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.

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.

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

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

Frequency stabilised grating feedback laser diode for atom cooling applications

The free running linewidth of an external cavity grating feedback diode laser is on the order of a few megahertz and is limited by the mechanical and acoustic vibrations of the external cavity. Such frequency fluctuations can be removed by electronic feedback. We present a hybrid stabilisation technique that uses both a Fabry-Perot confocal cavity and an atomic resonance to achieve excellent short and long term frequency stability. The system has been shown to reduce the laser linewidth of an external cavity diode laser by an order of magnitude to 140 kHz, while limiting frequency excursions to 60 kHz relative to an absolute reference over periods of several hours. The scheme also presents a simple way to frequency offset two lasers many gigahertz apart which should find a use in atom cooling experiments, where hyperfine ground-state frequency separations are often required.

MERCURY QUANTIFICATION IN SOILS USING THERMAL DESORPTION AND ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY: PROPOSAL FOR AN ALTERNATIVE METHOD OF ANALYSIS

Despite the considerable environmental importance of mercury (Hg), given its high toxicity and ability to contaminate large areas via atmospheric deposition, little is known about its activity in soils, especially tropical soils, in comparison with other heavy metals. This lack of information about Hg arises because analytical methods for determination of Hg are more laborious and expensive compared to methods for other heavy metals. The situation is even more precarious regarding speciation of Hg in soils since sequential extraction methods are also inefficient for this metal. The aim of this paper is to present a technique of thermal desorption associated with atomic absorption spectrometry, TDAAS, as an efficient tool for quantitative determination of Hg in soils. The method consists of the release of Hg by heating, followed by its quantification by atomic absorption spectrometry. It was developed by constructing calibration curves in different soil samples based on increasing volumes of standard Hg2+ solutions. Performance, accuracy, precision, and quantification and detection limit parameters were evaluated. No matrix interference was detected. Certified reference samples and comparison with a Direct Mercury Analyzer, DMA (another highly recognized technique), were used in validation of the method, which proved to be accurate and precise.

Ink dating using thermal desorption and gas chromatography / mass spectrometry: comparison of results obtained in two laboratories

Recent ink dating methods focused mainly on changes in solvent amounts occurring over time. A promising method was developed at the Landeskriminalamt of Munich using thermal desorption (TD) followed by gas chromatography / mass spectrometry (GC/MS) analysis. Sequential extractions of the phenoxyethanol present in ballpoint pen ink entries were carried out at two different temperatures. This method is applied in forensic practice and is currently implemented in several laboratories participating to the InCID group (International Collaboration on Ink Dating). However, harmonization of the method between the laboratories proved to be a particularly sensitive and time consuming task. The main aim of this work was therefore to implement the TD-GC/MS method at the Bundeskriminalamt (Wiesbaden, Germany) in order to evaluate if results were comparable to those obtained in Munich. At first validation criteria such as limits of reliable measurements, linearity and repeatability were determined. Samples were prepared in three different laboratories using the same inks and analyzed using two TDS-GC/MS instruments (one in Munich and one in Wiesbaden). The inter- and intra-laboratory variability of the ageing parameter was determined and ageing curves were compared. While inks stored in similar conditions yielded comparable ageing curves, it was observed that significantly different storage conditions had an influence on the resulting ageing curves. Finally, interpretation models, such as thresholds and trend tests, were evaluated and discussed in view of the obtained results. Trend tests were considered more suitable than threshold models. As both approaches showed limitations, an alternative model, based on the slopes of the ageing curves, was also proposed.

Graphitized carbon black in quartz tubes for the sampling of indoor air nicotine and analysis by microwave thermal desorption-capillary gas chromatography

Nicotine in a smoky indoor air environment can be determined using graphitized carbon black as a solid sorbent in quartz tubes. The temperature stability, high purity, and heat absorption characteristics of the sorbent, as well as the permeability of the quartz tubes to microwaves, enable the thermal desorption by means of microwaves after active sampling. Permeation and dynamic dilution procedures for the generation of nicotine in the vapor phase at low and high concentrations are used to evaluate the performances of the sampler. Tube preparation is described and the microwave desorption temperature is measured. Breakthrough volume is determined to allow sampling at 0.1-1 L/min for definite periods of time. The procedure is tested for the determination of gas and paticulate phase nicotine in sidestream smoke produced in an experimental chamber.

Capillary thermal desorption unit for near real-time analysis of VOCs at sub-trace levels. Application to the analysis of environmental air contamination and breath samples

A capillary microtrap thermal desorption module is developed for near real-time analysis of volatile organic compounds (VOCs) at sub-ppbv levels in air samples. The device allows the direct injection of the thermally desorbed VOCs into a chromatographic column. It does not use a second cryotrap to focalize the adsorbed compounds before entering the separation column so reducing the formation of artifacts. The connection of the microtrap to a GC–MS allows the quantitative determination of VOCs in less than 40 min with detection limits of between 5 and 10 pptv (25 °C and 760 mmHg), which correspond to 19–43 ng m−3, using sampling volumes of 775 cm3. The microtrap is applied to the analysis of environmental air contamination in different laboratories of our faculty. The results obtained indicate that most volatile compounds are easily diffused through the air and that they also may contaminate the surrounding areas when the habitual safety precautions (e.g., working under fume hoods) are used during the manipulation of solvents. The application of the microtrap to the analysis of VOCs in breath samples suggest that 2,5-dimethylfuran may be a strong indicator of a person's smoking status

Laser-induced thermal characterization of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix

In this paper, we report the measurements of thermal diffusivity of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix sintered at different temperatures using laser induced non-destructive photoacoustic technique. Measurements of thermal diffusivity also have been carried out on specimens with various concentration of nano metal. Analysis of the data is done on the basis of one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho. The present measurements on the thermal diffusivity of nano metal dispersed ceramic alumina shows that porosity has a great influence on the heat transport and the thermal diffusivity value. The present analysis also shows that the inclusion of nano metal into ceramic matrix increases its interconnectivity and hence the thermal diffusivity value. The present study on the samples sintered at different temperature shows that the porosity of the ceramics varies considerably with the change in sintering temperature. The results are interpreted in terms of phonon assisted heat transfer mechanism and the exclusion of pores with the increase in sintering temperature.

Laser-induced thermal characterization of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix

In this paper, we report the measurements of thermal diffusivity of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix sintered at different temperatures using laser induced non-destructive photoacoustic technique. Measurements of thermal diffusivity also have been carried out on specimens with various concentration of nano metal. Analysis of the data is done on the basis of one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho. The present measurements on the thermal diffusivity of nano metal dispersed ceramic alumina shows that porosity has a great influence on the heat transport and the thermal diffusivity value. The present analysis also shows that the inclusion of nano metal into ceramic matrix increases its interconnectivity and hence the thermal diffusivity value. The present study on the samples sintered at different temperature shows that the porosity of the ceramics varies considerably with the change in sintering temperature. The results are interpreted in terms of phonon assisted heat transfer mechanism and the exclusion of pores with the increase in sintering temperature

Laser-induced thermal characterization of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix

In this paper, we report the measurements of thermal diffusivity of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix sintered at different temperatures using laser induced non-destructive photoacoustic technique. Measurements of thermal diffusivity also have been carried out on specimens with various concentration of nano metal. Analysis of the data is done on the basis of one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho. The present measurements on the thermal diffusivity of nano metal dispersed ceramic alumina shows that porosity has a great influence on the heat transport and the thermal diffusivity value. The present analysis also shows that the inclusion of nano metal into ceramic matrix increases its interconnectivity and hence the thermal diffusivity value. The present study on the samples sintered at different temperature shows that the porosity of the ceramics varies considerably with the change in sintering temperature. The results are interpreted in terms of phonon assisted heat transfer mechanism and the exclusion of pores with the increase in sintering temperature

Laser Induced Thermal Lens Effect in Rhodamine B — Signature of Resonant Two Photon Absorption

Measurement of thermal lensing signal as a function of laser power made in Rhodamine B solutions in methanol give clear evidence of two photon absorption process within certain concentration ranges when 488 nm Ar+ laser beam is used as the pump source. Only one photon process is found to occur when 514 nm and 476 nm beams are used as the pump.