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.

Atomic Force Microscopy Stiffness Tomography on Living Arabidopsis thaliana Cells Reveals the Mechanical Properties of Surface and Deep Cell-Wall Layers during Growth.

Cell-wall mechanical properties play a key role in the growth and the protection of plants. However, little is known about genuine wall mechanical properties and their growth-related dynamics at subcellular resolution and in living cells. Here, we used atomic force microscopy (AFM) stiffness tomography to explore stiffness distribution in the cell wall of suspension-cultured Arabidopsis thaliana as a model of primary, growing cell wall. For the first time that we know of, this new imaging technique was performed on living single cells of a higher plant, permitting monitoring of the stiffness distribution in cell-wall layers as a function of the depth and its evolution during the different growth phases. The mechanical measurements were correlated with changes in the composition of the cell wall, which were revealed by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. In the beginning and end of cell growth, the average stiffness of the cell wall was low and the wall was mechanically homogenous, whereas in the exponential growth phase, the average wall stiffness increased, with increasing heterogeneity. In this phase, the difference between the superficial and deep wall stiffness was highest. FTIR spectra revealed a relative increase in the polysaccharide/lignin content.

Flooding tolerance and cell wall alterations in maize mesocotyl during hypoxia

This research aimed to characterize the tolerance to flooding and alterations in pectic and hemicellulose fractions from mesocotyl of maize tolerant to flooding when submitted to hypoxia. In order to characterize tolerance seeds from maize cultivars Saracura BRS-4154 and BR 107 tolerant and sensitive to low oxygen levels, respectively, were set to germinate. Plantlet survival was evaluated during five days after having been submitted to hypoxia. After fractionation with ammonium oxalate 0.5% (w/v) and KOH 2M and 4M, Saracura BRS-4154 cell wall was obtained from mesocotyl segments with different damage intensities caused by oxygen deficiency exposure. The cell wall fractions were analyzed by gel filtration and gas chromatography, and also by Infrared Spectrum with Fourrier Transformation (FTIR). The hypoxia period lasting three days or longer caused cell lysis and in advanced stages plant death. The gelic profile from pectic, hemicellulose 2M and 4M fractions from samples with translucid and constriction zone showed the appearance of low molecular weight compounds, similar to glucose. The main neutral sugars in pectic and hemicellulose fractions were arabinose, xilose and mannose. The FTIR spectrum showed a gradual decrease in pectic substances from mesocotyl with normal to translucid and constriction appearance respectively.

Pathogenic role of basic calcium phosphate crystals in destructive arthropathies.

BACKGROUND: basic calcium phosphate (BCP) crystals are commonly found in osteoarthritis (OA) and are associated with cartilage destruction. BCP crystals induce in vitro catabolic responses with the production of metalloproteases and inflammatory cytokines such as interleukin-1 (IL-1). In vivo, IL-1 production induced by BCP crystals is both dependant and independent of NLRP3 inflammasome. We aimed to clarify 1/ the role of BCP crystals in cartilage destruction and 2/ the role of IL-1 and NLRP3 inflammasome in cartilage degradation related to BCP crystals. METHODOLOGY PRINCIPAL FINDINGS: synovial membranes isolated from OA knees were analysed by alizarin Red and FTIR. Pyrogen free BCP crystals were injected into right knees of WT, NLRP3 -/-, ASC -/-, IL-1α -/- and IL-1β-/- mice and PBS was injected into left knees. To assess the role of IL-1, WT mice were treated by intra-peritoneal injections of anakinra, the IL-1Ra recombinant protein, or PBS. Articular destruction was studied at d4, d17 and d30 assessing synovial inflammation, proteoglycan loss and chondrocyte apoptosis. BCP crystals were frequently found in OA synovial membranes including low grade OA. BCP crystals injected into murine knee joints provoked synovial inflammation characterized by synovial macrophage infiltration that persisted at day 30, cartilage degradation as evidenced by loss of proteoglycan staining by Safranin-O and concomitant expression of VDIPEN epitopes, and increased chondrocyte apoptosis. BCP crystal-induced synovitis was totally independent of IL-1α and IL-1β signalling and no alterations of inflammation were observed in mice deficient for components of the NLRP3-inflammasome, IL-1α or IL-1β. Similarly, treatment with anakinra did not prevent BCP crystal effects. In vitro, BCP crystals elicited enhanced transcription of matrix degrading and pro-inflammatory genes in macrophages. CONCLUSIONS SIGNIFICANCE: intra-articular BCP crystals can elicit synovial inflammation and cartilage degradation suggesting that BCP crystals have a direct pathogenic role in OA. The effects are independent of IL-1 and NLRP3 inflammasome.

Impacto da queima nos atributos químicos e na composição química da matéria orgânica do solo e na vegetação

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito residual de queimadas periódicas nos atributos químicos, teor e composição da matéria orgânica de um Latossolo Vermelho e na composição química da vegetação predominante. Os ambientes estudados foram: campo nativo pastejado, sem queima e sem roçada (PN); campo nativo queimado e pastejado (PQ); e mata nativa adjacente à pastagem (MN). As amostras de solo foram coletadas nas camadas 0-5, 0-20, 20-40 e 40-60 cm, para determinação dos atributos de fertilidade, teores de carbono e nitrogênio, e realização das análises de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). A parte aérea da vegetação desses ambientes foi analisada por análise elementar e FTIR. A queima da pastagem reduziu os teores de N, Mg e K e aumentou a saturação por Al no solo, em comparação ao PN. No solo sob mata, os teores dos nutrientes foram menores, e os de C e N e a saturação por Al mais elevados do que em PN. A aromaticidade da matéria orgânica do solo não diferiu entre os três ambientes estudados e aumentou em profundidade. Na vegetação da pastagem queimada, observou-se menor teor de N e maior proporção de grupos silicatados, em comparação ao PN. A vegetação de mata apresentou maior quantidade de grupamentos nitrogenados e aromáticos do que a de PN e PQ.

The glasses of the transept's rosette of the Cathedral of Tarragona: characterization, classification and decay.

The glasses of the rosette forming the main window of the transept of the Gothic Cathedral of Tarragona have been characterised by means of SEM/EDS, XRD, FTIR and electronic microprobe. The multivariate statistical treatment of these data allow to establish a classification of the samples forming groups having an historical significance and reflecting ancient restorations. Furthermore, the decay patterns and mechanisms have been determined and the weathering by-products characterised. It has been demonstrated a clear influence of the bioactivity in the decay of these glasses, which activity is partially controlled by the chemical composition of the glasses.

The glasses of the transept's rosette of the Cathedral of Tarragona: characterization, classification and decay.

The glasses of the rosette forming the main window of the transept of the Gothic Cathedral of Tarragona have been characterised by means of SEM/EDS, XRD, FTIR and electronic microprobe. The multivariate statistical treatment of these data allow to establish a classification of the samples forming groups having an historical significance and reflecting ancient restorations. Furthermore, the decay patterns and mechanisms have been determined and the weathering by-products characterised. It has been demonstrated a clear influence of the bioactivity in the decay of these glasses, which activity is partially controlled by the chemical composition of the glasses.

Hydrogen and oxygen isotope behaviors during variable degrees of upper mantle melting: Example from the basaltic glasses from Macquarie Island

We present measurements of hydrogen and oxygen isotopes in MORB glasses from Macquarie Island (SW. Pacific Ocean) coupled with determination of bulk H2O content by two independent techniques: total dehydration and FTIR. The incompatible trace elements in these glasses vary by a factor of 12 to 17, with K2O varying from 0.1 to 1.7 wt.%; these ranges reflect a variable degree of closed-system mantle melting, estimated from 1 to 15%. Water concentrations determined by the two techniques match well, yielding a range from 0.25 to 1.49 wt.% which correlates positively with all of the measured incompatible trace elements, suggesting that water is un-degassed, and behaves conservatively during mantle melting. Also, the agreement between the FTIR-determined and extracted water contents gives us confidence that the measured isotopic values of hydrogen reflect that of the mantle. Comparison of the range of water content with that of other incompatible trace elements allows estimation of the water partition coefficient in lherzolite, 0.0208 (ranging from 0.017 to 0.023), and the water content in the source, 386 ppm (ranging from 370 to 440 ppm). We observe a fairly narrow range in delta D and delta O-18 values of -75.5 +/- 4.5 parts per thousand and 5.50 +/- 0 .05 parts per thousand respectively, that can be explained by partial melting of normal lherzolitic mantle. The measured delta D and delta O-18 values of Macquarie Island glasses that range from nepheline- to hypersthene-normative, and from MORB to EMORB in composition, are identical to those in average global MORB. The observed lack of variation of delta D and delta O-18 with 1 to 15% degree of mantle melting is consistent with a bulk melting model of delta D and delta O-18 fractionation, in which water is rapidly scavenged into the first partial melt. The narrow ranges of delta D and delta O-18 in normal mantle are mostly due to the buffering effect of clino- and orthopyroxenes in the residual assemblage; additionally, fast ``wet'' diffusion of oxygen and hydrogen isotopes through the melting regions may further smooth isotopic differences. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Identificación de patologías causadas por el PVAc en Bienes Culturales

Esta contribución presenta el Proyecto de investigación que se está llevando a cabo en la Sección de Conservación¿Restauración de la Facultad de Bellas Artes de la Universidad de Barcelona desde el año 2006. El proyecto tiene por objetivo identificar los problemas que generan los tratamientos con PVAc, poliacetato de vinilo, en diversos bienes patrimoniales, así como el establecimiento de protocolos para la reversibilización del adhesivo. El trabajo se centra en los materiales de archivo, los materiales arqueológicos, la pinturasobre tela, sobre madera y la pintura mural por ser casos especialmente representativos de patrimonio en los que se ha utilizado este adhesivo y en los que se pueden detectar problemas derivados de su utilización. El estudio parte de la selección de obras originales procedentes de museos e instituciones colaboradoras que fueron tratadas con poliacetato de vinilo. De éstas obras se extrajeron muestras para caracterizar su composición y estado conservación. Una vez conocida la estructura de las obras se prepararon muestras probeta simulando las obras originales y se sometieron a un proceso de envejecimiento acelerado. A partir de estos simulacros se realizaron análisis para conocer los efectos derivados del uso del PVAc en tratamientos de conservación-restauración. Las técnicas de análisis empleadas fueron: medición de pH, espectroscopía de IR por transformada de Fourier (FTIR), análisis de pirolisis-cromatografía de gases / espectrometría de masas (Py-GC-MS), espectroscopia Raman por transformada de Fourier (FT-Raman), análisis de color, microscopía electrónica de barrido, espectroscopia de dispersión de rayos X (SEM-EDX) y microscopía óptica. Con la divulgación de los resultados acerca de la composición, pH, color, efectos del adhesivo sobre los soportes, propiedades mecánicas y reversibilización del adhesivo, obtenidos de las muestras probeta antes y después de la primera fase de envejecimiento acelerado, así como en unas muestras de adhesivos envejecidas de forma natural durante 10 años, se pretende fomentar la difusión y el intercambio de información entre los centros dedicados a la Conservación-Restauración del patrimonio.

Identificación de patologías causadas por el PVAc en Bienes Culturales

Esta contribución presenta el Proyecto de investigación que se está llevando a cabo en la Sección de Conservación¿Restauración de la Facultad de Bellas Artes de la Universidad de Barcelona desde el año 2006. El proyecto tiene por objetivo identificar los problemas que generan los tratamientos con PVAc, poliacetato de vinilo, en diversos bienes patrimoniales, así como el establecimiento de protocolos para la reversibilización del adhesivo. El trabajo se centra en los materiales de archivo, los materiales arqueológicos, la pinturasobre tela, sobre madera y la pintura mural por ser casos especialmente representativos de patrimonio en los que se ha utilizado este adhesivo y en los que se pueden detectar problemas derivados de su utilización. El estudio parte de la selección de obras originales procedentes de museos e instituciones colaboradoras que fueron tratadas con poliacetato de vinilo. De éstas obras se extrajeron muestras para caracterizar su composición y estado conservación. Una vez conocida la estructura de las obras se prepararon muestras probeta simulando las obras originales y se sometieron a un proceso de envejecimiento acelerado. A partir de estos simulacros se realizaron análisis para conocer los efectos derivados del uso del PVAc en tratamientos de conservación-restauración. Las técnicas de análisis empleadas fueron: medición de pH, espectroscopía de IR por transformada de Fourier (FTIR), análisis de pirolisis-cromatografía de gases / espectrometría de masas (Py-GC-MS), espectroscopia Raman por transformada de Fourier (FT-Raman), análisis de color, microscopía electrónica de barrido, espectroscopia de dispersión de rayos X (SEM-EDX) y microscopía óptica. Con la divulgación de los resultados acerca de la composición, pH, color, efectos del adhesivo sobre los soportes, propiedades mecánicas y reversibilización del adhesivo, obtenidos de las muestras probeta antes y después de la primera fase de envejecimiento acelerado, así como en unas muestras de adhesivos envejecidas de forma natural durante 10 años, se pretende fomentar la difusión y el intercambio de información entre los centros dedicados a la Conservación-Restauración del patrimonio.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

Critical flux and fouling in ultrafiltration of proteins

In this thesis different parameters influencing critical flux in protein ultrafiltration and membrane foul-ing were studied. Short reviews of proteins, cross-flow ultrafiltration, flux decline and criticalflux and the basic theory of Partial Least Square analysis (PLS) are given at the beginning. The experiments were mainly performed using dilute solutions of globular proteins, commercial polymeric membranes and laboratory scale apparatuses. Fouling was studied by flux, streaming potential and FTIR-ATR measurements. Critical flux was evaluated by different kinds of stepwise procedures and by both con-stant pressure and constant flux methods. The critical flux was affected by transmembrane pressure, flow velocity, protein concentration, mem-brane hydrophobicity and protein and membrane charges. Generally, the lowest critical fluxes were obtained at the isoelectric points of the protein and the highest in the presence of electrostatic repulsion between the membrane surface and the protein molecules. In the laminar flow regime the critical flux increased with flow velocity, but not any more above this region. An increase in concentration de-creased the critical flux. Hydrophobic membranes showed fouling in all charge conditionsand, furthermore, especially at the beginning of the experiment even at very low transmembrane pressures. Fouling of these membranes was thought to be due to protein adsorption by hydrophobic interactions. The hydrophilic membranes used suffered more from reversible fouling and concentration polarisation than from irreversible foul-ing. They became fouled at higher transmembrane pressures becauseof pore blocking. In this thesis some new aspects on critical flux are presented that are important for ultrafiltration and fractionation of proteins.

An infrared spectral signature of human lymphocyte subpopulations from peripheral blood.

Metastatic melanomas are frequently refractory to most adjuvant therapies such as chemotherapies and radiotherapies. Recently, immunotherapies have shown good results in the treatment of some metastatic melanomas. Immune cell infiltration in the tumor has been associated with successful immunotherapy. More generally, tumor infiltrating lymphocytes (TILs) in the primary tumor and in metastases of melanoma patients have been demonstrated to correlate positively with favorable clinical outcomes. Altogether, these findings suggest the importance of being able to identify, quantify and characterize immune infiltration at the tumor site for a better diagnostic and treatment choice. In this paper, we used Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging to identify and quantify different subpopulations of T cells: the cytotoxic T cells (CD8+), the helper T cells (CD4+) and the regulatory T cells (T reg). As a proof of concept, we investigated pure populations isolated from human peripheral blood from 6 healthy donors. These subpopulations were isolated from blood samples by magnetic labeling and purities were assessed by Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS). The results presented here show that Fourier Transform Infrared (FTIR) imaging followed by supervised Partial Least Square Discriminant Analysis (PLS-DA) allows an accurate identification of CD4+ T cells and CD8+ T cells (>86%). We then developed a PLS regression allowing the quantification of T reg in a different mix of immune cells (e.g. Peripheral Blood Mononuclear Cells (PBMCs)). Altogether, these results demonstrate the sensitivity of infrared imaging to detect the low biological variability observed in T cell subpopulations.

Motorcycle helmets: what about their coating?

In traffic accidents involving motorcycles, paint traces can be transferred from the rider's helmet or smeared onto its surface. These traces are usually in the form of chips or smears and are frequently collected for comparison purposes. This research investigates the physical and chemical characteristics of the coatings found on motorcycles helmets. An evaluation of the similarities between helmet and automotive coating systems was also performed.Twenty-seven helmet coatings from 15 different brands and 22 models were considered. One sample per helmet was collected and observed using optical microscopy. FTIR spectroscopy was then used and seven replicate measurements per layer were carried out to study the variability of each coating system (intravariability). Principal Component Analysis (PCA) and Hierarchical Cluster Analysis (HCA) were also performed on the infrared spectra of the clearcoats and basecoats of the data set. The most common systems were composed of two or three layers, consistently involving a clearcoat and basecoat. The coating systems of helmets with composite shells systematically contained a minimum of three layers. FTIR spectroscopy results showed that acrylic urethane and alkyd urethane were the most frequent binders used for clearcoats and basecoats. A high proportion of the coatings were differentiated (more than 95%) based on microscopic examinations. The chemical and physical characteristics of the coatings allowed the differentiation of all but one pair of helmets of the same brand, model and color. Chemometrics (PCA and HCA) corroborated classification based on visual comparisons of the spectra and allowed the study of the whole data set at once (i.e., all spectra of the same layer). Thus, the intravariability of each helmet and its proximity to the others (intervariability) could be more readily assessed. It was also possible to determine the most discriminative chemical variables based on the study of the PCA loadings. Chemometrics could therefore be used as a complementary decision-making tool when many spectra and replicates have to be taken into account. Similarities between automotive and helmet coating systems were highlighted, in particular with regard to automotive coating systems on plastic substrates (microscopy and FTIR). However, the primer layer of helmet coatings was shown to differ from the automotive primer. If the paint trace contains this layer, the risk of misclassification (i.e., helmet versus vehicle) is reduced. Nevertheless, a paint examiner should pay close attention to these similarities when analyzing paint traces, especially regarding smears or paint chips presenting an incomplete layer system.