Made available in DSpace on 2017-07-10T18:08:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gustavo H F dos Santos.pdf: 2924329 bytes, checksum: 74a03389110637af2cd08afee90b23ec (MD5) Previous issue date: 2012-02-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The main objective of this study was to evaluate the types of biosorption mechanisms involved in the removal of copper, zinc and cadmium divalent ions by dead Egeria densa macrophyte biomass. Batch adsorption experiments, consisting of mixtures of 0.3 g biomass and 50 mL metal solution were performed at initial pH 5, and under constant temperature (50 oC) and shaking conditions. The PIXE analytical technique was applied to determine the metal concentration in aqueous and solid phases. All PIXE measurements were performed at the Ion Beam-based Material Analysis Laboratory of the Physics Institute of the São Paulo University. Preliminary to adsorption experiments, the point of zero charge assigned to E. densa biosorbent was determined to be at a 5.0-6.5 pH value range. From metal speciation diagrams, the Cu, Zn, Cd and Ca divalent ions are expected to be majorities below the pH values of 5, 6, 8, and 10, respectively, whereas above these pH regions other metal compounds are mainly expected. As confirmed by measured pH values of 5.0 ± 0.2 at all experiments of adsorption and desorption, E. densa biosorbent submerged in each metal solution has exhibited zero net electrical charge on its surface, indicating that the removals of Cu²+, Zn²+, and Cd²+ and the desorption of these metal ions should be mainly performed by the ion exchange mechanism. According to the mass balance analysis performed for each metal adsorption experiment, the ion exchange process was confirmed to be the main mechanism for the metal removal and desorption by the E. densa biosorbent. At pH value of 5 the E. densa biosorbent surface shows a behavior of ion exchanger. / O objetivo principal deste trabalho foi avaliar os mecanismos de biossorção envolvidos na remoção dos íons cobre, zinco e cádmio pela macrófita aquática Egeria densa inativa. Experimentos de sorção monocomponente foram realizados em sistema batelada, misturando 0,3 g do biossorvente com 50 mL de solução metálica, com pH inicial 5,0, sob agitação constante e temperatura controlada em 30°C, em uma incubadora refrigerada com agitação. A determinação da concentração das espécies iônicas nas fases líquida e sólida foi realizada pela técnica espectroscópica PIXE (Particle Induced X-ray Emission). As medidas foram realizadas no Laboratório de Análise de Materiais por Feixes Iônicos do Instituto de Física da USP. Foram realizados experimentos para determinação do ponto de carga zero (pHPCZ) da biomassa e elaborados diagramas de especiação dos metais. O pHPCZ da macrófita Egeria densa foi encontrado na faixa entre 5,0 a 6,5. Por meio de diagramas de especiação, observou-se que as formas iônicas Cu²+, Zn²+, Cd²+ e Ca²+ são predominantes nas faixas de pH entre 0 - 5,0; 0 - 5,0; 0 - 8,0 e 0 - 10,0, respectivamente. O pH final medido em todos experimentos de biossorção e de regeneração da biomassa, foi em média de 5,0 ± 0,2. Desta forma, nos experimentos de sorção, os íons cobre, zinco, cádmio e cálcio encontravam-se na forma divalente. Nas condições operacionais utilizadas, a biossorção dos íons metálicos cobre, cádmio e zinco, pela macrófita Egeria densa, em pH inicial 5,0, ocorreu principalmente pelo mecanismo de troca iônica, com os cátions cálcio, sódio e potássio. Na regeneração da macrófita utilizando solução de CaCl2, também foi verificado que o mecanismo envolvido neste processo foi de troca iônica. O processo de dessorção dos íons metálicos ocorreu, devido ao comportamento da biomassa ser equivalente a de um trocador iônico.

The methods of analysis with a focused ion beam, commonly termed as nuclear microscopy, include quantitative physical processes like PIXE and RBS. The element concentrations in a sample can be quantitatively mapped with a sub-micron spatial resolution and a sub-ppm sensitivity. Its fully quantitative and non-destructive nature makes it particularly suitable for analysing biological samples. The applications in biomedical research are manifold. The iron overload hypothesis in Parkinson\\\''s disease is investigated by a differential analysis of human substantia nigra. The trace element content is quantified in neuromelanin, in microglia cells, and in extraneuronal environment. A comparison of six Parkinsonian cases with six control cases revealed no significant elevation in iron level bound to neuromelanin. In fact, a decrease in the Fe/S ratio of Parkinsonian neuromelanin was measured, suggesting a modification in its iron binding properties. Drosophila melanogaster, or the fruit fly, is a widely used model organism in neurobiological experiments. The electrolyte elements are quantified in various organs associated with the olfactory signalling, namely the brain, the antenna and its sensilla hairs, the mouth parts, and the compound eye. The determination of spatially resolved element concentrations is useful in preparing the organ specific Ringer\\\''s solution, an artificial lymph that is used in disruptive neurobiological experiments. The role of trace elements in the progression of atherosclerosis is examined in a pilot study. A differential quantification of the element content in an induced murine atherosclerotic lesion reveals elevated S and Ca levels in the artery wall adjacent to the lesion and an increase in iron in the lesion. The 3D quantitative distribution of elements is reconstructed by means of stacking the 2D quantitative maps of consecutive sections of an artery. The feasibility of generating a quantitative elemental rodent brain atlas by Large Area Mapping is investigated by measuring at high beam currents. A whole coronal section of the rat brain was measured in segments in 14 h. Individual quantitative maps of the segments are pieced together to reconstruct a high-definition element distribution map of the whole section with a subcellular spatial resolution. The use of immunohistochemical staining enhanced with single elements helps in determining the cell specific element content. Its concurrent use with Large Area Mapping can give cellular element distribution maps.

L'atmosphère terrestre est le siège d'un transport de matière, en particulier d'éléments d'origines diverses, dont une proportion importante résulte des activités humaines. Ce phénomène induit des conséquences parfois graves, pour la santé humaine et pour la fonctionnalité des écosystèmes. Les éléments ainsi transférés sont redéposés, de manière complexe, à la surface de la terre, avec une cartographie de distribution très inégale, des possibilités d'accumulation, ou au contraire de dilution, variables, conduisant à des altérations diversifiées de la composition des eaux et des sols et de la fonctionnalité des êtres vivants. La redéposition atmosphérique est étudiée depuis une cinquantaine d'année sur les troncs des arbres, qui constituent une matrice verticale commune, très enrichie par l'apport atmosphérique, et pouvant mener soit à une analyse de composition, soit à des études de bioindication. Il en a découlé des tests de routine largement utilisés. Cependant, pour définir avec précision les apports d'origine anthropique et mieux maîtriser, en vue de les réduire, les apports anormaux ou dangereux, une étude en profondeur de cette déposition corticale devait être entreprise. C'est l'objet de ce mémoire. Au regard de la complexité du problème abordé, nous nous sommes essentiellement limité à l'étude d'une seule espèce d'arbre : Fraxinus excelsior L., très commun dans notre zone d'étude et couvrant une vaste échelle d'altitude. Notre démarche analytique a consisté à combiner une analyse élémentaire très complète et sensible, l'ICP-MS avec une observation en microscopie à balayage couplée à la détermination de l'émission de rayons X spécifique des éléments présents. Cet ensemble de deux méthodes a permis de combiner identification - dosage précis - localisation - distinction entre états particulaire et dispersé. La déposition atmosphérique a été considérée sur une échelle de temps allant de 3 mois à 40 ans, en séparant les pousses successives des arbres. Nous avons séparé le dépôt superficiel sur les surfaces végétales d'une fraction solidement intégrée dans les tissus des tiges, spécialement le suber. Ces deux entités ne correspondent pas à la même chronologie. Nous avons montré que le dépôt de surface était, de fait, un écosystème construit sur un biotope alimenté conjointement par l'atmosphère et par l'arbre lui-même et qu'il comportait une phase vivante reviviscente et pour partie photosynthétique. Ce dépôt superficiel est déplacé en grande partie par la pluie. Le suber, couche apoplastique imperméable, a une bonne capacité de rétention des éléments à long terme et constitue, comparativement aux autres tissus des tiges, une matrice très intéressante pour percevoir l'apport atmosphérique sur plusieurs décennies. Pour déterminer valablement les apports atmosphériques d'origine anthropique qui s'accumulaient dans ces deux types de matrices, nous avons conçu un système de calcul (AAEF) permettant de les séparer des apports géogéniques et biologiques. Par ailleurs, constatant que l'apport atmosphérique comportait deux types de constituants, soit dispersés, soit particulaires, nous avons conçu et mis en oeuvre un protocole de fractionnement basé 1) sur l'incinération, 2) sur les traitements successifs à l'eau et à l'acide nitrique concentré (2N) qui nous a permis d'étudier isolément une phase particulaire dans laquelle la masse des matériaux géogéniques se trouve rassemblée avec l'essentiel du plomb et du manganèse, la phase HNO3 concentrant les éléments comme le cuivre et le zinc et une phase H2O contenant l'essentiel du potassium. Les profils de distribution entre les différentes fractions semblent constituer une information intéressante sur la spéciation de plusieurs types d'éléments. L'ensemble du corpus méthodologique ainsi édifié permet d'accéder à des études assez réalistes d'historique et de distribution géographique des polluants élémentaires à des échelles de distances variées.

L'obsidienne a été utilisée comme matière première de l'industrie lithique au cours de périodes préhistoriques. Ce matériau possède des propriétés spécifiques qui caractérisent son lieu d'origine. La rareté de ses sources et l'intérêt dont l'obsidienne a fait l' objet par le passé en font pour le préhistorien un marqueur remarquable d'échanges et de contacts humains à grande distance. Nous montrons les avantages relatifs, pour la détermination de la composition chimique, de l'analyse sous faisceau d'ions par PlXE -Particle InducedX-ray Emission-, qui permet des mesures non destructives, et par plasma couplé par induction : ICP-AES -Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry- et ICP-MS -Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry-, qui nécessitent des prélèvements réduits mais donnent accès à un large spectre d'éléments. En Amérique andine (Colombie, Equateur) où les données sur la circulation de l'obsidienne étaient encore très limitées, nous avons apporté des données nouvelles sur les sources et commencé l' exploitation (PlXE, ICP) de plusieurs collections de pièces archéologiques préhispaniques. Les mesures par ICP ont permis une caractérisation plus complète des sources de la région. Nos résultats constituent la base de données la plus détaillée disponible à ce jour. Au Proche-Orient (Syrie, Turquie), nous avons apporté des informations sur cinq sites néolithiques de la moyenne vallée de l'Euphrate (10400-4500 ans av. J.-C). Nos résultats ICP confirment la prééminence de la Cappadoce comme source d'obsidienne au cours de cette période et l'émergence d'apports d'Anatolie orientale. Ils montrent aussi la difficulté de discriminer entre elles, par leurs compositions, plusieurs sources anatoliennes. En raison des difficultés de distinction entre sources, nous avons proposé l'utilisation d'une double caractérisation -composition chimique/datation par traces de fission- pour l'ensemble ColombielEquateur, et dans certains cas au Proche-Orient.

PIXE, Particle Induced X-ray Emission, est une méthode d'analyse multiélémentaire, rapide, non destructive, basée sur la détection des rayons X caractéristiques émis suite à l'interaction de particules chargées avec la matière. Cette méthode est usuellement utilisée avec des protons accélérés à une énergie de l'ordre de quelques MeV dans des domaines d'applications variés, atteignant une limite de détection de l'ordre de quelques μg/g (ppm). Cependant, la profondeur d'analyse est relativement limitée. Grâce au cyclotron ARRONAX, nous pouvons utiliser des protons ou des particules alpha jusqu'à une énergie de 70 MeV pour mettre en œuvre la technique PIXE à haute énergie. Avec de telles énergies, nous excitons préférentiellement les raies X K, plus énergétiques que les raies L utilisées dans la PIXE classique pour l'analyse des éléments lourds. L'analyse d'échantillons épais, en profondeur, est ainsi accessible. Pour l'analyse des éléments légers, nous pouvons utiliser la détection de rayons gamma émis pas les noyaux excités en combinant les méthodes PIGE et PIXE. Nous allons tout d'abord présenter les caractéristiques et les principes d'analyse de la méthode PIXE à haute énergie que nous avons développée à ARRONAX. Nous détaillerons ensuite les performances atteintes, notamment en termes de limite de détection dans différentes conditions expérimentales. Enfin, nous présenterons les résultats obtenus pour l'analyse d'échantillons multicouches et la quantification d'éléments traces dans des échantillons épais.

Lorsque les verres bioactifs entrent en contact avec des tissus vivants, une série de réactions physico-chimiques (dissolution, précipitation...) ont lieu à l'interface matériau / os, et conduisent à la formation d'une couche phosphocalcique, dont la composition est proche de la phase minérale de l'os (hydroxyapatite). La couche d'apatite sert de site de minéralisation pour les cellules osseuses, ce qui permet in fine un lien intime entre le verre bioactif et les tissus osseux. Ce lien est caractéristique de la bioactivité, qui peut être modulée via plusieurs paramètres du verre comme la composition en éléments majeurs et traces ou les propriétés texturales (surface spécifique, porosité).Dans ce contexte, nous avons élaboré des verres bioactifs dans des systèmes binaires (SiO2-CaO) et ternaires (SiO2-CaO-P2O5). Ces verres ont été dopés en ions zinc et magnésium via la voie sol-gel. Grâce à l'emploi de tensioactifs, nous avons obtenu des verres mésostructurés. Enfin, en utilisant des méthodes dites " d'opale inverse ", des verres à macroporosité organisée ont été synthétisés. L'influence de ces paramètres sur la réactivité des verres au contact d'un milieu biologique (DMEM) a principalement été étudiée par des techniques utilisant des microfaisceaux d'ions. L'émission X induite par particules chargées (PIXE) combinée à la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford (RBS) a en effet démontré des effets évidents sur la cinétique, l'amplitude et la distribution spatiale des réactions physico-chimiques.

L'ivoire d'éléphant est un matériau biologique composé de fibres de collagène (CF) à 30 % massique et de particules d'hydroxyapatite carbonatées et enrichies en Mg à 70 % massique (Mg-carb-HAP). Il présente une structure hiérarchique complexe de la macro à la nano-échelle. La relation entre le motif macroscopique de Schreger observé à la surface des sections transverses des défenses et la micro-morphologie de l'ivoire en 3D (réseau tubulaire et orientations secondaires des CF) a été établie. Les marqueurs chimiques (Ca, P, Mg, Sr) et structuraux (épaisseurs et organisation des particules de Mg-carb-HAP) témoins des processus de formation de l'ivoire ont été déterminés. La diagenèse précoce en milieu marin a ensuite été étudiée par une approche physico-chimique combinant les analyses MEB, PIXE/RBS-EBS et SAXS. Les mécanismes d'altération identifiés sont les adsorptions des ions du milieu extérieur (Cl, Sr, Fe, Cu) à la surface des défenses, les échanges entre les ions exogènes et endogènes de l'ivoire et l'augmentation de la cristallinité des Mg-carb-HAP. Bien qu'immergées dans le même environnement diagénétique, les trois défenses du site des Poulins présentent différents états d'altération. Un bon état de préservation macroscopique ne reflète pas forcément un bon état de conservation de la dentine à l'échelle moléculaire. Finalement, l'ancienne polychromie et la dorure d'origine des ivoires d'Arslan Tash (Syrie, 800 av. J.C.) ont été restituées par des analyses non-invasives par FX en plein champ et PIXE/RBS-EBS. Les couleurs identifiées sont: le bleu et le vert égyptiens (Cu), avec des teintes plus ou moins claires (Pb), le rouge et l'orange (Fe). / Elephant ivory is a biological material composed of collagen fibers (CF) at 30 wt. % and Mg-enriched carbonated hydroxyapatite particles at 70 wt. % (Mg-carb-HAP). It has a complex hierarchical structure from macro- down to nano-scale. The relationship between the macroscopic Schreger patterns observed on the surface of transverse sections of tuks and the 3D micro-morphology of ivory (tubular network and CF secondary orientations) has been established. Chemical (Ca, P, Mg, Sr) and structural markers (thickness and organization of particles Mg-carb-HAP) which control the formation of ivory have been determined. Early diagenesis in the marine environment was then studied by means of SEM, PIXE/RBS-EBS and SAXS analyses. Diagenetic mechanisms were identified, as ionic adsorptions from marine environment to the tusk surfaces, ionic substitutions between exogenous and endogenous ivory ions and increased crystallinity of Mg-carb-HAP. Different states of preservation were observed among three tusks coming from the same submarine archaeological site. Good macroscopic preservation states of the surface does not necessarily reflect good preservation states of the dentin at the molecular level. Finally, the former polychromy and gilding of ivories from Arslan Tash (Syria, 800 BC.) have been reconstructed by non-invasive FF-FX and PIXE/RBS-EBS analyses. Egyptian blue and green (Cu) with different shades (Pb), as well as red and orange (Fe) have been identified. The gilding technique consisted of applying a 2 µm thick gold leaf. Over time, these decorations altered ivory surfaces inducing, among others, the formation of Au nanoparticles derived from the weathering of the gold leafs.

Knorpel ist ein kompliziertes System aus einem kollagenen Netzwerk, gefüllt mit wasserbindenden Makromolekülen (Proteoglykanen) und darin eingebetteten Zellen. Störungen in den komplexen Wechselbeziehungen können zur Gefährdung der strukturellen Integrität des Knorpels führen. Die hochauflösende Magnetresonanztomographie (NMR-Mikroskopie) kann über die Analyse der Signalintensität interne Knorpelstrukturen darstellen (hypo- und hyperintense Zonen). Mit Hilfe ionenmikroskopischer Analysemethoden (PIXE, RBS, ERDA) wurden im Knorpel (femorale und tibiale Kondyle des Hausschweins) im Querschnitt die zweidimensionalen Verteilungen der Knorpelelemente (H, C, N, O, P, S, Cl, K und Ca) aufgenommen sowie die Konzentrationen in ausgewählten Zonen bestimmt. Ergänzend wurde mit STIM die Dichteverteilung im Knorpel untersucht. Es gelang auch mit STIM, erstmalig kollagene Fasern in ihrer, bis auf den Wasserentzug natürlichen, Umgebung im Knorpel und damit unverändert in ihrer Anordnung sichtbar zu machen (keine chemische Demaskierung nötig). Die Ergebnisse wurden mit NMR- und polarisationsmikroskopischen Untersuchungen verglichen und in ihrem Zusammenhang mit den histologischen Knorpelzonen diskutiert. In den NMR-hypointensen Zonen fanden sich eine erhöhte Chlorkonzentration und punktförmige Calciumanreicherungen. Diese Zonen waren (im gefriergetrockneten Zustand) durch eine, bis zu einem Faktor vier höhere Dichte gekennzeichnet, die im maximalen Gehalt der Matrixelemente, H, C, N, O, (höchste Kollagendichte) begründet liegt. Im tibialen Knorpel konnten in der NMR-hypointensen Zone radial verlaufende einzelne Kollagenfasern nachgewiesen werden. Im femoralen Knorpel wurden in dieser Zone keine Einzelfasern nachgewiesen. Es deutete sich eine tubuläre Anordnung der Kollagenfasern an. In der hypertrophen Zone zeigten sich hohe Konzentrationen an Phosphor (Zellorganellen), Schwefel (Proteoglykane), Kalium (alkalisches Milieu) und Calcium (Vorstufe der Kalzifizierung). Die Chlorkonzentration hatte dort ihr Minimum. In dieser Zone verlaufen die Kollagenfasern radial und münden senkrecht in den Kalkknorpel. In der Tangentialfaserschicht wurde eine erhöhte Konzentration an Calcium und Phosphor beobachtet (Einlagerung von Calciumphosphaten). In dieser Zone wurden tangential verlaufende Kollagenfasern und ihr Übergang zur stärkeren Vernetzung mit teilweise arkadenförmiger Überstruktur sichtbar gemacht. Zur genaueren Aufklärung der dreidimensionalen Anordnung der Kollagenen Strukturen wurden erste Experimente zur STIM-Tomographie durchgeführt.

This thesis paper examines the feasibility of using external-beam PIXE to study the surface enrichment effect in metal artifacts. By varying the energy of the incident proton beam, we penetrated the artifact's surface to different levels and were able to produce a depth profile of the elemental composition of the sample. In this study, the sample set we chose to examine consisted of ancient and modern coins. This paper first describes the surface enrichment effect and theoretically how PIXE can be used to study it. It then details the construction of the components of the external-beam setup. Many of the refinements of the hardware and experimental methods are discussed. It recounts the means of calibration of the detector and analytical tools. Finally, an accounting of the research performed on several coins is set forth, along with data showing the effectiveness of PIXE in complementing other methods of elemental analysis. We found that PIXE revealed statistically significant differences in concentrations of modern coins at the two beam energies we used. Ancient coins did not have similarly significant discrepancies between the two beam energies. The modern coin data suggested depletion in copper in copper-silver and copper-gold alloys, which is consistent with predictions of the theory of the surface enrichment effect. We suggest that the ancient coins are so deeply corroded that the PIXE beam is unable to penetrate adequately to observe surface enrichment. Comparison of our PIXE data to XRF and SEM data suggest that the trends we observed in modern coins are verified by the other methods. We therefore assert that external-beam PIXE is an effective tool for studying the surface enrichment effect, though with the beam energies available at Brigham Young University, the study must be limited to fairly modern coins.

A review of the main natural dyes (particularly yellow flavonoids and red anthraquinones) and proteinaceous substrates used in Historical Tapestries and North American porcupine quill work was undertaken, and is summarised in Chapter 1. The analysis of natural dyes which have been used on museum artefacts other than textiles has received little systematic study, particularly those of non-European origin. In this research, the use of Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC) for study of natural dyes found on historical textiles and ethnographical objects decorated with porcupine quill work is explored; this required a transfer of existing analytical protocols and methodology. The advantages of using Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC) was evaluated through a method development based on the separation and quantification of ten flavonoid and anthraquinone dyes as described in Chapter 2. These methods were then applied to the characterisation of the dye sources found on a group of sixteenth century historical tapestries which form an important part of the Burrell Collection in Glasgow and are believed to have been manufactured in an English workshop (Chapter 3) and also to the analysis of some late nineteenth century North American porcupine quill work from a collection owned by National Museums Scotland (Chapter 5); allowing exciting conclusions to be drawn in each case about the range of dyestuffs used in their manufacture. The second aim of this research was the development of methodology for the non-invasive quantification of metal ion residues on porcupine quill substrates. This was achieved through a comparative study of reference porcupine quills prepared in-house with dyebaths containing a range of metal ion concentrations (copper and tin). The concentration of metal ions sorbed by the porcupine quills was then quantified with Inductively Coupled Plasma (ICP) coupled to Optical Emission Spectrometry (OES) and non-invasive Particle Induced X-Ray Emission analysis (PIXE) coupled with Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) as described in Chapter 4. The responses provided by the different methods were compared and they were then applied to the study of micro-samples collected from mid-nineteenth century Northern Athapaskan porcupine quill work. Unexpectedly, the use of UPLC analysis and RBS-PIXE analysis allowed the characterisation of traded European natural dyes used with metallic mordants (copper and tin) on these samples, highlighting how European contact impacted on traditional Athapaskan porcupine quill work in the late nineteenth century (Chapter 5).