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%.

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.

Freezing of 4He and its liquid-solid interface from density functional theory

We show that, at high densities, fully variational solutions of solidlike types can be obtained from a density functional formalism originally designed for liquid 4He . Motivated by this finding, we propose an extension of the method that accurately describes the solid phase and the freezing transition of liquid 4He at zero temperature. The density profile of the interface between liquid and the (0001) surface of the 4He crystal is also investigated, and its surface energy evaluated. The interfacial tension is found to be in semiquantitative agreement with experiments and with other microscopic calculations. This opens the possibility to use unbiased density functional (DF) methods to study highly nonhomogeneous systems, like 4He interacting with strongly attractive impurities and/or substrates, or the nucleation of the solid phase in the metastable liquid.

Effects of Platinum on NiPtSiGe/n-SiGe and NiPtSi/n-Si Schottky Contacts

Solid phase reaction of NiPt/Si and NiPt/SiGe is one of the key issues for silicide (germanosilicide) technology. Especially, the NiPtSiGe, in which four elements are involved, is a very complex system. As a result, a detailed study is necessary for the interfacial reaction between NiPt alloy film and SiGe substrate. Besides using traditional material characterization techniques, characterization of Schottky diode is a good measure to detect the interface imperfections or defects, which are not easy to be found on large area blanket samples. The I-V characteristics of 10nm Ni(Pt=0, 5, 10 at.%) germanosilicides/n-Si₀/₇Ge₀.₃ and silicides/n-Si contact annealed at 400 and 500°C were studied. For Schottky contact on n-Si, with the addition of Pt in the Ni(Pt) alloy, the Schottky barrier height (SBH) increases greatly. With the inclusion of a 10% Pt, SBH increases ~0.13 eV. However, for the Schottky contacts on SiGe, with the addition of 10% Pt, the increase of SBH is only ~0.04eV. This is explained by pinning of the Fermi level. The forward I-V characteristics of 10nm Ni(Pt=0, 5, 10 at.%)SiGe/SiGe contacts annealed at 400°C were investigated in the temperature range from 93 to 300K. At higher temperature (>253K) and larger bias at low temperature (<253K), the I-V curves can be well explained by a thermionic emission model. At lower temperature, excess currents at lower forward bias region occur, which can be explained by recombination/generation or patches due to inhomogenity of SBH with pinch-off model or a combination of the above mechanisms.

Detecció de compostos volàtils, clorofenols, cloroanisoles i 2,4,6-tribromoanisole, relacionats amb el "gust del suro"

D'entre els defectes organolèptics associats al vi, en destaca l'anomenat "gust de suro" habitualment vinculat a la presència de cloroanisoles, els quals són productes de l'activitat microbiana formats a partir dels corresponents clorofenols. La present tesi doctoral recull, en primer lloc, metodologies analítiques adreçades principalment a la determinació dels compostos clorofenòlics (2,4,6-triclorofenol, 2,3,4,6-tetraclorofenol i pentaclorofenol) en el control de qualitat dels taps suro, emprant dissolucions hidroalcohòliques com a medi de maceració o d'extracció i utilitzant les tècniques d'extracció en fase sòlida (SPE) i microextracció en fase sòlida (SPME) acoblades a la cromatografia de gasos (GC). En segon lloc, per tal de dur a terme l'anàlisi de cloroanisoles juntament amb els seus precursors en matrius de suro s'ha avaluat un mètode basat en l'extracció amb dissolvent orgànic, el qual ha estat aplicat per a l'estudi de diferents sistemes d'eliminació d'aquests anàlits en la matriu citada. En darrer lloc, s'han proposat metodologies per l'anàlisi de mostres de vi, en les quals d'una banda s'han determinat els compostos clorofenòlics utilitzant la SPME i de l'altra el 2,4,6-tricloroanisole i el 2,4,6-tribromoanisole mitjançant l'acoblament de la SPE i la injecció de grans volums (LVI) en el sistema cromatogràfic.

Combinatorial peptide ligand libraries and plant proteomics: a winning strategy at a price

The mechanism of action and properties of a solid-phase ligand library made of hexapeptides (combinatorial peptide ligand libraries or CPLL), for capturing the "hidden proteome", i.e. the low- and very low-abundance proteins constituting the vast majority of species in any proteome, as applied to plant tissues, are reviewed here. Plant tissues are notoriously recalcitrant to protein extraction and to proteome analysis. Firstly, rigid plant cell walls need to be mechanically disrupted to release the cell content and, in addition to their poor protein yield, plant tissues are rich in proteases and oxidative enzymes, contain phenolic compounds, starches, oils, pigments and secondary metabolites that massively contaminate protein extracts. In addition, complex matrices of polysaccharides, including large amount of anionic pectins, are present. All these species compete with the binding of proteins to the CPLL beads, impeding proper capture and identification / detection of low-abundance species. When properly pre-treated, plant tissue extracts are amenable to capture by the CPLL beads revealing thus many new species among them low-abundance proteins. Examples are given on the treatment of leaf proteins, of corn seed extracts and of exudate proteins (latex from Hevea brasiliensis). In all cases, the detection of unique gene products via CPLL capture is at least twice that of control, untreated sample.

Combinatorial peptide ligand libraries and plant proteomics: a winning strategy at a price

The mechanism of action and properties of a solid-phase ligand library made of hexapeptides (combinatorial peptide ligand libraries or CPLL, for capturing the "hidden proteome", i.e. the low- and very low-abundance proteins Constituting the vast majority of species in any proteome. as applied to plant tissues, are reviewed here. Plant tissues are notoriously recalcitrant to protein extraction and to proteome analysis, Firstly, rigid plant cell walls need to be mechanically disrupted to release the cell content and, in addition to their poor protein yield, plant tissues are rich in proteases and oxidative enzymes, contain phenolic Compounds, starches, oils, pigments and secondary metabolites that massively contaminate protein extracts. In addition, complex matrices of polysaccharides, including large amount of anionic pectins, are present. All these species compete with the binding of proteins to the CPLL beads, impeding proper capture and identification I detection of low-abundance species. When properly pre-treated, plant tissue extracts are amenable to capture by the CPLL beads revealing thus many new species among them low-abundance proteins. Examples are given on the treatment of leaf proteins, of corn seed extracts and of exudate proteins (latex from Hevea brasiliensis). In all cases, the detection of unique gene products via CPLL Capture is at least twice that of control, untreated sample. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Volatile flavour profile of goat meat extracted by three widely used techniques

Three procedures for the isolation of volatiles from grilled goat meat were compared: dynamic headspace entrainment on Tenax TA, simultaneous steam distillation-extraction, and solid-phase microextraction. Headspace entrainment on Tenax TA extracted the highest number of Maillard-derived volatile compounds. Two hundred and three volatile components were identified: 159 are reported for the first time in goat meat. Most of the volatiles detected (155) were lipid oxidation products, such as hydrocarbons, aldehydes, alcohols, ketones, carboxylic acids and esters. Forty-eight Maillard-derived compounds were identified. comprising pyrazines, pyrroles, thiophenes, furanthiol derivatives, alkyl and alicyclic sulphides, pyridines, and thiazoles. Some reported character impact compounds of cooked meat, e.g., 12-methyltridecanal, (EE)-2,4-decadienal, methional, and dimethyl trisulphide were identified in the volatile profile of goat meat, together with a series of C-2 to C-5 alkylformylcyclopentenes, which have been reported in cooked chicken, pork, beef and lamb, as being important for the characteristic flavour impression of different animal species. (C) 2009 Published by Elsevier Ltd.

Synthesis of beaded poly(vinyl ether) solid supports with unique solvent compatibility

Poly(vinyl ether) gels SLURPS (Superior Liquid Uptake Resin for Polymer-supported synthesis) with low cross-linking levels have been synthesized for the first time in beaded form using a non-aqueous inverse suspension polymerisation approach. The synthetic protocol was optimized with regards to several parameters including reactions conditions, type and concentration of suspension stabilizer and controlled low temperature addition of co-initiator. Particle size measurements confirm the production of beads with average diameters of 700e950 mm. Optimization of the monomer composition of the poly (vinyl ether) gels resulted in a novel beaded polymer support with considerably improved as well as unique swelling characteristics in solvents ranging from hexane to water. The synthetic utility of the new gel was confirmed by carrying out a set of transformations with complete conversion leading to a useful amino and hydroxy terminated solid-phase precursor resin. Reaction progress could be monitored easily by 1H and 13C gel-phase NMR.

Dietary quebracho tannins are not absorbed, but increase the antioxidant capacity of liver and plasma in sheep

A total of sixteen lambs were divided into two groups and fed two different diets. Of these, eight lambs were fed a control diet (C) and eight lambs were fed the C diet supplemented with quebracho tannins (C+T). The objective of the present study was to assess whether dietary quebracho tannins can improve the antioxidant capacity of lamb liver and plasma and if such improvement is due to a direct transfer of phenolic compounds or their metabolites, to the animal tissues. Feed, liver and plasma samples were purified by solid-phase extraction (SPE) and analysed by liquid chromatography–MS for phenolic compounds. Profisitinidin compounds were identified in the C+T diet. However, no phenolic compounds were found in lamb tissues. The liver and the plasma from lambs fed the C+T diet displayed a greater antioxidant capacity than tissues from lambs fed the C diet, but only when samples were not purified with SPE. Profisetinidin tannins from quebracho seem not to be degraded or absorbed in the gastrointestinal tract. However, they induced antioxidant effects in animal tissues.

Flavour profile of three novel acidic varieties of muskmelon (Cucumis melo L.)

Novel acidic varieties of muskmelon (Cucumis melo L.) are emerging onto the UK market. These melons contain almost twice the amount of citric acid compared to standard melons and are described as ‘zesty and fresh’. This study compared the flavour components of three acidic varieties with a standard Galia-type melon. The volatile and semivolatile compounds were extracted using dynamic headspace extraction (DHE) or solid-phase microextraction (SPME) and solid phase extraction (SPE) respectively, followed by gas chromatography – mass spectrometry (GC-MS) and gas chromatography – olfactometry (GC-O). More than 50 volatile and 50 semivolatile compounds were identified in the headspace and the SPE extracts respectively. GC-O revealed 15 odour-active components in the headspace, with esters being consistently higher in acidic variety. This study showed quantitative and qualitative differences between all four varieties and key differences between acidic varieties and standard melons.

Sensory and instrumental analysis of medium and long shelf-life Charentais cantaloupe melons (Cucumis melo L.) harvested at different maturities

The flavour profiles of two genotypes of Charentais cantaloupe melons (medium shelf-life and long shelf-life), harvested at two distinct maturities (immature and mature fruit), were investigated. Dynamic headspace extraction (DHE), solid-phase extraction (SPE), gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS) and gas chromatography–olfactometry/mass spectrometry (GC-O/MS) were used to determine volatile and semi-volatile compounds. Qualitative descriptive analysis (QDA) was used to assess the organoleptic impact of the different melons and the sensory data were correlated with the chemical analysis. There were significant, consistent and substantial differences between the mature and immature fruit for the medium shelf-life genotype, the less mature giving a green, cucumber character and lacking the sweet, fruity character of the mature fruit. However, maturity at harvest had a much smaller impact on the long shelf-life melons and fewer differences were detected. These long shelf-life melons tasted sweet, but lacked fruity flavours, instead exhibiting a musty, earthy character.

Antioxidant effects of ryegrass phenolics in lamb liver and plasma

Sixteen lambs were divided into two groups and fed two different diets. Eight lambs were stall-fed with a concentrate-based diet (C), and the remaining eight lambs were allowed to graze on Lolium perenne (G). The antioxidant status was measured in the liver and plasma samples before and after solid-phase extraction (SPE) to probe the antioxidant effects that grass phenolic compounds may have conferred onto the animal tissues. The liver and plasma samples from grass-fed lambs displayed a greater antioxidant capacity than the tissues from C lamb group, but only if samples had not been passed through SPE cartridges. Finally, the feed and animal tissues, which had been purified by SPE, were analysed by liquid chromatography combined with mass spectrometry (LC-MS) to identify phenolic compounds present in L. perenne and to evaluate the results from the antioxidant assays. It would appear that the improvement of the antioxidant capacity of lamb liver and plasma from lambs fed ryegrass was not related to the direct transfer of phenolic compounds from grass to the animal tissues.