Analyse par spectrométrie de masse d’hormones stéroïdiennes dans les eaux usées et abattement par oxydation chimique

Thèse réalisée en cotutelle avec Michèle Prévost (Ph.D), Professeure titulaire au département des génies civil, géologique et des mines de l'École Polytechnique de Montréal.

Nouvelles stratégies pour l’analyse des cyanotoxines par spectrométrie de masse

Les cyanobactéries ont une place très importante dans les écosystèmes aquatiques et un nombre important d’espèces considéré comme nuisible de par leur production de métabolites toxiques. Ces cyanotoxines possèdent des propriétés très variées et ont souvent été associées à des épisodes d’empoisonnement. L’augmentation des épisodes d’efflorescence d’origine cyanobactériennes et le potentiel qu’ils augmentent avec les changements climatiques a renchéri l’intérêt de l’étude des cyanobactéries et de leurs toxines. Considérant la complexité chimique des cyanotoxines, le développement de méthodes de détection simples, sensibles et rapides est toujours considéré comme étant un défi analytique. Considérant ces défis, le développement de nouvelles approches analytiques pour la détection de cyanotoxines dans l’eau et les poissons ayant été contaminés par des efflorescences cyanobactériennes nuisibles a été proposé. Une première approche consiste en l’utilisation d’une extraction sur phase solide en ligne couplée à une chromatographie liquide et à une détection en spectrométrie de masse en tandem (SPE-LC-MS/MS) permettant l’analyse de six analogues de microcystines (MC), de l’anatoxine (ANA-a) et de la cylindrospermopsine (CYN). La méthode permet une analyse simple et rapide et ainsi que la séparation chromatographique d’ANA-a et de son interférence isobare, la phénylalanine. Les limites de détection obtenues se trouvaient entre 0,01 et 0,02 μg L-1 et des concentrations retrouvées dans des eaux de lacs du Québec se trouvaient entre 0,024 et 36 μg L-1. Une deuxième méthode a permis l’analyse du b-N-méthylamino-L-alanine (BMAA), d’ANA-a, de CYN et de la saxitoxine (STX) dans les eaux de lac contaminés. L’analyse de deux isomères de conformation du BMAA a été effectuée afin d’améliorer la sélectivité de la détection. L’utilisation d’une SPE manuelle permet la purification et préconcentration des échantillons et une dérivatisation à base de chlorure de dansyle permet une chromatographie simplifiée. L’analyse effectuée par LC couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et des limites de détections ont été obtenues entre 0,007 et 0,01 µg L-1. Des échantillons réels ont été analysés avec des concentrations entre 0,01 et 0,3 µg L-1 permettant ainsi la confirmation de la présence du BMAA dans les efflorescences de cyanobactéries au Québec. Un deuxième volet du projet consiste en l’utilisation d’une technologie d’introduction d’échantillon permettant des analyses ultra-rapides (< 15 secondes/échantillons) sans étape chromatographique, la désorption thermique à diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) et à la spectrométrie de masse (MS). Un premier projet consiste en l’analyse des MC totales par l’intermédiaire d’une oxydation de Lemieux permettant un bris de la molécule et obtenant une fraction commune aux multiples congénères existants des MC. Cette fraction, le MMPB, est analysée, après une extraction liquide-liquide, par LDTD-APCI-MS/MS. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et des concentrations entre 1 et 425 µg L-1 ont été trouvées dans des échantillons d’eau de lac contaminés du Québec. De plus, une analyse en parallèle avec des étalons pour divers congénères des MC a permis de suggérer la possible présence de congénères ou d’isomères non détectés. Un deuxième projet consiste en l’analyse directe d’ANA-a par LDTD-APCI-HRMS pour résoudre son interférence isobare, la phénylalanine, grâce à la détection à haute résolution. La LDTD n’offre pas de séparation chromatographique et l’utilisation de la HRMS permet de distinguer les signaux d’ANA-a de ceux de la phénylalanine. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et la méthode a été appliquée sur des échantillons réels d’eau avec un échantillon positif en ANA-a avec une concentration de 0,21 µg L-1. Finalement, à l’aide de la LDTD-APCI-HRMS, l’analyse des MC totales a été adaptée pour la chair de poisson afin de déterminer la fraction libre et liée des MC et comparer les résultats avec des analyses conventionnelles. L’utilisation d’une digestion par hydroxyde de sodium précédant l’oxydation de Lemieux suivi d’une purification par SPE a permis d’obtenir une limite de détection de 2,7 µg kg-1. Des échantillons de poissons contaminés ont été analysés, on a retrouvé des concentrations en MC totales de 2,9 et 13,2 µg kg-1 comparativement aux analyses usuelles qui avaient démontré un seul échantillon positif à 2 µg kg-1, indiquant la possible présence de MC non détectés en utilisant les méthodes conventionnelles.

Analyse par spectrométrie de masse des antibiotiques vétérinaires liés à l’élevage porcin

L’élevage des porcs représente une source importante de déversement d’antibiotiques dans l’environnement par l’intermédiaire de l’épandage du lisier qui contient une grande quantité de ces molécules sur les champs agricoles. Il a été prouvé que ces molécules biologiquement actives peuvent avoir un impact toxique sur l’écosystème. Par ailleurs, elles sont aussi suspectées d’engendrer des problèmes sanitaires et de contribuer à la résistance bactérienne pouvant mener à des infections difficilement traitables chez les humains. Le contrôle de ces substances dans l’environnement est donc nécessaire. De nombreuses méthodes analytiques sont proposées dans la littérature scientifique pour recenser ces composés dans plusieurs types de matrice. Cependant, peu de ces méthodes permettent l’analyse de ces contaminants dans des matrices issues de l’élevage agricole intensif. Par ailleurs, les méthodes analytiques disponibles sont souvent sujettes à des faux positifs compte tenu de la complexité des matrices étudiées et du matériel utilisé et ne prennent souvent pas en compte les métabolites et produits de dégradation. Enfin, les niveaux d’analyse atteints avec ces méthodes ne sont parfois plus à jour étant donné l’évolution de la chimie analytique et de la spectrométrie de masse. Dans cette optique, de nouvelles méthodes d’analyses ont été développées pour rechercher et quantifier les antibiotiques dans des matrices dérivées de l’élevage intensif des porcs en essayant de proposer des approches alternatives sensibles, sélectives et robustes pour quantifier ces molécules. Une première méthode d’analyse basée sur une technique d’introduction d’échantillon alternative à l’aide d’une interface fonctionnant à l’aide d’une désorption thermique par diode laser munie d’une source à ionisation à pression atmosphérique, couplée à la spectrométrie de masse en tandem a été développée. L’objectif est de proposer une analyse plus rapide tout en atteignant des niveaux de concentration adaptés à la matrice étudiée. Cette technique d’analyse couplée à un traitement d’échantillon efficace a permis l’analyse de plusieurs antibiotiques vétérinaires de différentes classes dans des échantillons de lisier avec des temps d’analyse courts. Les limites de détection atteintes sont comprises entre 2,5 et 8,3 µg kg-1 et sont comparables avec celles pouvant être obtenues avec la chromatographie liquide dans une matrice similaire. En vue d’analyser simultanément une série de tétracyclines, une deuxième méthode d’analyse utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) a été proposée. L’utilisation de la HRMS a été motivée par le fait que cette technique d’analyse est moins sensible aux faux positifs que le triple quadripôle traditionnel. Des limites de détection comprises entre 1,5 et 3,6 µg kg-1 ont été atteintes dans des échantillons de lisier en utilisant un mode d’analyse par fragmentation. L’utilisation de méthodes de quantifications ciblées est une démarche intéressante lorsque la présence de contaminants est suspectée dans un échantillon. Toutefois, les contaminants non intégrés à cette méthode d’analyse ciblée ne peuvent être détectés même à de fortes concentrations. Dans ce contexte, une méthode d’analyse non ciblée a été développée pour la recherche de pharmaceutiques vétérinaires dans des effluents agricoles en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution et une cartouche SPE polymérique polyvalente. Cette méthode a permis l’identification d’antibiotiques et de pharmaceutiques couramment utilisés dans l’élevage porcin. La plupart des méthodes d’analyse disponibles dans la littérature se concentrent sur l’analyse des composés parents, mais pas sur les sous-produits de dégradation. L’approche utilisée dans la deuxième méthode d’analyse a donc été étendue et appliquée à d’autres classes d’antibiotiques pour mesurer les concentrations de plusieurs résidus d’antibiotiques dans les sols et les eaux de drainage d’un champ agricole expérimental. Les sols du champ renfermaient un mélange d’antibiotiques ainsi que leurs produits de dégradation relatifs à des concentrations mesurées jusqu’à 1020 µg kg-1. Une partie de ces composés ont voyagé par l’intermédiaire des eaux de drainage du champ ou des concentrations pouvant atteindre 3200 ng L-1 ont pu être relevées.

Implementação da técnica de difração de elétrons de baixa energia

The purpose of this study is to describe the implementation of the Low Energy Electron Diffaction (LEED) technique in the Laboratory of Magnetic Nanostructures and Semiconductors of the Department of Theoretical and Experimental Physics of the Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), Natal, Brazil. During this work experimental apparatus were implemented for a complete LEED set-up. A new vacuum system was also set up. This was composed of a mechanical pump, turbomolecular pump and ionic pump for ultra-high vacuum and their respective pressure measurement sensors (Pirani gauge for low vacuum measures and the wide range gauge -WRG); ion cannon maintenance, which is basically mini-sputtering, whose function is sample cleaning; and set-up, maintenance and handling of the quadrupole mass spectrometer, whose main purpose is to investigate gas contamination inside the ultra-high vacuum chamber. It should be pointed out that the main contribution of this Master's thesis was the set-up of the sample heating system; that is, a new sample holder. In addition to the function of sample holder and heater, it was necessary to implement the function of sustaining the ultra-high vacuum environment. This set of actions is essential for the complete functioning of the LEED technique

Determination of Ca, Mg, and Zn in biodiesel microemulsions by FAAS using discrete nebulization

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Reliability evaluation of distribution systems considering automatic reclosers

This paper presents a new methodology to evaluate in a predictive way the reliability of distribution systems, considering the impact of automatic recloser switches. The developed algorithm is based on state enumeration techniques with Markovian models and on the minimal cut set theory. Some computational aspects related with the implementation of the proposed algorithm in typical distribution networks are also discussed. The description of the proposed approach is carried out using a sample test system. The results obtained with a typical configuration of a Brazilian system (EDP Bandeirante Energia S.A.) are presented and discussed.

Propriedades de transporte eletrônico em filmes finos policristalinos de diboreto de magnésio (MGB IND.2') analisados pelo modelo de Bloch-Grüneisen

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Desenvolvimento de um sistema para caracterização de dispositivos eletroluminescentes

The materials designed to be used in electroluminescent (EL) devices construction are studied and improved since 1936. Great interests in the development of this kind of devices are mainly due to its low power consumption, flexibility, low cost and easy processing. One class of ELs devices with these characteristics are produced by employing a organic-polymeric/inorganic composite from a conductive polymer blend and an inorganic electroluminescent material (Zn2SiO4:Mn) dispersed in the polymeric matrix. This kind of device operates in d.c. or a.c. potentials, with EL of hundreds candela in the green region of the visible spectrum. However, few studies on the light emission were performed for these devices. In order to characterize devices made from composites, in this work is proposed a method of characterizing the electroluminescence associated with the impedance spectroscopy technique. To implement the technique of impedance spectroscopy was employ an experimental setup consisting of a source of a.c. voltage, an oscilloscope, and a reference resistor. Associated with this system, was use a photo diode and an analog electrometer to characterize the emitted light signal from the sample. The system was implemented allows characterization by impedance spectroscopy in the frequency range from 0.2 Hz up to 2 MHz and voltage amplitudes of 5 mV up to 20 kV. This system permits, at the same time, measurement of the RMS value of the luminance for devices in frequency range from 20 Hz up to 2 MHz. To test the system efficiency, an EL device was characterized showing analogous results to those reported in literature. By doing this, was demonstrated the efficiency of the system for electroluminescence characterization associated with the electrical characterization by impedance spectroscopy, for devices

Weiterentwicklung einer GC/AFD-Methode zur Bestimmung von Methylquecksilberverbindungen in der Umwelt und deren Anwendung in anthropogen beeinflussten und unbeeinflussten Regionen

Zusammenfassung Quecksilber kommt in der Natur in seinen vier umweltrelevanten Spezies Hg0, Hg2+, Me2Hg, MeHg+ vor. Die methylierten Spezies wurden dabei in der Vergangenheit aufgrund ihres relativ geringen Anteils am Gesamtquecksilber oft vernachlässigt. Me2Hg und MeHg+ spielen aber eine wichtige Rolle als intermediäre Transportspezies im Quecksilberkreislauf, und eine richtige Analytik dieser Verbindungen ist daher notwendig. Die GC/AFD-Methode (Gaschromatographie/Atomfluoreszenzdetektion) in Verbindung mit einem Purge&Trap-Probenaufgabesystem ermöglicht eine nachweisstarke Analytik dieser Verbindungen in Umweltproben. Dabei müssen die ionischen Quecksilberverbindungen MeHg+ und Hg2+ derivatisiert werden, um sie einer gaschromatographischen Trennung zugänglich zu machen.Das bestehende Verfahren wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe einer alternativen Derivatisierungsmethode verbessert. Das optimierte Verfahren erlaubt auch eine Analyse von MeHg+-Gehalten in Proben mit hoher Chloridbelastung. Solche Proben konnten mit der herkömmlichen Ethylierung als Derivatisierungsmethode nicht analysiert werden, da während der Derivatisierung eine Umwandlung des MeHg+ zu Hg0 auftritt. Bei der Propylierung findet keine solche Transformation statt und sie ist daher eine hervorragende Ergänzung der bestehenden Methode.Die GC/AFD-Methode wurde zur Quecksilberspeziation in der Antarktis als Beispiel für ein anthropogen unbeeinflusstes Gebiet verwendet. Dabei konnten methylierte Quecksilberverbindungen im Meerwasser, in der Atmosphäre und erstmals im antarktischen Schnee nachgewiesen werden und somit die bedeutende Rolle der methylierten Quecksilberspezies am biogeochemischen Stoffkreislauf des Quecksilbers in dieser Region gezeigt werden. Vergleiche mit einer kontinentalen Region zeigten, dass dort MeHg+ und Me2Hg wesentlich weniger produziert bzw. schneller abgebaut werden.

Characterization of the Axial Jet Separator with a CO2/Helium Mixture: Toward GC-AMS Hyphenation

Development of interfaces for sample introduction from high pressures is important for real-time online hyphenation of chromatographic and other separation devices with mass spectrometry (MS) or accelerator mass spectrometry (AMS). Momentum separators can reduce unwanted low-density gases and introduce the analyte into the vacuum. In this work, the axial jet separator, a new momentum interface, is characterized by theory and empirical optimization. The mathematical model describes the different axial penetration of the components of a jetgas mixture and explains the empirical results for injections of CO2 in helium into MS and AMS instruments. We show that the performance of the new interface is sensitive to the nozzle size, showing good qualitative agreement with the mathematical model. Smaller nozzle sizes are more preferable due to their higher inflow capacity. The CO2 transmission efficiency of the interface into a MS instrument is ~14% (CO2/helium separation factor of 2.7). The interface receives and delivers flows of ~17.5 mL/min and ~0.9 mL/min, respectively. For the interfaced AMS instrument, the ionization and overall efficiencies are 0.7-3% and 0.1-0.4%, respectively, for CO2 amounts of 4-0.6 µg C, which is only slightly lower compared to conventional systems using intermediate trapping. The ionization efficiency depends on to the carbon mass flow in the injected pulse and is suppressed at high CO2 flows. Relative to a conventional jet separator, the transmission efficiency of the axial jet separator is lower, but its performance is less sensitive to misalignments.

Si(100) versus Ge(100): Watching the interface formation for the growth of III-V-based solar cells on abundant substrates

We investigated the atomic surface properties of differently prepared silicon and germanium (100) surfaces during metal-organic vapour phase epitaxy/chemical vapour deposition (MOVPE/MOCVD), in particular the impact of the MOVPE ambient, and applied reflectance anisotropy/difference spectroscopy (RAS/RDS) in our MOVPE reactor to in-situ watch and control the preparation on the atomic length scale for subsequent III-V-nucleation. The technological interest in the predominant opto-electronic properties of III-V-compounds drives the research for their heteroepitaxial integration on more abundant and cheaper standard substrates such as Si(100) or Ge(100). In these cases, a general task must be accomplished successfully, i.e. the growth of polar materials on non-polar substrates and, beyond that, very specific variations such as the individual interface formation and the atomic step structure, have to be controlled. Above all, the method of choice to grow industrial relevant high-performance device structures is MOVPE, not normally compatible with surface and interface sensitive characterization tools, which are commonly based on ultrahigh vacuum (UHV) ambients. A dedicated sample transfer system from MOVPE environment to UHV enabled us to benchmark the optical in-situ spectra with results from various surfaces science instruments without considering disruptive contaminants. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) provided direct observation of different terminations such as arsenic and phosphorous and verified oxide removal under various specific process parameters. Absorption lines in Fourier-transform infrared (FTIR) spectra were used to identify specific stretch modes of coupled hydrides and the polarization dependence of the anti-symmetric stretch modes distinguished different dimer orientations. Scanning tunnelling microscopy (STM) studied the atomic arrangement of dimers and steps and tip-induced H-desorption proved the saturation of dangling bonds after preparati- n. In-situ RAS was employed to display details transiently such as the presence of H on the surface at lower temperatures (T <; 800°C) and the absence of Si-H bonds at elevated annealing temperature and also surface terminations. Ge buffer growth by the use of GeH4 enables the preparation of smooth surfaces and leads to a more pronounced amplitude of the features in the spectra which indicates improvements of the surface quality.

Massively parallelizable list-mode reconstruction using a Monte Carlo-based elliptical Gaussian model

Purpose: A fully three-dimensional (3D) massively parallelizable list-mode ordered-subsets expectation-maximization (LM-OSEM) reconstruction algorithm has been developed for high-resolution PET cameras. System response probabilities are calculated online from a set of parameters derived from Monte Carlo simulations. The shape of a system response for a given line of response (LOR) has been shown to be asymmetrical around the LOR. This work has been focused on the development of efficient region-search techniques to sample the system response probabilities, which are suitable for asymmetric kernel models, including elliptical Gaussian models that allow for high accuracy and high parallelization efficiency. The novel region-search scheme using variable kernel models is applied in the proposed PET reconstruction algorithm. Methods: A novel region-search technique has been used to sample the probability density function in correspondence with a small dynamic subset of the field of view that constitutes the region of response (ROR). The ROR is identified around the LOR by searching for any voxel within a dynamically calculated contour. The contour condition is currently defined as a fixed threshold over the posterior probability, and arbitrary kernel models can be applied using a numerical approach. The processing of the LORs is distributed in batches among the available computing devices, then, individual LORs are processed within different processing units. In this way, both multicore and multiple many-core processing units can be efficiently exploited. Tests have been conducted with probability models that take into account the noncolinearity, positron range, and crystal penetration effects, that produced tubes of response with varying elliptical sections whose axes were a function of the crystal's thickness and angle of incidence of the given LOR. The algorithm treats the probability model as a 3D scalar field defined within a reference system aligned with the ideal LOR. Results: This new technique provides superior image quality in terms of signal-to-noise ratio as compared with the histogram-mode method based on precomputed system matrices available for a commercial small animal scanner. Reconstruction times can be kept low with the use of multicore, many-core architectures, including multiple graphic processing units. Conclusions: A highly parallelizable LM reconstruction method has been proposed based on Monte Carlo simulations and new parallelization techniques aimed at improving the reconstruction speed and the image signal-to-noise of a given OSEM algorithm. The method has been validated using simulated and real phantoms. A special advantage of the new method is the possibility of defining dynamically the cut-off threshold over the calculated probabilities thus allowing for a direct control on the trade-off between speed and quality during the reconstruction.

A systematic study on the influence of carbon on the behavior of hard-to-ionize elements in inductively coupled plasma–mass spectrometry

A systematic study on the influence of carbon on the signal of a large number of hard-to-ionize elements (i.e. B, Be, P, S, Zn, As, Se, Pd, Cd, Sb, I, Te, Os, Ir, Pt, Au, and Hg) in inductively coupled plasma–mass spectrometry has been carried out. To this end, carbon matrix effects have been evaluated considering different plasma parameters (i.e. nebulizer gas flow rate, r.f. power and sample uptake rate), sample introduction systems, concentration and type of carbon matrix (i.e. glycerol, citric acid, potassium citrate and ammonium carbonate) and type of mass spectrometer (i.e. quadrupole filter vs. double-focusing sector field mass spectrometer). Experimental results show that P, As, Se, Sb, Te, I, Au and Hg sensitivities are always higher for carbon-containing solutions than those obtained without carbon. The other hard-to-ionize elements (Be, B, S, Zn, Pd, Cd, Os, Ir and Pt) show no matrix effect, signal enhancement or signal suppression depending on the experimental conditions selected. The matrix effects caused by the presence of carbon are explained by changes in the plasma characteristics and the corresponding changes in ion distribution in the plasma (as reflected in the signal behavior plot, i.e. the signal intensity as a function of the nebulizer gas flow rate). However, the matrix effects for P, As, Se, Sb, Te, I, Au and Hg are also related to an increase in analyte ion population caused as a result of charge transfer reactions involving carbon-containing charged species in the plasma. The predominant specie is C+, but other species such as CO+, CO2+, C2+ and ArC+ could also play a role. Theoretical data suggest that B, Be, S, Pd, Cd, Os, Ir and Pt could also be involved in carbon based charge transfer reactions, but no experimental evidence substantiating this view has been found.

Interfacing low-energy SAW nebulization with liquid chromatography-mass spectrometry for the analysis of biological samples

Soft ionization methods for the introduction of labile biomolecules into a mass spectrometer are of fundamental importance to biomolecular analysis. Previously, electrospray ionization (ESI) and matrix assisted laser desorption-ionization (MALDI) have been the main ionization methods used. Surface acoustic wave nebulization (SAWN) is a new technique that has been demonstrated to deposit less energy into ions upon ion formation and transfer for detection than other methods for sample introduction into a mass spectrometer (MS). Here we report the optimization and use of SAWN as a nebulization technique for the introduction of samples from a low flow of liquid, and the interfacing of SAWN with liquid chromatographic separation (LC) for the analysis of a protein digest. This demonstrates that SAWN can be a viable, low-energy alternative to ESI for the LC-MS analysis of proteomic samples.

SIDUR: development of an information system, using controlled vocabulary designed to the characterization and sample of population with and without disability, attended by Rehabilitation programs, University of Rosario

Introduction: the statistical record used in the Field Academic Programs (PAC for it’s initials in Spanish) of Rehabilitation denotes generalities in the data conceptualization, which complicates the reliable guidance in making decisions and provides a low support for research in rehabilitation and disability. In response, the Research Group in Rehabilitation and Social Integration of Persons with Disabilities has worked on the creation of a registry to characterize the population seen by Rehabilitation PAC. This registry includes the use of the International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF) of the WHO. Methodology: the proposed methodology includes two phases: the first one is a descriptive study and the second one involves performing methodology Methontology, which integrates the identification and development of ontology knowledge. This article contextualizes the progress made in the second phase. Results: the development of the registry in 2008, as an information system, included documentary review and the analysis of possible use scenarios to help guide the design and development of the SIDUR system. The system uses the ICF given that it is a terminology standardization that allows the reduction of ambiguity and that makes easier the transformation of health facts into data translatable to information systems. The record raises three categories and a total of 129 variables Conclusions: SIDUR facilitates accessibility to accurate and updated information, useful for decision making and research.