Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Détermination de la spéciation du samarium dans l'environnement

Les éléments de terres rares (REEs) sont de plus en plus utilisés dans une multitude d’applications, notamment la fabrication d’aimants, de batteries rechargeables et les écrans de téléviseurs. Ils sont pour la plupart des métaux trivalents peu solubles dans les eaux naturelles. Comme pour les métaux divalents, le risque écologique des REEs est très probablement étroitement lié à leurs spéciations chimiques. Cependant, le comportement du samarium (Sm) dans les matrices environnementales est très peu connu et il n'existe actuellement aucune technique pour évaluer sa spéciation chimique. Dans cette optique, la technique d'échange d'ions (IET) sur la résine Dowex a été optimisée pour mesurer le samarium libre en solution. Les temps d'équilibre ont d'abord été déterminés pour des solutions tamponnées de samarium (Sm 6,7x10-8 M ; MES 1,0 mM M ; pH 6,0) en présence du nitrate de sodium (de 0,01M à 0,5 M). Pour ces diverses forces ioniques, l’équilibre thermodynamique n’est atteint que pour NaNO3 0,5M. Un autre mode d’utilisation de la résine (mode dynamique) a donc été développé pour tenir compte des conditions environnementales et évaluer efficacement le samarium libre. Les impacts des ligands organiques tels le NTA, l’EDTA, le citrate, l’acide malique et l’acide fulvique Suwannee River Standard I (SRFA) ont été étudiés par l’IET en mode dynamique. Une grande corrélation a été trouvée plus entre les taux d’accumulation de samarium sur la résine d’échange pour différents rapports NTA : Sm, EDTA : Sm, SRFA : Sm et le samarium libre. Par contre, aucune corrélation significative n’a été observée pour les ligands citrate et acide malique compte tenu des complexes qu’ils forment avec le samarium et qui s’adsorbent aussi sur la résine Dowex. Les concentrations Sm3+ mesurées par la technique IET ont été fortement corrélées avec celles prédites par le modèle WHAM 7.0 en utilisant la constante de stabilité obtenue par titration de SRFA par extinction de la fluorescence. Par ailleurs, la formation de colloïdes de samarium en fonction du pH influe grandement sur la détermination du samarium libre et doit être prise en compte dans la spéciation du samarium. L'IET assisté par des techniques auxiliaires comme le dosage par extinction de la fluorescence et le SP-ICPMS pourrait être une technique utile pour évaluer les concentrations de Sm biodisponible dans les eaux naturelles.

The creation and evaluation of novel canine training aids for cocaine using molecularly encapsulated sol-gel polymers and an investigation of canine field accuracy

Biological detectors, such as canines, are valuable tools used for the rapid identification of illicit materials. However, recent increased scrutiny over the reliability, field accuracy, and the capabilities of each detection canine is currently being evaluated in the legal system. For example, the Supreme Court case, State of Florida v. Harris, discussed the need for continuous monitoring of canine abilities, thresholds, and search capabilities. As a result, the fallibility of canines for detection was brought to light, as well as a need for further research and understanding of canine detection. This study is two-fold, as it looks to not only create new training aids for canines that can be manipulated for dissipation control, but also investigates canine field accuracy to objects with similar odors to illicit materials. ^ It was the goal of this research to improve upon current canine training aid mimics. Sol-gel polymer training aids, imprinted with the active odor of cocaine, were developed. This novel training aid improved upon the longevity of currently existing training aids, while also provided a way to manipulate the polymer network to alter the dissipation rate of the imprinted active odors. The manipulation of the polymer network could allow handlers to control the abundance of odors presented to their canines, familiarizing themselves to their canine’s capabilities and thresholds, thereby increasing the canines’ strength in court.^ The field accuracy of detection canines was recently called into question during the Supreme Court case, State of Florida v. Jardines, where it was argued that if cocaine’s active odor, methyl benzoate, was found to be produced by the popular landscaping flower, snapdragons, canines will false alert to said flowers. Therefore, snapdragon flowers were grown and tested both in the laboratory and in the field to determine the odors produced by snapdragon flowers; the persistence of these odors once flowers have been cut; and whether detection canines will alert to both growing and cut flowers during a blind search scenario. Results revealed that although methyl benzoate is produced by snapdragon flowers, certified narcotics detection canines can distinguish cocaine’s odor profile from that of snapdragon flowers and will not alert.^

Détermination de la spéciation du samarium dans l'environnement

Les éléments de terres rares (REEs) sont de plus en plus utilisés dans une multitude d’applications, notamment la fabrication d’aimants, de batteries rechargeables et les écrans de téléviseurs. Ils sont pour la plupart des métaux trivalents peu solubles dans les eaux naturelles. Comme pour les métaux divalents, le risque écologique des REEs est très probablement étroitement lié à leurs spéciations chimiques. Cependant, le comportement du samarium (Sm) dans les matrices environnementales est très peu connu et il n'existe actuellement aucune technique pour évaluer sa spéciation chimique. Dans cette optique, la technique d'échange d'ions (IET) sur la résine Dowex a été optimisée pour mesurer le samarium libre en solution. Les temps d'équilibre ont d'abord été déterminés pour des solutions tamponnées de samarium (Sm 6,7x10-8 M ; MES 1,0 mM M ; pH 6,0) en présence du nitrate de sodium (de 0,01M à 0,5 M). Pour ces diverses forces ioniques, l’équilibre thermodynamique n’est atteint que pour NaNO3 0,5M. Un autre mode d’utilisation de la résine (mode dynamique) a donc été développé pour tenir compte des conditions environnementales et évaluer efficacement le samarium libre. Les impacts des ligands organiques tels le NTA, l’EDTA, le citrate, l’acide malique et l’acide fulvique Suwannee River Standard I (SRFA) ont été étudiés par l’IET en mode dynamique. Une grande corrélation a été trouvée plus entre les taux d’accumulation de samarium sur la résine d’échange pour différents rapports NTA : Sm, EDTA : Sm, SRFA : Sm et le samarium libre. Par contre, aucune corrélation significative n’a été observée pour les ligands citrate et acide malique compte tenu des complexes qu’ils forment avec le samarium et qui s’adsorbent aussi sur la résine Dowex. Les concentrations Sm3+ mesurées par la technique IET ont été fortement corrélées avec celles prédites par le modèle WHAM 7.0 en utilisant la constante de stabilité obtenue par titration de SRFA par extinction de la fluorescence. Par ailleurs, la formation de colloïdes de samarium en fonction du pH influe grandement sur la détermination du samarium libre et doit être prise en compte dans la spéciation du samarium. L'IET assisté par des techniques auxiliaires comme le dosage par extinction de la fluorescence et le SP-ICPMS pourrait être une technique utile pour évaluer les concentrations de Sm biodisponible dans les eaux naturelles.

The preparation of a certified reference material of polar pesticides in freeze-dried water (CRM 606)

The preparation of a certified reference material of polar pesticides in freeze-dried water is described. The pesticides selected were atrazine, simazine, carbaryl, propanil, linuron, fenamiphos and permethrin which were added to 6000 litres of tap water at 50–80 μg · L–1 (200–320 μg · L–1 for permethrin) level in presence of NaCl (2.5 g · L–1) prior lyophilization. After the freeze-drying process the residue was rehomogenized, filled into amber glass bottles and stored at –20 °C, +4 °C and +20 °C. All pesticides were determined by HPLC/diode array detector, except permethrin which was determined by GC/ECD. The results obtained for atrazine, simazine, carbaryl, propanil, linuron and fenamiphos showed no within- or between-bottle inhomogeneity, however the material was non-homogeneous for permethrin and therefore this was withdrawn from further studies. With respect to the stability for over one year, all pesticides were stable at –20 °C. At +4 °C all pesticides were stable for at least 9 months and at +20 °C the stability was demonstrated only during the first month of storage. The content (mass fractions) of atrazine, simazine, carbaryl, propanil and linuron in freeze-dried water (CRM 606) was certified by an interlaboratory testing and a certification campaign.

Synthesis, characterization, and application of PHB-based gels for cultural heritage conservation

The aim of my master thesis is developing novel, greener approaches for the cleaning of artworks: such treatment consists in the removal of old varnish layers which tend to discolor or darken with time, thus allowing replacement with a new protecting coat. While protocols presently applied can be effective in the cleaning of the artworks, none of them take into account conservators’ health safety and environmental issues. Thus, using biomass-derived components, which are non-toxic and reusable and/or compostable might bring into the heritage conservation an additional awareness about safety and environmental claiming. The laboratory work for the thesis is a collaborative work between different groups. The biggest part of the work was at the Polymer group where gels were synthesized using Polyhydroxybutyrate (PHB) from sustainable resources and green solvents. The use of the gels might help to reduce the volatilization of solvents and contributes to the localization of the cleaning action. After the preparation of the gels, different characterization methods were used in order to estimate their properties and shelf-life. Finally, the work was completed on the application of the gels on sculpture, coated with undesired layers to be removed. Here, pre-mapping of the areas of interest was realized with different optical techniques, followed by the application of the gels for the cleaning and analyzing the effectiveness of cleaning.

Green Chemistry-Sensitive Analytical Procedure for Photometric Determination of Orthophosphate in River and Tap Water by Use of a Simple LED-Based Photometer

In the current work a Green Analytical Chemistry (GAC) procedure for photometric determination of orthophosphate in river water at mu g L-1 concentration level is described. The flow system module and the LED-based photometer were assembled together to constitute a compact unit in order to allow that a flow cell with optical path-length of 100mm was coupled to them. The photometric procedure based on the molybdenum blue method was implemented employing the multicommuted flow injection analysis approach, which provided facilities to allow reduction of reagent consumption and as well as waste generation. Aiming to prove the usefulness of the system, orthophosphate in river and tap waters was determined. Accuracy was ascertained by spiking samples with orthophosphate solution yielding recoveries ranging from 96% up to 107%. Other profitable features such as a wide linear response range between 10 to 800 mu g L-1 [image omitted]; a detection limit (3 sigma criterion) of 2.4 mu g L-1 [image omitted]; a relative standard deviation (n=7) of 2% using a typical water sample with concentration of 120 mu g L-1 [image omitted]; reagent consumption of 3.0mg ammonium molybdate, 0.3mg hydrazine sulfate, and 0.03mg stannous chloride per determination; a waste generation of 2.4mL per determination; and a sampling throughput of 20 determination per hours were also achieved.

Investigation of Postmortem Gases: A Forensic Imaging and Analytical Chemistry Approach

Background: Distinguishing postmortem gas accumulations in the body due to natural decomposition and other phenomena such as gas embolism can prove a difficult task using purely Multi-Detector Computed Tomography (MDCT). The Radiological Alteration Index (RAI) was created with the intention to be able to identify bodies undergoing the putrefaction process based on the quantity of gas detected within the body. The flaw in this approach is the inability to absolutely determine putrefaction as the origin of gas volumes in cases of moderate alteration. The aim of the current study is to identify percentage compositions of O2, N2, CO2 and the presence of gases such as H2 and H2S within these sampling sites in order to resolve this complication. Materials and methods: All cases investigated in our University Center of Legal Medicine are undergoing a Post-Mortem Computed Tomography (PMCT)-scan before external examination or autopsy as a routine investigation. In the obtained images, areas of gas were characterized as 0, I, II or III based on the amount of gas present according to the RAI (1). The criteria for these characterizations were dependent of the site of gas, for example thoracic and abdominal cavities were graded as I (1 - 3cm gas), II (3 - 5cm gas) and III (>5cm gas). Cases showing gaseous sites with grade II or III were selected for this study. The sampling was performed under CT-guidance to target the regions to be punctured. Luer-lock PTFE syringes equipped with a three-way valve and needles were used to sample the gas directly (2). Gaseous samples were then analysed using gas chromatography coupled to a thermal conductivity detector (GC-TCD). The components present in the samples were expressed as a percentage of the overall gas present. Results: Up to now, we have investigated more than 40 cases using our standardized procedure for sampling and analysis of gas. O2, N2 and CO2 were present in most samples. The following distributions were found to correlate to gas origins of gas embolism/scuba diving accidents, trauma and putrefaction: ? Putrefaction → O2 = 1 - 5%; CO2 > 15%; N2 = 10 - 70%; H2 / H2S / CH4 variable presence ? Gas embolism/Scuba diving accidents → O2 and N2= varying percentages; CO2 > 20% ? Trauma → O2 = small percentage; CO2 < 15%; N2 > 65% H2 and H2S indicated levels of putrefaction along with methane which can also gauge environmental conditions or conditions of body storage/burial. Many cases showing large RAI values (advanced alteration) did reveal a radiological diagnosis which was in concordance with the interpretation of the gas composition. However, in certain cases (gas embolism, scuba divers) radiological interpretation was not possible and only chemical gas analysis was found to lead to the correct diagnosis, meaning that it provided complementary information to the radiological diagnosis. Conclusion: Investigation of postmortem gases is a useful tool to determine origin of gas generation which can aid the diagnosis of the cause of death. Levels of gas can provide information on stage of putrefaction and help to perform essential medico-legal diagnosis such as vital gas embolism.

Automatic evaluation and data generation for analytical chemistry instrumental analysis exercises

In general, laboratory activities are costly in terms of time, space, and money. As such, the ability to provide realistically simulated laboratory data that enables students to practice data analysis techniques as a complementary activity would be expected to reduce these costs while opening up very interesting possibilities. In the present work, a novel methodology is presented for design of analytical chemistry instrumental analysis exercises that can be automatically personalized for each student and the results evaluated immediately. The proposed system provides each student with a different set of experimental data generated randomly while satisfying a set of constraints, rather than using data obtained from actual laboratory work. This allows the instructor to provide students with a set of practical problems to complement their regular laboratory work along with the corresponding feedback provided by the system's automatic evaluation process. To this end, the Goodle Grading Management System (GMS), an innovative web-based educational tool for automating the collection and assessment of practical exercises for engineering and scientific courses, was developed. The proposed methodology takes full advantage of the Goodle GMS fusion code architecture. The design of a particular exercise is provided ad hoc by the instructor and requires basic Matlab knowledge. The system has been employed with satisfactory results in several university courses. To demonstrate the automatic evaluation process, three exercises are presented in detail. The first exercise involves a linear regression analysis of data and the calculation of the quality parameters of an instrumental analysis method. The second and third exercises address two different comparison tests, a comparison test of the mean and a t-paired test.

Exploring Liquid Sequential Injection Chromatography To Teach Fundamentals of Separation Methods: A Very Fast Analytical Chemistry Experiment

Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP)

Analytical chemistry in a liquid film/droplet

The measurement of nitrogen dioxide at the parts-perbillion level is described. The experimental arrangement consists of two optical fibers placed on opposite sides of and in contact with a liquid film (14-57 μL in volume) supported on a U-shaped wire guide and two tubular conduits (one of which constitutes the means for the delivery of the liquid), light from a green (555 nm) light-emitting diode enters the liquid film, composed of Griess-Saltzman reagent. The transmitted light is measured by a referenced photodetection arrangement. Sample gas flows past the droplet at a low flow rate (typically 0.10-0.25 L/min). The response is proportional to the sampling period and the analyte concentration. The limit of detection for this nonoptimized arrangement is estimated to be <10 ppb by volume for a 5 min sample. Some unusual characteristics are observed. The initial absorbance, when most of the analyte/reaction product is still near the surface, is higher than that when the content of the droplet is fully mixed. The signal depends on the sample flow rate in a nonmonotonic fashion, first increasing and then decreasing with increasing sampling rate; the specific chemistry involved in the collection and determination of NO2 may be responsible.

Electrochemical sensors: A powerful tool in analytical chemistry

Potentiometric, amperometric and conductometric electrochemical sensors have found a number of interesting applications in the areas of environmental, industrial, and clinical analyses. This review presents a general overview of the three main types of electrochemical sensors, describing fundamental aspects, developments and their contribution to the area of analytical chemistry, relating relevant aspects of the development of electrochemical sensors in Brazil.

Chemical and physical factors influencing lead and copper contamination in drinking water: approach for a case study in analytical chemistry

CHEMICAL AND PHYSICAL FACTORS INFLUENCING LEAD AND COPPER CONTAMINATION IN DRINKING WATER: APPROACH FOR A CASE STUDY IN ANALYTICAL CHEMISTRY. Lead and copper concentrations in drinking water increase considerably on going from municipality reservoirs to the households sampled in Ribeirao Preto (SP-Brazil). Flushing of only 3 liters of water reduced metal concentrations by more than 50%. Relatively small changes in water pH rapidly affected corrosion processes in lead pipes, while water hardness appeared to have a long-term effect. This approach aims to encourage University teachers to use its content as a case study in disciplines of Instrumental Analytical Chemistry and consequently increase knowledge about drinking water contamination in locations where no public monitoring of trace metals is in place.