Selected topics in fast atom bombardment (FAB) mass spectrometry a)specially designed probe tips and ion generation, b)structures of vitamin B6 schiff base complexes

This thesis can be broken down into two sections. Section one is a study . of the ionization mechanisms and the ion source optimization for Fast Atom Bombardment (FAB) ionization. For this study, several specially designed probe tips were created and tested under various experimental conditions. The aIm of this section is to understand the operating characteristics of a FAB IOn source better. The second section involves the study of several Vitamin B6 Schiff Base complexes using both positive and negative ion FAB MS. This section is an exploration of the usefulness of FAB MS as a structure probe for the metalcoordination complexes of Vitamin B6.

The determination of sinigrin in Brassica, and investigations into the use of allyl-isothiocyanate as a nematicide

The goal of this thesis was to study factors related to the development of Brassica juncea as a sustainable nematicide. Brassica juncea is characterized by the glycoside (glucosinolate) sinigrin. Various methods were developed for the determination of sinigrin in Brassica juncea tissue extracts. Sinigrin concentrations in plant tissues at various stages of growth were monitored. Sinigrin enzymatically breaks down into allylisothiocyanate (AITC). AITC is unstable in aqueous solution and degradation was studied in water and in soil. Finally, the toxicity of AITC against the root-lesion nematode (Pratylenchus penetrans) was determined. A method was developed to extract sinigrin from whole Brassica j uncea tissues. The optimal time of extraction wi th boiling phosphate buffer (0.7mM, pH=6.38) and methanol/water (70:30 v/v) solutions were both 25 minutes. Methanol/water extracted 13% greater amount of sinigrin than phosphate buffer solution. Degradation of sinigrin in boiling phosphate buffer solution (0.13%/minute) was similar to the loss of sinigrin during the extraction procedure. The loss of sinigrin from boiling methanol/water was estimated to be O.Ol%/minute. Brassica juncea extract clean up was accomplished by an ion-pair solid phase extraction (SPE) method. The recovery of sinigrin was 92.6% and coextractive impurities were not detected in the cleaned up extract. Several high performance liquid chromatography (HPLC) methods were developed for the determination of sinigrin. All the developed methods employed an isocratic mobile phase system wi th a low concentration of phosphate buffer solution, ammonium acetate solution or an ion-pair reagent solution. A step gradient system was also developed. The method involved preconditioning the analytical column with phosphate buffer solution and then switching the mobile phase to 100% water after sample injection.Sinigrin and benzyl-glucosinolate were both studied by HPLC particle beam negative chemical ionization mass spectrometry (HPLCPB- NCI-MS). Comparison of the mass spectra revealed the presence of fragments arising from the ~hioglucose moiety and glucosinolate side-chain. Variation in the slnlgrin concentration within Brassica juncea plants was studied (Domo and Cutlass cuItivars). The sinigrin concentration in the top three leaves was studied during growth of each cultivar. For Cutlass, the minimum (200~100~g/g) and maximum (1300~200~g/g) concentrations were observed at the third and seventh week after planting, respectively. For Domo, the minimum (190~70~g/g) and maximum (1100~400~g/g) concentrations were observed at the fourth and eighth week after planting, respectively. The highest sinigrin concentration was observed in flower tissues 2050±90~g/g and 2300±100~g/g for Cutlass and Domo cultivars, respectively. Physical properties of AITC were studied. The solubility of AITC in water was determined to be approximately 1290~g/ml at 24°C. An HPLC method was developed for the separation of degradation compounds from aqueous AITC sample solutions. Some of the degradation compounds identified have not been reported in the literature: allyl-thiourea, allyl-thiocyanate and diallyl-sulfide. In water, AITC degradation to' diallyl-thiourea was favored at basic pH (9.07) and degradation to diallyl-sulfide was favored at acidic pH (4 . 97). It wap necessary to amend the aqueous AITC sample solution with acetonitrile ?efore injection into the HPLC system. The acetonitrile amendment considerably improved AITC recovery and the reproducibility of the results. The half-life of aqueous AITC degradation at room temperature did not follow first-order kinetics. Beginning with a 1084~g/ml solution, the half-life was 633 hours. Wi th an ini tial AITC concentration of 335~g/ml the half-life was 865 hours. At 35°C the half-life AITC was 76+4 hours essentially independent of the iiisolution pH over the range of pH=4.97 to 9.07 (1000~g/ml). AITC degradation was also studied in soil at 35°C; after 24 hours approximately 75% of the initial AITC addition was unrecoverable by water extraction. The ECso of aqueous AITC against the root-lesion nematode (Pratylenchus penetrans) was determined to be approximately 20~g/ml at one hour exposure of the nematode to the test solution. The toxicological study was also performed with a myrosinase treated Brassica juncea extract. Myrosinase treatment of the Brassica juncea extract gave nearly quantitative conversion of sinigrin into AITC. The myrosinase treated extract was of the same efficacy as an aqueous AITC solution of equivalent concentration. The work of this thesis was focused upon understanding parameters relevant to the development of Brassica juncea as a sustainable nematicide. The broad range of experiments were undertaken in support of a research priority at Agriculture and Agri-Food Canada.

Mass spectrometric studies on aryltin compounds and alkali halides /

The fragmentation behavior of aryltin compounds [(p-ThAnis)nSnPh4.n (n=l-4); (p-ThAnis)3SnX (X=C1, Br, I); (o-CH30C6H4)3SnCl; Ph3Sn(o-pyr)] have been studied comparatively under EI and FAB ionization modes. Alkali halides were run under FAB mode. For the aryltin compounds, the effect of ligand type on the spectra have been explored in both EI and FAB modes. The fragmentation mechanisms have been examined with linked scans, such as fragment ion scans (B/E) and parent ion scans (B^/E). Ab Initio molecular orbital calculations were used to determine the structures of the fragments by comparing their relative stabilities. In the EI MS studies, negative ion EI mode has also been used for some of the aryltin compounds, to examine the possible ion molecule reactions under low pressures at 70eV. In the positive ion FAB MS studies, matrix optimization experiments have been carried out. Negative ion FAB experiments of all the compounds have been done in two different ways. Finally, the comparison of the two methods, EI MS and FAB MS, have been made.For alkali halides, the studies focused on the FAB MS behavior under different conditions. The intensities of cluster ions were reported, and the anomalies in the intensity distribution was also discussed.

ESI-MS[n] of anticancer pt[iv] organoamido complexes and their interactions with DNA-model compounds /

The general solution behaviour and" the major fragmentation pathways of the anticanceractive PtIV coordination complexes, trans, trans, cis, cis-[PtCIOH{N(pFC6F4) CH2h(pY)2] (1), trans, cis, cis-[Pt(OH)2{N(p-FC6F4)CH2h(Py)2] (2), trans, cis, cis-[Pt(OH)2{N(p-HC6F4)CH2h(Py)2] (3), trans, trans, cis, cis-[PtCIOH{N(pHC6F4) CH2h(Py)2] (4), and trans, trans, cis, cis-[PtOH(OCH3){N(p-HC6F4)CH2h(PY)2] (5) (Py = pyridine) have been deduced by positive-ion tandem-in-time ESI-MS. Overall, the acquired full-scan, positive-ion ESI-MS spectra of 2, 3, and 5 were characterized by the presence of relatively low-intensity [M+Nar and [M+Kt mass spectral peaks, whereas those of 1 and 4 were dominated by extremely intense [M+Hr peaks. Complexes 2 and 3 were also noted to form [2M+Ht and [2M+Nat dilneric cations. The source of Na + and K+ ions is believed to be the sample, the solvent systems used or the transport line carrying the sample solutions into the ES ion source. Further, the fragmentation pathway of all complexes studied was found to be almost identical with concurrent loss of py and H20 molecules, loss of a {N(p-YC6F4)CH2} (Y = F, H) group and/or concomitant release of the latter group and a py ligand being the most conunon. The photochemical degradation behaviour of 1 and 2 was also investigated using either fluorescent or ultraviolet light and some products of that degradation were positively identified. Altogether, light irradiation of solutions of both complexes resulted in cation cationisation, reductive-elimination, ligand-release, ligand-exchange and ligand-addition reactions. Finally, positive- and negative-ion ESI-MSn spectra of 5' -GMP, guanosine, inosine and products of their reactions with 1, 2,3, and 4 were also recorded. On the whole, full-scan ESI-MS spectra of the pure nucleobases revealed the presence of cationic and anionic species that are highly reflective of both their solution ionic composition and their propensity t9 form polymeric clusters. Analyses of mass spectra acquired from their reaction solutions with the aforementioned platinum complexes indicated very slow kinetics. However, all complexes investigated formed, to various degrees, Pt-nucleobase adducts with guanosine and inosine, but not with 5'-GMP. The products included species having coordination numbers of III, IV, V, and VI, among which the first-time· observed, coordinatively saturated, jive-coordinate PtlI-nucleobase complexes were of most interest. The latter complexes are presumably stabilized by 7tback- donation involving the filled d orbitals of the PtII centre and the empty pz· orbital of MeCN. All products, whose peaks appeared inlull-scan ESI-MS spectra, are believed to represent solution species rather than artifacts of gas-phase processes. Finally, negativeion ESI-MSn spectra recorded in reaction solutions of 1 and 4 with guanosine and of the latter complex with inosine revealed the negative-ion-ESI-MS first-time observed, noncovalent, nucleoside-chloride adducts, with the source of chloride anion being complexes 1 and 4 theillselves. In contrast, no such adducts were observed to form with Na25'-GMP or its protonated fonn. Few suggestions are offered for the possible cause(s) behind the absence of such adduct ions.

The mechanism of formation of the mixed boron trihalide adducts of trimenthylamine

Boron trihalide and mixed boron trihalide adducts of trimethylamine have been prepared, and characterized by proton and fluorine N.M.R. spectroscopy. The acceptor power of the boron trihalides was seen to increase in the order BF3 < BC13 < BBr3 < BI3, corroborating previous evidence. The mixed boron trihalides had intermediate Lewis acidities. Solution reactions between adducts and free boron trihalides rapidly led to the formation of mixed adducts when the free boron trihalide is a stronger Lewis acid than that in the adduct. A slower reaction is observed when the free BX3 is a weaker Lewis aoid than that complexed. The mechanism of halogen exchange leading to the mixed (CH3)3NBX3 adducts was investigated. 10B labelling experiments precluded B-N bond rupture as a possible mechanism in solution; results are discussed in terms of halogen-bridged intermediates. Pre-ionization may be important for some systems. At higher temperatures, during gas phase reactions,B-N coordinate bond rupture may be the initial step of reaction. Two mixed adduots, namely (CH3)3NBClBr2 and (CH3)3NBHOIBr were prepared and characterized by Mass Spectrometry

The Synthesis of Imidazole Fatty Acid Conjugates as Inhibitors of Apoptosis

Ionizing radiation is known to initiate apoptosis in mammalian cells by causing the transformation of cytochrome c into a peroxidase, which results in the specific peroxidation of the mitochondrial phospholipid cardiolipin. Here we report the design and synthesis of 8 imidazole fatty acid derivatives that bind to the cyt c:CL complex and inhibit the peroxidase activity required for the initiation of apoptosis. We postulate that imidazole acts as a sixth ligand to the haem iron and stops the interaction with H2O2. Two mitochondrially directed analogues (3-hydroxypropyl)triphenylphosphonium esters) of 12-imidazole-stearic acid and 12-imidazole-oleic acid not only were demonstrated to be peroxidase inhibitors in vitro, but were also extraordinarily effective in protecting mice from lethal doses (9 Gy) of ionization radiation. We studied the structure activity relationship to a group of triphenyl phosphonium derivatives containing imidazole at different positions on the fatty acid chain, and observed that the C8-imidazole stearate analogue had marginally better activity than the others. But overall, the structure activity result were remarkable “flat” with all compounds prepared having rather similar inhibitory strength. We also synthesized carnitine mono and di-esters of 12-imidazole fatty acids but full biological data is not yet available for these compounds.

Cyclotetrasiloxane Frameworks for the Chemoenzymatic Synthesis of Oligoesters

Immobilized lipase B from Candida antarctica (Novozym® 435, N435) was utilized as part of a chemoenzymatic strategy for the synthesis of branched polyesters based on a cyclotetrasiloxane core in the absence of solvent. Nuclear magnetic resonance spectroscopy and matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry were utilized to monitor the reactions between tetraester cyclotetrasiloxanes and aliphatic diols. The enzyme-mediated esterification reactions can achieve 65– 80% consumption of starting materials in 24–48 h. Longer reaction times, 72–96 h, resulted in the formation of cross-linked gel-like networks. Gel permeation chromatography of the polymers indicated that the masses were Mw ¼ 11 400, 13 100, and 19 400 g mol 1 for the substrate pairs of C7D4 ester/ octane-1,8-diol, C10D4 ester/pentane-1,5-diol and C10D4 ester/octane-1,8-diol respectively, after 48 h. Extending the polymerization for an additional 24 h with the C10D4 ester/octane-1,8-diol pair gave Mw ¼ 86 800 g mol 1. To the best of our knowledge this represents the first report using lipase catalysis to produce branched polymers that are built from a cyclotetrasiloxane core.

Développement de méthodes d’analyse directe de polluants organiques volatils à l’état de traces dans l’air et les biogaz

Il est reconnu que le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les isomères du xylène, composés organiques volatils (COVs) communément désignés BTEX, produisent des effets nocifs sur la santé humaine et sur les végétaux dépendamment de la durée et des niveaux d’exposition. Le benzène en particulier est classé cancérogène et une exposition à des concentrations supérieures à 64 g/m3 de benzène peut être fatale en 5–10 minutes. Par conséquent, la mesure en temps réel des BTEX dans l’air ambiant est essentielle pour détecter rapidement un danger associé à leur émission dans l’air et pour estimer les risques potentiels pour les êtres vivants et pour l’environnement. Dans cette thèse, une méthode d’analyse en temps réel des BTEX dans l’air ambiant a été développée et validée. La méthode est basée sur la technique d’échantillonnage direct de l’air couplée avec la spectrométrie de masse en tandem utilisant une source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI-MS/MS directe). La validation analytique a démontré la sensibilité (limite de détection LDM 1–2 μg/m3), la précision (coefficient de variation CV < 10%), l’exactitude (exactitude > 95%) et la sélectivité de la méthode. Des échantillons d’air ambiant provenant d’un site d’enfouissement de déchets industriels et de divers garages d’entretien automobile ont été analysés par la méthode développée. La comparaison des résultats avec ceux obtenus par la technique de chromatographie gazeuse on-line couplée avec un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a donné des résultats similaires. La capacité de la méthode pour l’évaluation rapide des risques potentiels associés à une exposition aux BTEX a été prouvée à travers une étude de terrain avec analyse de risque pour la santé des travailleurs dans trois garages d’entretien automobile et par des expériences sous atmosphères simulées. Les concentrations mesurées dans l’air ambiant des garages étaient de 8,9–25 µg/m3 pour le benzène, 119–1156 µg/m3 pour le toluène, 9–70 µg/m3 pour l’éthylbenzène et 45–347 µg/m3 pour les xylènes. Une dose quotidienne environnementale totale entre 1,46 10-3 et 2,52 10-3 mg/kg/jour a été déterminée pour le benzène. Le risque de cancer lié à l’exposition environnementale totale au benzène estimé pour les travailleurs étudiés se situait entre 1,1 10-5 et 1,8 10-5. Une nouvelle méthode APCI-MS/MS a été également développée et validée pour l’analyse directe de l’octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) et le décaméthylcyclopentasiloxane (D5) dans l’air et les biogaz. Le D4 et le D5 sont des siloxanes cycliques volatils largement utilisés comme solvants dans les processus industriels et les produits de consommation à la place des COVs précurseurs d’ozone troposphérique tels que les BTEX. Leur présence ubiquitaire dans les échantillons d’air ambiant, due à l’utilisation massive, suscite un besoin d’études de toxicité. De telles études requièrent des analyses qualitatives et quantitatives de traces de ces composés. Par ailleurs, la présence de traces de ces substances dans un biogaz entrave son utilisation comme source d’énergie renouvelable en causant des dommages coûteux à l’équipement. L’analyse des siloxanes dans un biogaz s’avère donc essentielle pour déterminer si le biogaz nécessite une purification avant son utilisation pour la production d’énergie. La méthode développée dans cette étude possède une bonne sensibilité (LDM 4–6 μg/m3), une bonne précision (CV < 10%), une bonne exactitude (> 93%) et une grande sélectivité. Il a été également démontré qu’en utilisant cette méthode avec l’hexaméthyl-d18-disiloxane comme étalon interne, la détection et la quantification du D4 et du D5 dans des échantillons réels de biogaz peuvent être accomplies avec une meilleure sensibilité (LDM ~ 2 μg/m3), une grande précision (CV < 5%) et une grande exactitude (> 97%). Une variété d’échantillons de biogaz prélevés au site d’enfouissement sanitaire du Complexe Environnemental de Saint-Michel à Montréal a été analysée avec succès par cette nouvelle méthode. Les concentrations mesurées étaient de 131–1275 µg/m3 pour le D4 et 250–6226 µg/m3 pour le D5. Ces résultats représentent les premières données rapportées dans la littérature sur la concentration des siloxanes D4 et D5 dans les biogaz d’enfouissement en fonction de l’âge des déchets.

Étude critique de la densité électronique et des températures (excitation et ionisation) d'un plasma d'aluminium induit par laser

La caractérisation de matériaux par spectroscopie optique d’émission d’un plasma induit par laser (LIPS) suscite un intérêt qui ne va que s’amplifiant, et dont les applications se multiplient. L’objectif de ce mémoire est de vérifier l’influence du choix des raies spectrales sur certaines mesures du plasma, soit la densité électronique et la température d’excitation des atomes neutres et ionisés une fois, ainsi que la température d’ionisation. Nos mesures sont intégrées spatialement et résolues temporellement, ce qui est typique des conditions opératoires du LIPS, et nous avons utilisé pour nos travaux des cibles binaires d’aluminium contenant des éléments à l’état de trace (Al-Fe et Al-Mg). Premièrement, nous avons mesuré la densité électronique à l’aide de l’élargissement Stark de raies de plusieurs espèces (Al II, Fe II, Mg II, Fe I, Mg I, Halpha). Nous avons observé que les densités absolues avaient un comportement temporel différent en fonction de l’espèce. Les raies ioniques donnent des densités électroniques systématiquement plus élevées (jusqu’à 50 % à 200 ns après l’allumage du plasma), et décroissent plus rapidement que les densités issues des raies neutres. Par ailleurs, les densités obtenues par les éléments traces Fe et Mg sont moindres que les densités obtenues par l’observation de la raie communément utilisée Al II à 281,618 nm. Nous avons parallèlement étudié la densité électronique déterminée à l’aide de la raie de l’hydrogène Halpha, et la densité électronique ainsi obtenue a un comportement temporel similaire à celle obtenue par la raie Al II à 281,618 nm. Les deux espèces partagent probablement la même distribution spatiale à l’intérieur du plasma. Finalement, nous avons mesuré la température d’excitation du fer (neutre et ionisé, à l’état de trace dans nos cibles), ainsi que la température d’ionisation, à l’aide de diagrammes de Boltzmann et de Saha-Boltzmann, respectivement. À l’instar de travaux antérieurs (Barthélémy et al., 2005), il nous est apparu que les différentes températures convergeaient vers une température unique (considérant nos incertitudes) après 2-3 microsecondes. Les différentes températures mesurées de 0 à 2 microsecondes ne se recoupent pas, ce qui pourrait s’expliquer soit par un écart à l’équilibre thermodynamique local, soit en considérant un plasma inhomogène où la distribution des éléments dans la plume n’est pas similaire d’un élément à l’autre, les espèces énergétiques se retrouvant au cœur du plasma, plus chaud, alors que les espèces de moindre énergie se retrouvant principalement en périphérie.

Analyse quantitative des cyanotoxines d'eau douce par LDTD-APCI-MS/MS

Avec la hausse mondiale de la fréquence des floraisons de cyanobactéries (CB), dont certaines produisent des cyanotoxines (CT), le développement d’une méthode de détection/quantification rapide d’un maximum de CT s’impose. Cette méthode permettrait de faire un suivi quotidien de la toxicité de plans d’eau contaminés par des CB et ainsi d’émettre rapidement des avis d’alerte appropriés afin de protéger la santé publique. Une nouvelle technologie utilisant la désorption thermique induite par diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique sous pression atmosphérique (APCI) et reliée à la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) a déjà fait ses preuves avec des temps d'analyse de l’ordre de quelques secondes. Les analytes sont désorbés par la LDTD, ionisés en phase gazeuse par APCI et détectés par la MS/MS. Il n’y a donc pas de séparation chromatographique, et la préparation de l’échantillon avant l’analyse est minimale selon la complexité de la matrice contenant les analytes. Parmi les quatre CT testées (microcystine-LR, cylindrospermopsine, saxitoxine et anatoxine-a (ANA-a)), seule l’ANA-a a généré une désorption significative nécessaire au développement d’une méthode analytique avec l’interface LDTD-APCI. La forte polarité ou le poids moléculaire élevé des autres CT empêche probablement leur désorption. L’optimisation des paramètres instrumentaux, tout en tenant compte de l’interférence isobarique de l’acide aminé phénylalanine (PHE) lors de la détection de l’ANA-a par MS/MS, a généré une limite de détection d’ANA-a de l’ordre de 1 ug/L. Celle-ci a été évaluée à partir d’une matrice apparentée à une matrice réelle, démontrant qu’il serait possible d’utiliser la LDTD pour effectuer le suivi de l’ANA-a dans les eaux naturelles selon les normes environnementales applicables (1 à 12 ug/L). Il a été possible d’éviter l’interférence isobarique de la PHE en raison de sa très faible désorption avec l’interface LDTD-APCI. En effet, il a été démontré qu’une concentration aussi élevée que 500 ug/L de PHE ne causait aucune interférence sur le signal de l’ANA-a.

Contraction et décontraction des décharges micro-ondes entretenues à la pression atmosphérique

Les colonnes de plasma entretenues par un champ électrique (continu ou alternatif) à haute pression (p > 10 Torr) sont affectées par les phénomènes de contraction (réduction de la section radiale de la décharge) et de filamentation (fragmentation de la section de plasma en plusieurs filaments). La compréhension de ces phénomènes ainsi que le développement d’une méthode pouvant les supprimer demeurent une étape essentielle pour l’optimisation de certains procédés plasma. Dans cette optique, un premier objectif de notre travail était de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction et de la filamentation dans les décharges créées dans des gaz rares. Ainsi, nous avons montré que dans les plasmas micro-ondes contractés la cinétique de la décharge est contrôlée par les ions moléculaires et que la contraction est liée à l’influence du gradient de la température du gaz sur la concentration de ces ions. De plus, nous avons mis en évidence que la filamentation apparaît lorsque l’inhomogénéité radiale du champ électrique devient importante. Dans un second temps, nous avons développé une méthode de décontraction et de défilamentation de la décharge, qui consiste à ajouter à une décharge initiale de gaz rare des traces d’un autre gaz rare de plus faible potentiel d’ionisation. Dans le cas des plasmas décontractés, nous avons démontré que la cinétique de la décharge n’est plus contrôlée par les ions moléculaires, ce qui confirme bien l’importance de ces ions dans la description de la contraction. Pour terminer, nous avons étendu à la pression atmosphérique la technique d’absorption optique de mesure de densité des états métastables et résonnants à l’aide d’une lampe spectrale, ce qui n’avait été réalisé jusqu’ici que pour des pressions inférieures à 10 Torr. Ces états jouent un rôle essentiel dans l’ionisation des décharges contractées alors que dans les décharges décontractées leur désexcitation par les atomes du gaz adjuvant est l’étape fondamentale du processus de changement de cinétique menant à la décontraction.

Fractionation, chemical and toxicological characterization of tobacco smoke components

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

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.

Développement d’une nouvelle méthode d’analyse multi-résidus par LDTD/APCI-MS/MS pour la quantification de pesticides et de produits pharmaceutiques dans les eaux usées

Une nouvelle méthode d'extraction en phase solide (SPE) couplée à une technique d'analyse ultrarapide a été développée pour la détermination simultanée de neuf contaminants émergents (l'atrazine, le déséthylatrazine, le 17(béta)-estradiol, l'éthynylestradiol, la noréthindrone, la caféine, la carbamazépine, le diclofénac et le sulfaméthoxazole) provenant de différentes classes thérapeutiques et présents dans les eaux usées. La pré-concentration et la purification des échantillons a été réalisée avec une cartouche SPE en mode mixte (Strata ABW) ayant à la fois des propriétés échangeuses de cations et d'anions suivie d'une analyse par une désorption thermique par diode laser/ionisation chimique à pression atmosphérique couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LDTD-APCI-MS/MS). La LDTD est une nouvelle méthode d'introduction d'échantillon qui réduit le temps total d'analyse à moins de 15 secondes par rapport à plusieurs minutes avec la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem traditionnelle (LC-MS/MS). Plusieurs paramètres SPE ont été évalués dans le but d'optimiser l'efficacité de récupération lors de l'extraction des analytes provenant des eaux usées, tels que la nature de la phase stationnaire, le débit de chargement, le pH d'extraction, le volume et la composition de la solution de lavage et le volume de l'échantillon initial. Cette nouvelle méthode a été appliquée avec succès à de vrais échantillons d'eaux usées provenant d'un réservoir de décantation primaire. Le recouvrement des composés ciblés provenant des eaux usées a été de 78 à 106%, la limite de détection a été de 30 à 122 ng L-1, alors que la limite de quantification a été de 88 à 370 ng L-1. Les courbes d'étalonnage dans les matrices d'eaux usées ont montré une bonne linéarité (R2 > 0,991) pour les analytes cibles ainsi qu’une précision avec un coefficient de variance inférieure à 15%.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.