characterisation of the chemical composition of additive-assisted Cu electroplated deposits used in the microchip industry. The detailed chemical analysis complements information gathered by optical techniques and allows new insights into the metal deposition process.

Chemical and physical methods of enhancing the percutaneous absorption of antimicrobial agents

Contrary to previously held beliefs, it is now known that bacteria exist not only on the surface of the skin but they are also distributed at varying depths beneath the skin surface. Hence, in order to sterilise the skin, antimicrobial agents are required to penetrate across the skin and eliminate the bacteria residing at all depths. Chlorhexidine is an antimicrobial agent with the widest use for skin sterilisation. However, due to its poor permeation rate across the skin, sterilisation of the skin cannot be achieved and, therefore, the remaining bacteria can act as a source of infection during an operation or insertion of catheters. The underlying theme of this study is to enhance the permeation of this antimicrobial agent in the skin by employing chemical (enhancers and supersaturated systems) or physical (iontophoresis) techniques. The hydrochloride salt of chlorhexidine (CHX), a poorly soluble salt, was used throughout this study. The effect of ionisation on in vitro permeation rate across the excised human epidennis was investigated using Franz-type diffusion cells. Saturated solutions of CHX were used as donor and the variable studied was vehicle pH. Permeation rate was increased with increasing vehicle pH. The pH effect was not related to the level of ionisation of the drug. The effect of donor vehicle was also studied using saturated solutions of CHX in 10% and 20% ethanol as the donor solutions. Permeation of CHX was enhanced by increasing the concentration of ethanol which could be due to the higher concentration of CHX in the donor phase and the effect of ethanol itself on the membrane. The interplay between drug diffusion and enhancer pretreatment of the epidennis was studied. Pretreatment of the membrane with 10% Azone/PG demonstrated the highest diffusion rate followed by 10% olcic acid/PG pretreatment compared to other pretreatment regimens (ethanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), propylene glycol (PG), sodium dodecyl sulphate (SDS) and dodecyl trimethyl ammonium bromide (DT AB). Differential Scanning Calorimetry (DSC) was also employed to study the mode of action of these enhancers. The potential of supersaturated solutions in enhancing percutaneous absorption of CHX was investigated. Various anti-nucleating polymers were screened in order to establish the most effective agent. Polyvinylpyrrolidone (PVP, K30) was found to be a better candidate than its lower molecular weight counterpart (K25) and hydroxypropyl methyleellulose (HPMC). The permeation studies showed an increase in diffusion rate by increasing the degree of saturation. Iontophoresis is a physical means of transdemal drug delivery enhancement that causes an increased penetration of molecules into or through the skin by the application of an electric field. This technique was employed in conjunction with chemical enhancers to assess the effect on CHX permeation across the human epidermis. An improved transport of CHX, which was pH dependant was observed upon application of the current. Combined use of iontophoresis and chemical enhancers further increased the CHX transport indicating a synergistic effect. Pretreatment of the membrane with 10% Azone/PG demonstrated the greatest effect.

Ionisation and discharge in cloud-forming atmospheres of brown dwarfs and extrasolar planets

Brown dwarfs and giant gas extrasolar planets have cold atmospheres with rich chemical compositions from which mineral cloud particles form. Their properties, like particle sizes and material composition, vary with height, and the mineral cloud particles are charged due to triboelectric processes in such dynamic atmospheres. The dynamics of the atmospheric gas is driven by the irradiating host star and/or by the rotation of the objects that changes during its lifetime. Thermal gas ionisation in these ultra-cool but dense atmospheres allows electrostatic interactions and magnetic coupling of a substantial atmosphere volume. Combined with a strong magnetic field , a chromosphere and aurorae might form as suggested by radio and x-ray observations of brown dwarfs. Non-equilibrium processes like cosmic ray ionisation and discharge processes in clouds will increase the local pool of free electrons in the gas. Cosmic rays and lighting discharges also alter the composition of the local atmospheric gas such that tracer molecules might be identified. Cosmic rays affect the atmosphere through air showers in a certain volume which was modelled with a 3D Monte Carlo radiative transfer code to be able to visualise their spacial extent. Given a certain degree of thermal ionisation of the atmospheric gas, we suggest that electron attachment to charge mineral cloud particles is too inefficient to cause an electrostatic disruption of the cloud particles. Cloud particles will therefore not be destroyed by Coulomb explosion for the local temperature in the collisional dominated brown dwarf and giant gas planet atmospheres. However, the cloud particles are destroyed electrostatically in regions with strong gas ionisation. The potential size of such cloud holes would, however, be too small and might occur too far inside the cloud to mimic the effect of, e.g. magnetic field induced star spots.

Sexual selection in a tropical fruit fly : role of a plant derived chemical in mate choice

The specific mechanisms by which selective pressures affect individuals are often difficult to resolve. In tephritid fruit flies, males respond strongly and positively to certain plant derived chemicals. Sexual selection by female choice has been hypothesized as the mechanism driving this behaviour in certain species, as females preferentially mate with males that have fed on these chemicals. This hypothesis is, to date, based on studies of only very few species and its generality is largely untested. We tested the hypothesis on different spatial scales (small cage and seminatural field-cage) using the monophagous fruit fly, Bactrocera cacuminata. This species is known to respond to methyl eugenol (ME), a chemical found in many plant species and one upon which previous studies have focused. Contrary to expectation, no obvious female choice was apparent in selecting ME-fed males over unfed males as measured by the number of matings achieved over time, copulation duration, or time of copulation initiation. However, the number of matings achieved by ME-fed males was significantly greater than unfed males 16 and 32 days after exposure to ME in small cages (but not in a field-cage). This delayed advantage suggests that ME may not influence the pheromone system of B. cacuminata but may have other consequences, acting on some other fitness consequence (e.g., enhancement of physiology or survival) of male exposure to these chemicals. We discuss the ecological and evolutionary implications of our findings to explore alternate hypotheses to explain the patterns of response of dacine fruit flies to specific plant-derived chemicals.

Chemical functionalities of high and low sulfur Australian coals : a case study using micro attenuated total reflectance–fourier transform infrared (ATR–FTIR) spectrometry

The macerals in bituminous coals with varying organic sulfur content from the Early Permian Greta Coal Measures at three locations (Southland Colliery, Drayton Colliery and the Cranky Corner Basin), in and around the Sydney Basin (Australia), have been studied using light-element electron microprobe (EMP) analysis and micro-ATR–FTIR. Electron microprobe analysis of individual macerals reveals that the vitrinite in both the Cranky Corner Basin and Drayton Colliery (Puxtrees seam) samples have similar carbon contents (ca. 78% C in telocollinite), suggesting that they are of equivalent rank. However, the Cranky Corner coals have anomalously low vitrinite reflectance (down to 0.45%) vs. the Drayton materials (ca. 0.7%). They also have very high organic S content (3–6.5%) and lower O content (ca. 10%) than the equivalent macerals in the Drayton sample (0.7% S and 15.6% O). A study was carried out to investigate the impacts of the high organic S on the functional groups of the macerals in these two otherwise iso-rank, stratigraphically-equivalent seams. An iso-rank low-S coal from the overlying Wittingham Coal Measures near Muswellbrook and coals of slightly higher rank from the Greta Coal Measures at Southland Colliery near Cessnock were also evaluated using the same techniques to extend the data set. Although the telocollinite in the Drayton and Cranky Corner coals have very similar carbon content (ca.78% C), the ATR–FTIR spectra of the vitrinite and inertinite macerals in these respectively low S and high S coals show some distinct differences in IR absorbance from various aliphatic and aromatic functional groups. The differences in absorbance of the aliphatic stretching bands (2800–3000 cm−1) and the aromatic carbon (CC) peak at 1606 cm−1 are very obvious. Compared to that of the Drayton sample (0.7% S and 15% O), the telocollinite of the Cranky Corner coal (6% S and 10% O) clearly shows: (i) less absorbance from OH groups, represented by a broad region around 3553 cm−1, (ii) much stronger aliphatic C–H absorbance (stretching modes around 3000–2800 cm−1 and bending modes around 1442 cm−1) and (iii) less absorbance from aromatic carbon functional groups (peaking at 1606 cm−1). Evaluation of the iso-rank Drayton and Cranky Corner coals shows that: (i) the aliphatic C–H absorbances decrease with increasing oxygen content but increase with increasing organic S content and (ii) the aromatic H to aliphatic H ratio (Har/Hali) for the telocollinite increases with (organic) O%, but decreases progressively with increasing organic S. The high organic S content in the maceral appears to be accompanied by a greater proportion of aliphatic functional groups, possibly as a result of some of the O within maceral ring structures in the high S coal samples being replaced.

Part 1. Chemical and Physical Restraints in the Management of Mechanically Ventilated Patients in the ICU: Contributing Factors

Chemical and physical restraints are frequently used in the intensive care unit (ICU) to control agitated patients and to prevent self-harm and unplanned extubations. Published work relating to the numerous issues of the care and treatment strategies for these patients remains conflicting and unclear. Literature regarding sedation and chemical restraint reveals a trend towards management with lighter sedation, use of sedation assessment tools and sedation protocols. It remains unclear which treatment is best for agitated and delirious patients, and the evidence on the effect of sedation is conflicting. A large portion of the literature on the use of physical restraint is from general hospital wards and residential homes, and not from the ICU environment. The purpose of this paper is to provide a summary of the existing literature on the use of physical and chemical restraints in the ICU setting. In Part 1 of this two-part paper, the evidence on chemical and physical restraints is explored with specific focus on definition of terms, unplanned