Puun kemiallinen koostumus ja sen uuteaineiden analysointi

Tämä kandidaatintyö jakaantuu teoriaosuuteen ja kokeelliseen osaan. Teoriaosuudessa käsitellään puun kemiallista koostumusta, jossa keskitytään erityisesti puun uuteaineisiin. Puun uuteaineista käsitellään erityisesti hartsihappoja, koska ne ovat taloudellisesti arvokkaita yhdisteitä. Teoriaosuudessa esitellään puun uuteaineille eri analyysimenetelmiä kaasu- ja nestekromatografialla sekä kapillaarielektroforeesilla. Analyysimenetelmät ovat koottu tieteisartikkeleista, joissa on tutkittu ja analysoitu puun uuteaineita. Työn kokeellisessa osuudessa analyysilaitteeksi valittiin kapillaarielektroforeesi (CE). Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voisi analysoida puun uuteaineista hartsi- ja rasvahappoja. Kapillaarielektroforeesille testattiin viittä erilaista menetelmää. Referenssinäytteinä työssä käytettiin oleiinihappoa ja abietiinihappoa. Yhdellä testatuista menetelmistä saatiin analysoitua oleiinihappoa referenssinäytteistä, mutta mahdollisesti myös abietiinihappoa. Tässä menetelmässä CE:n puskuriliuoksena käytettiin 50 mM boraattia + 100 mM natriumlauryylisulfaattia. Menetelmässä näytteen injektioaika oli 10 sekuntia ja CE:n sähköjännite oli 25 kV. Menetelmä oli toimiva 1000 mg/L liuoksilla, joiden pH oli nostettu 9-10 natriumhydroksidilla. Menetelmän haittapuolena on se, että alle 200 mg/L:n kantaliuoksilla CE:llä ei voitu analysoida oleiini- ja abietiinihappoa. Menetelmä ei siis sovellu esimerkiksi sellaisten näytteiden analysointiin, jossa oleiini- ja abietiinihappo pitoisuudet ovat hyvin pienet (alle 200 mg/L).

Influence of multi-phase phenomena on semibatch crystallization processes of aqueous solutions

Crystal properties, product quality and particle size are determined by the operating conditions in the crystallization process. Thus, in order to obtain desired end-products, the crystallization process should be effectively controlled based on reliable kinetic information, which can be provided by powerful analytical tools such as Raman spectrometry and thermal analysis. The present research work studied various crystallization processes such as reactive crystallization, precipitation with anti-solvent and evaporation crystallization. The goal of the work was to understand more comprehensively the fundamentals, phenomena and utilizations of crystallization, and establish proper methods to control particle size distribution, especially for three phase gas-liquid-solid crystallization systems. As a part of the solid-liquid equilibrium studies in this work, prediction of KCl solubility in a MgCl2-KCl-H2O system was studied theoretically. Additionally, a solubility prediction model by Pitzer thermodynamic model was investigated based on solubility measurements of potassium dihydrogen phosphate with the presence of non-electronic organic substances in aqueous solutions. The prediction model helps to extend literature data and offers an easy and economical way to choose solvent for anti-solvent precipitation. Using experimental and modern analytical methods, precipitation kinetics and mass transfer in reactive crystallization of magnesium carbonate hydrates with magnesium hydroxide slurry and CO2 gas were systematically investigated. The obtained results gave deeper insight into gas-liquid-solid interactions and the mechanisms of this heterogeneous crystallization process. The research approach developed can provide theoretical guidance and act as a useful reference to promote development of gas-liquid reactive crystallization. Gas-liquid mass transfer of absorption in the presence of solid particles in a stirred tank was investigated in order to gain understanding of how different-sized particles interact with gas bubbles. Based on obtained volumetric mass transfer coefficient values, it was found that the influence of the presence of small particles on gas-liquid mass transfer cannot be ignored since there are interactions between bubbles and particles. Raman spectrometry was successfully applied for liquid and solids analysis in semi-batch anti-solvent precipitation and evaporation crystallization. Real-time information such as supersaturation, formation of precipitates and identification of crystal polymorphs could be obtained by Raman spectrometry. The solubility prediction models, monitoring methods for precipitation and empirical model for absorption developed in this study together with the methodologies used gives valuable information for aspects of industrial crystallization. Furthermore, Raman analysis was seen to be a potential controlling method for various crystallization processes.

Nutritional composition, fatty acid and tocopherol contents of buriti (Mauritia flexuosa) and patawa (Oenocarpus bataua) fruit pulp from the amazon region

Buriti and patawa are two endemic palm trees from the Amazon region. Their pulps are traditionally consumed by the local population, but are underused and lesser known worldwide. Nutritional composition, fatty acid and tocopherol contents of the two palm pulps were determined by modern analytical methods: Gas Chromatography (CG) and High Performance Liquid Chromatography (HPLC), based on the standards of AOCS (AMERICAN..., 2002) and AOAC (ASSOCIATION..., 1997), respectively. Buriti and patawa fruit pulps are highly nutritive, with respectively, high fat content (38.4% and 29.1% of dry matter (DM)), protein content (7.6% and 7.4% of DM) and dietary fibers (46% and 44.7% of DM). Buriti pulp can be considered healthy food due its high content of vitamin E (1169 µg.g-1 DM). Patawa pulp is highly oleaginous and its fatty acid composition is very similar to the ones of healthy oils, such as olive oil.

Evaluation of nutritional compounds in new amaranth and quinoa cultivars

This study evaluated the fatty acid quantification, proximate and amino acid compositions, antioxidant activity, total phenolic compounds, vitamin E, and mineral contents of new amaranth (BRS Alegria) and quinoa (BRS Piabiru) cultivars which were produced in order to adapt these pseudocereals to the climatic conditions of central-western Brazil. They showed superior levels of protein and total lipids in comparison to their native counterparts. The lipid profile of the amaranth BRS Alegria was revealed to be better than those of other native cultivars. Quinoa BRS Piabiru presented a higher antioxidant capacity and phenolic content than the studied amaranth cultivar, but lower contents of tocopherols. All of the obtained results confirm that these new grains possess an overall amount of nutritional compounds that is better than those reported for many native counterparts of the studied samples. The employed analytical methods in this work contributed to a better understanding of the quinoa BRS Piabiru and amaranth BRS Alegria chemical compositions. Therefore, the diversity and quantity of all of the studied compounds in the samples denote the considerable importance of these grains for food science research area.

Influence of distillation time and sample mass on sulfur dioxide analysis in passion fruit juice through Monier-Williams method

AbstractThis study aimed to evaluate the effect of the distillation time and the sample mass on the total SO2 content in integral passion fruit juice (Passiflora sp). For the SO2 analysis, a modified version of the Monier-Williams method was used. In this experiment, the distillation time and the sample mass were reduced to half of the values proposed in the original method. The analyses were performed in triplicate for each distilling time x sample mass binomial, making a total of 12 tests, which were performed on the same day. The significance of the effects of the different distillation times and sample mass were evaluated by applying one-factor analysis of variance (ANOVA). For a 95% confidence limit, it was found that the proposed amendments to the distillation time, sample mass, and the interaction between distilling time x sample mass were not significant (p > 0.05) in determining the SO2 content in passion fruit juice. In view of the results that were obtained it was concluded that for integral passion fruit juice it was possible to reduce the distillation time and the sample mass in determining the SO2 content by the Monier-Williams method without affecting the result.

Variation of some chemical and functional properties of Bambara groundnut (Voandzeia Subterranean L. Thouars) during sort time storage

Abstract The storage susceptibility of Bambara groundnut (B. G.) (Voandzeia Subterranean (L.) Thouars) to Callosobruchus maculatus and chemical and functional properties of 11 varieties form Far-North of Cameroon were investigate using standard analytical methods. Storage susceptibility shown that, after five months within treatment, C. maculatus destroy 10 to 50% of grains. The chemical characteristics of none attack grains of 11 varieties were range to 18.64 at 21.08%, 6.85 at 7.44%, 49.75 at 52.68% and to 6.05 at 7.55% respectively for protein, fat, starch and free carbohydrate. These chemical characteristics significantly (p < 0.05) decreases form attacks varieties. For the functional parameters, the none attacks grains was range of 130 at 135%, 19.15 at 20.91%, 18.20 at 21.13%, 2.76 at 3.21% and of 8.54 at 10.14% respectively for water capacity absorption, solubility index, gel length, ash and humidity. The results of this study indicated that storage susceptibility, chemical and functional properties of B. G. be dependant to the varieties.

Analytics for the modified kraft pulps

Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää sopiva analyyttinen menetelmä muokatun kraft-sellukuidun substituutioasteen (DS) kvantitatiivista määrittämistä varten. Muokkauksella tarkoitetaan tässä yhteydessä joko kovalenttisesti tai adsorption avulla tapahtuvaa molekyylin kiinnittymistä sellukuidun pinnalle. Työn kirjallisuusosuudessa käsitellään lyhyesti eri muokkaustapoja ja yhdisteitä joiden avulla voidaan saavuttaa haluttuja ominaisuuksia sellusta valmistetuille lopputuotteille. Lisäksi kirjallisuusosuudessa käydään läpi käyttötarkoitukseen soveltuvimpia suoria ja epäsuoria analyysimenetelmiä. Analyysimenetelmistä kaikkein lupaavimpia testattiin työn kokeellisessa osassa. Diplomityön kokeellisessa osassa keskityttiin kehittämään muokatulle sellulle kvantitatiivista menetelmää DS:n määrittämiseksi Fourier-muunnos infrapuna-vaimennettu kokonaisheijastus (FTIR-ATR) spektrometrillä. Kirjallisuuskatsauksessa ei löytynyt yhtään dokumentoitua tutkimusta, jossa FTIR-ATR menetelmää olisi käytetty muokatun sellukuidun kvantitatiiviseen tutkimukseen. Muiden analyysimenetelmien, kuten alkuaineanalyysin, termogravimetrisen analyysin (TGA) ja valomikroskopian avulla pyrittiin tuottamaan lisätietoa muokkauksesta. Kvantitatiivisen FTIR-ATR menetelmän kehitykseen käytetyt muokatut sellukuidut olivat selluloosa-asetaattia ja selluloosa betainaattia. Saatujen tulosten perusteella muokattujen sulfiitti- ja kraft sellukuitujen DS:n kvantitatiivinen määrittäminen on mahdollista FTIR-ATR menetelmällä. Vähäinen kalibrointipisteiden määrä vaikeutti tarkan analyysimenetelmän tekemistä. Kehitetyn menetelmän suurimpina ongelmina olivat kiinteiden näytteiden heterogeenisyys sekä mahdollisten epäpuhtauksien tunnistaminen. Jatkotutkimusten avulla kehitettyä menetelmää on kuitenkin mahdollista käyttää muokattujen sellukuitujen jatkuvaan analysointiin selluteollisuudessa.

Accelerating food safety and quality control: The use of antibody engineering techniques in the detec-tion of low-molecular weight food contaminants

The increased awareness and evolved consumer habits have set more demanding standards for the quality and safety control of food products. The production of foodstuffs which fulfill these standards can be hampered by different low-molecular weight contaminants. Such compounds can consist of, for example residues of antibiotics in animal use or mycotoxins. The extremely small size of the compounds has hindered the development of analytical methods suitable for routine use, and the methods currently in use require expensive instrumentation and qualified personnel to operate them. There is a need for new, cost-efficient and simple assay concepts which can be used for field testing and are capable of processing large sample quantities rapidly. Immunoassays have been considered as the golden standard for such rapid on-site screening methods. The introduction of directed antibody engineering and in vitro display technologies has facilitated the development of novel antibody based methods for the detection of low-molecular weight food contaminants. The primary aim of this study was to generate and engineer antibodies against low-molecular weight compounds found in various foodstuffs. The three antigen groups selected as targets of antibody development cause food safety and quality defects in wide range of products: 1) fluoroquinolones: a family of synthetic broad-spectrum antibacterial drugs used to treat wide range of human and animal infections, 2) deoxynivalenol: type B trichothecene mycotoxin, a widely recognized problem for crops and animal feeds globally, and 3) skatole, or 3-methyindole is one of the two compounds responsible for boar taint, found in the meat of monogastric animals. This study describes the generation and engineering of antibodies with versatile binding properties against low-molecular weight food contaminants, and the consecutive development of immunoassays for the detection of the respective compounds.

The characterization of new benzimidazole fungicides /

Extensive studies have been initiated to generate enough data to register the methyl homologue (MBC-MIC, see List of Abbreviations, page 14) of benomyl (MBC-BIC) as a commercial product through a joint effort between the federal government and Canadian industry. The objective of this study, as part of the whole project, was to generate fundamental data on the physical properties of the series of benomyl homologues (MBC-MIC, MBC-EIC, MBC-PIC and MBC-BIC). These data include the half lives of these compounds in water at the pH range from 2 to 12; they ranged from 0.7 to 10. 1 hours. Standard solutions of these compounds in concentrated acid were found to be stable for at least two weeks, and in the case of MBC-MIC it was stable at least 1 month. Another major goal of this study was to determine the solubility of each compound in water at different pHs in the range of 1 to 12. The solubility of the compounds ranged from 0.6 jig/mL to 396 fig/mL. In addition, it was possible to prepare stable stock solutions at concentrations > 1 000 |ig/mL in concentrated nitric acid. Several aspects of analytical methods have been improved to accurately assess the solubility and rate of degradation of benomyl and its homologues in alkaline conditions. The determination of melting points was attempted but all compounds decomposed before melting.To complement the studies of the benomyl homologue series attempts were made to explore the presence of any relationships between the structures of the compounds and their properties. Although there were some exceptions, the compound's solubility decreased and half life increased as the molecular size increased from the methyl to the butyl analogue.

Geochemistry and mineralogical association of heavy metal contaminants in fine grained sediment, Welland River, Southern Ontario /

This investigation of geochemistry and mineralogy of heavy metals in fine grained (<63^m) sediment of the Welland River was imdertaken to: 1) describe metal dispersion patterns relative to a source, identify minerals forming and existing at the outfall region and relate sediment particle size to chemistry; 2) to delineate sample handling, preparation and evaluate, modify and develop analytical methods for heavy metal analysis of complex environmental samples. Ajoint project between Brock University and Geoscience Laboratories was initiated to test a contaminated site of the Welland River at the base of Atlas Speciality Steels Co. Methods were developed and utilized for particle size separation and two acid extraction techniques: 1) Partial extraction; 2) Total extraction. The mineralogical assessment identified calcite, dolomite, quartz and clays. These minerals are typical of the carbonate-shale rock basement of the Niagara Peninsula. Minerals such as, mullite and ferrocolumbite were found at the outfall region. These are not typical of the local geology and are generally associated with industrial pollutants. Partial and total extraction techniques were used to characterize the sediments based on chemical distribution, elemental behaviour and analytical differences. The majority of elements were lower in concentration in the partial extraction technique; suggesting these elements are bound in an acid extractable phase (exchangeable, organic and carbonate phases). The total extraction technique yielded higher elemental concentrations taking difficult oxides and silicates into solution. Geochemical analyses of grain size separates revealed that heavy metal (Co, Ni, V, Mn, Fe, Ba) concentrations did not increase with decreasing grain size. This is a function of the anthropogenic mill scale input into the river. The background elements (Sc, Y, Sr, Mg, Al and Ti) showed an increase in concentration to the finest grain size suggesting that it is directly related to the local mineralogy and geology. Dispersion patterns ofmetals fall into two distinct categories: 1) the heavy metals (Co, Cu, Ni, Zn, V and Cr), and 2) the background elements (Be, Sc, Y, Sr, Al and Ti). The heavy metals show a marked increase in the outfall region, while the background elements show a significant decrease at the outfall. This pattern is attributed to a "dilution effect" ofthe natural sediments by the anthropogenic mill scale sediments. Multivariant statistical analysis and correlation coefficient matrix results clearly support these results and conclusions. These results indicate the outfall region ofthe Welland River is highly contaminated with to heavy metals from the industrialized area of Welland. A short distance downstream, the metal concentrations return to baseline geochemical levels. It appears, contaminants rapidly come out of suspension and are deposited in close proximity to the source. Therefore, it is likely that dredging the sediment from the river may cause resuspension of contaminated sediments, but may not distribute the sediment as far as initially anticipated.

Investigations into the determinations of hydride-forming elements

Analytical methods for the determination of trace amounts of germanium, tin and arsenic were established using hydride generation coupled with direct current plasma atomic emission spectrometry. A continuous gas flowing batch system for the hydride generation was investigated and was applied to the determination of germanium(Ge), tin(Sn), antimony(Sb) and lead(Pb) (Preliminary results suggest that it is also applicable to arsenic)As) ). With this system, the reproducibility of signals was improved and the determination was speeded up, compared with the conventional batch type hydride generation system. Each determination was complete within one minute. Interferences from a number of transition metal ions, especially from Pd(II), Pt(IV), Ni(II), Cu(II), Co(II), and Fe(II, III), have proven to be very serious under normal conditions, in the determination of germanium, tin, and arsenic. These interference effects were eliminated or significantly reduced in the presence of L-cystine or L-cysteine. Thus, a 10-1000 fold excess of Ni(II), Cu(II), Co(II), Fe(II), Pt(IV), Pd(II), etc. can be tolerated without interference, In the presence of L-cystine or L-cysteine, compared with absence of interference reducing agent. The methods for the determination of Ge, Sn, and As were examined by the analyses of standard reference materials. Interference effects from the sample matrix, for example, in transition metal-rich samples, copper, iron and steel, were eliminated by L-cystine (for As and Sn) and by LI cysteine (for Ge). The analysis of a number of standard reference materials gave excellent results of As and Sn contents in agreement with the certified values, showing there was no systematic interference. The detection limits for both germanium and tin were 20 pg ml- I . Preliminary studies were carried out for the determination of antimony and lead. Antimony was found to react with NaBH4, remaInIng from the previous determinations, giving an analytical signal. A reversed injection manner, i.e., injection of the NaBH4 solution prior to the analyte solution was used to avoid uncertainty caused by residual NaBH4 present and to ensure that an excess of NaB H4 was available. A solution of 0.4% L-cysteine was found to reduce the interference from selected transition metal ions, Co(II), Cu(II), Ni(II) and Pt(IV). Hydrochloric acid - hydrogen peroxide, nitric acid - ammonium persulphate, and potassium dichromate malic acid reaction systems for lead hydride generation were compared. The potassium dichromate - malic acid reaction medium proved to be the best with respect to reproducibility and minimal interference. Cu(II), Ni(II), and Fe(II) caused strong interference In lead determinations, which was not reduced by L-cysteine or Lcystine. Sodium citrate, ascorbic acid, dithizone, thiosemicarbazide and penicillamine reduced interferences to some extent. Further interference reduction studies were carried out uSIng a number of amino acids, glycine, alanine, valine, leucine and histidine, as possible interference reducing agents in the determination of germanium. From glycine, alanine, valine to leucine, the interference reduction effect in germanium determinations decreased. Histidine II was found to be very promising In the reduction of interference. In fact, histidine proved more efficient than L-cystine and L-cysteine In the reduction of interference from Ni(II) in the determination of germanium. Signal enhancement by easily ionized elements (EIEs), usually regarded as an interference effect in analysis by DCP-AES, was studied and successfully applied to advantage in improving the sensitivity and detection limit in the determination of As, Ge, Sn, Sb, and Pb. The effect of alkali and alkaline-earth elements on the determination of the above five hydride forming elements was studied. With the appropriate EIE, a signal enhancement of 40-115% was achieved. Linear calibration and good reproducibility were also obtained in the presence of EIEs. III

METHOXYPYRAZINES AND LADYBUG TAINT IN WINES

Methoxypyrazines are aroma active compounds found in many wine varietals. These compounds can be of either grape-derived nature or can be introduced into wines via Coccinellidae beetles. Regardless of their origin, methoxypyrazines can have either a beneficial role for wine quality, contributing to the specificity of certain wine varietals (Cabernet sauvignon, Cabernet franc, Sauvignon blanc) or a detrimental role, particularly at higher concentrations, resulting in overpowering green, unripe and herbaceous notes. When methoxypyrazines of exogenous nature are responsible for these unpleasant characteristics, wines are considered to be affected by what is generally known as Ladybug taint (LBT). This is work is a collection of studies seeking to create a sensitive analytical method for the detection and quantification of methoxypyrazines in wines; to investigate the role of different Coccinellidae species in the tainting of wines with LBT and identify the main compounds in ladybug tainted wines responsible for the typical green herbaceous characteristics; to determine the human detection threshold of 2,5-dimethyl-3-methoxypyrazine in wines as well as investigate its contribution to the aroma of wines; and finally to survey methoxypyrazine concentrations in a large set of wines from around the world. In the first study, an analytical method for the detection and quantitation of methoxypyrazines in wines was created and validated. The method employs multidimensional Gas Chromatography coupled with Mass Spectrometry to detect four different methoxypyrazines (2,5-dimethyl-3-methoxypyrazine, isobutyl methoxypyrazine, secbutyl methoxypyrazine and isopropyl methoxypyrazines) in wine. The low limits of detection for the compounds of interest, improved separation and isolation capabilities, good validation data, as well as the ease of use recommend this method as a good alternative to the existing analytical methods for methoxypyrazine detection in wine. In the second study the capacity of two Coccinellidae species, found in many wine regions – Harmonia axyridis and Coccinella septempunctata - to taint wines is evaluated. Coccinella septempunctata is shown to be as capable as causing LBT in wines as Harmonia axyridis. Dimethyl methoxypyrazine, previously thought to be of exogenous nature only (from Coccinellidae haemolymph), is also detected in control (untainted) wines. The main odor active compounds in LBT wines are investigated through Aroma Extract Dilution Assay. These compounds are identified as isopropyl methoxypyrazine, sec- and iso- butyl methoxypyrazine. In the third study, the human detection threshold for dimethyl methoxypyrazine in wine is established to be 31 ng/L in the orthonasal modality and 70 ng/L retronasally. After wines spiked with various amounts of dimethyl methoxypyrazine are evaluated sensorally, dimethyl methoxypyrazine causes significant detrimental effects to wine aroma at a concentration of 120 ng/L. The final study examines methoxypyrazine (dimethyl methoxypyrazine, isopropyl methoxypyrazine, secbutyl methoxypyrazine and isobutyl methoxypyrazine) concentrations in 187 wines from around the world. Dimethyl methoxypyrazine is detected in the majority of the red wines tested. Data are interpreted through statistical analyses. A new measure for predicting greenness/herbaceousness in wines - methoxypyrazine “total impact factor” is proposed.

Développement de techniques analytiques pour la détermination des agents anti-infectieux dans les eaux environnementales

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles.

Développement de méthodes analytiques pour la détection et la quantification de traces de produits pharmaceutiques dans les eaux du fleuve Saint Laurent

Le présent projet vise à documenter la nécessité d’augmenter notre connaissance de la présence des contaminants organiques tels que les médicaments dans l’environnement et d’évaluer leur devenir environnemental. On a étudié la présence de composés pharmaceutiques dans différents échantillons d'eau. On a focalisé nos efforts spécialement sur les échantillons d'eau de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et ses effluents, les eaux de surface avoisinantes et l’eau du robinet dans la région de Montréal. Pour ce faire, on a tout d’abord développé deux méthodes analytiques automatisées basées sur la chromatographie liquide avec extraction en phase solide (SPE) couplée à la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). On a également étudié les performances des trois techniques d'ionisation à pression atmosphérique (API), pour ensuite les utiliser dans la méthode analytique développée. On a démontré que l'ionisation par électronébulisation (ESI) est une méthode d'ionisation plus efficace pour l'analyse des contaminants pharmaceutiques dans des échantillons de matrices très complexes comme les eaux usées. Une première méthode analytique SPE couplée à la LC-MS/MS a été développée et validée pour l'étude des échantillons complexes provenant de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et des eaux de surface près de l'usine. Cinq médicaments de prescription ont été étudiés: le bézafibrate (un régulateur de lipides), le cyclophosphamide et le méthotrexate (deux agents anticancéreux), l'orlistat (un agent anti-obésité) et l’énalapril (utilisé dans le traitement de l'hypertension). La plupart de ces drogues sont excrétées par le corps humain et rejetées dans les eaux usées domestiques en faisant par la suite leur chemin vers les usines municipales de traitement des eaux usées. On a pu démontrer qu'il y a un faible taux d’élimination à l'usine d'épuration pour le bézafibrate et l'énalapril. Ces deux composés ont aussi été détectés dans les eaux de surface sur un site à proximité immédiate de la décharge de l’effluent de la station d'épuration. i En observant la nécessité de l'amélioration des limites de détection de la première méthode analytique, une deuxième méthode a été développée. Pour la deuxième méthode, un total de 14 contaminants organiques, incluant trois agents anti-infectieux (clarithromycin, sulfaméthoxazole et triméthoprime), un anticonvulsant (carbamazépine) et son produit de dégradation (10,11-dihydrocarbamazépine), l'agent antihypertensif (enalapril), deux antinéoplastiques utilisés en chimiothérapie (cyclophosphamide et méthotrexate), des herbicides (atrazine, cyanazine, et simazine) et deux produits de transformation de l’atrazine (deséthylatrazine et déisopropylatrazine) ainsi qu’un agent antiseptique (triclocarban). Ces produits ont été quantifiés dans les eaux de surface ainsi que dans l’eau du robinet. L'amélioration des limites de détection pour cette méthode a été possible grâce à la charge d'un volume d'échantillon supérieur à celui utilisé dans la première méthode (10 mL vs 1 mL). D'autres techniques de confirmation, telles que les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle et la mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol, ont été explorées. L'utilisation d'un analyseur de masse à temps d’envol a permis la confirmation de 6 des 14 analytes. Finalement, étant donné leur haute toxicité et pour évaluer leur persistance et leur transformation au niveau du traitement des eaux potables, la cinétique d'oxydation du cyclophosphamide et de méthotrexate avec l'ozone moléculaire et des radicaux OH a été étudiée. Les constantes de dégradation avec l'ozone moléculaire ont été calculées et la qualité de l'eau après traitement a pu être évaluée. Le rendement du processus d'ozonation a été amélioré pour la cyclophosphamide dans les eaux naturelles, en raison de la combinaison de réactions directes et indirectes. Cette étude a montré que l'ozone est très efficace pour oxyder le méthotrexate mais que le cyclophosphamide serait trop lent à s’oxyder pour un traitement efficace aux conditions usuelles de traitement de l’eau potable.

Devenir environnemental des antidépresseurs dans les rejets urbains par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem

Les troubles reliés à la dépression, l’épuisement professionnel et l’anxiété sont de plus en plus répandus dans notre société moderne. La consommation croissante d’antidépresseurs dans les différents pays du monde est responsable de la récente détection de résidus à l’état de traces dans les rejets urbains municipaux. Ainsi, ces substances dites « émergentes » qui possèdent une activité pharmacologique destinée à la régulation de certains neurotransmetteurs dans le cerveau suscitent maintenant de nombreuses inquiétudes de la part de la communauté scientifique. L’objectif principal de ce projet de doctorat a été de mieux comprendre le devenir de plusieurs classes d’antidépresseurs présents dans diverses matrices environnementales (i.e. eaux de surfaces, eaux usées, boues de traitement, tissus biologiques) en développant de nouvelles méthodes analytiques fiables capables de les détecter, quantifier et confirmer par chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-QqQMS, LC-QqToFMS). Une première étude complétée à la station d’épuration de la ville de Montréal a permis de confirmer la présence de six antidépresseurs et quatre métabolites N-desmethyl dans les affluents (2 - 330 ng L-1). Pour ce traitement primaire (physico-chimique), de faibles taux d’enlèvement (≤ 15%) ont été obtenus. Des concentrations d’antidépresseurs atteignant près de 100 ng L-1 ont également été détectées dans le fleuve St-Laurent à 0.5 km du point de rejet de la station d’épuration. Une seconde étude menée à la même station a permis l’extraction sélective d’antidépresseurs dans trois tissus (i.e. foie, cerveau et filet) de truites mouchetées juvéniles exposées à différentes concentrations d’effluent dilué traité et non-traité à l’ozone. Un certain potentiel de bioaccumulation dans les tissus (0.08-10 ng g-1) a été observé pour les spécimens exposés à l’effluent non-traité (20% v/v) avec distribution majoritaire dans le foie et le cerveau. Une intéressante corrélation a été établie entre les concentrations de trois antidépresseurs dans le cerveau et l’activité d’un biomarqueur d’exposition (i.e. pompe N/K ATPase impliquée dans la régulation de la sérotonine) mesurée à partir de synaptosomes de truites exposées aux effluents. Une investigation de l’efficacité de plusieurs stations d’épuration canadiennes opérant différents types de traitements a permis de constater que les traitements secondaires (biologiques) étaient plus performants que ceux primaires (physico-chimiques) pour enlever les antidépresseurs (taux moyen d’enlèvement : 30%). Les teneurs les plus élevées dans les boues traitées (biosolides) ont été obtenues avec le citalopram (1033 ng g-1), la venlafaxine (833 ng g-1) et l’amitriptyline (78 ng g-1). Des coefficients de sorption expérimentaux (Kd) calculés pour chacun des antidépresseurs ont permis d’estimer une grande sorption des composés sertraline, desméthylsertraline, paroxetine et fluoxetine sur les solides (log Kd > 4). Finalement, un excellent taux d’enlèvement moyen de 88% a été obtenu après ozonation (5 mg L-1) d’un effluent primaire. Toutefois, la caractérisation de nouveaux sous-produits N-oxyde (venlafaxine, desmethylvenlafaxine) par spectrométrie de masse à haute résolution (LC-QqToFMS) dans l’effluent traité à l’ozone a mis en lumière la possibilité de formation de multiples composés polaires de toxicité inconnue.