Due to their unique properties, engineered nanomaterials are now widely used in numerous commercial products. Cerium oxide (CeO2) nanoparticles (NPs) are among the most commonly used engineered NPs, with applications in surface coatings, catalysis, the manufacturing of semiconductors, biomedicine and agriculture. With the significant increase in the production and use of CeO2 NPs, concern is increasing over their release into the environment and their subsequent fate and toxicity. In order to evaluate their environmental risk, it is necessary to detect, quantify and characterize the NPs in all environmental compartments. Unfortunately, analyses of NPs in natural systems are challenging due to their small sizes, their low concentrations (∼ ng L-1) and the complexity of environmental matrices, which also contain natural colloids. Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (SP-ICP-MS) is a specific and sensitive technique that enables the detection of very low concentrations (∼ ng L-1) of NPs and it can provide information on their number concentrations, sizes, and size distributions. This technique is often limited by high size detection limits (SDL). However, it is especially important to obtain rigorous size, concentration, and fate data for the smallest NPs, since they are expected to have the greatest environmental risk. To that end, the specific objective of this thesis was to develop an improved method for the detection, quantification, and characterization of CeO2 NPs in complex natural waters using SP-ICP-MS. The project was then divided into several objectives: (1) decrease the SDL for CeO2 NPs; (2) optimize the preparation method for natural water samples; (3) apply the preparation and the analysis methods to detect, quantify, and characterize CeO2 NPs in several natural water samples and commercial products, such as a paint and a stain; (4) identify the origin (natural or engineered) of the detected CeO2 NPs; (5) quantify and characterize the release of CeO2 NPs from paint and stain under natural weathering scenarios; and (6) evaluate the effect of different physicochemical conditions (pH, ionic strength, and NOM) on the fate of CeO2 NPs after their release. A high sensitivity sector field ICP-MS (SF-ICP-MS) with microsecond dwell times (50 μs) was used to lower the SDL of CeO2 NPs to below 4.0 nm. While filtration is often used as a preparation method for SP-ICP-MS, its effect on the concentrations and sizes of NPs is unknown. For this purpose, the interactions between six different membrane filters and CeO2 NPs in aqueous samples were examined. The highest recoveries were observed for polypropylene membranes, where 60 % of the pre-filtration NPs were found in a rainwater and 75% were found in a river water. Recoveries could be increased to over 80% by pre-conditioning the filtration membranes with a multi-element solution. Similar recoveries were obtained when samples were centrifuged at low centrifugal forces (≤1000xg). SF-ICP-MS was then used to detect CeO2 NPs in Montreal rainwater, St. Lawrence River water, a paint, and a stain. A significant decrease in the concentrations of CeO2 NPs, initially contained in paint and stain, was measured over time under different conditions, which was attributed to agglomeration and/or dissolution. Finally, when painted and stained panels were placed outside, the released Ce in the precipitation was mainly in the dissolved form with no significant release of CeO2 NPs. / En raison de leurs propriétés uniques, les nanomatériaux manufacturés sont maintenant largement utilisés dans de nombreux produits commerciaux. Les nanoparticules (NPs) de dioxyde de cérium (CeO2) sont parmi les NPs manufacturées les plus couramment utilisées, avec des applications dans les revêtements de surface, la catalyse, la fabrication de semi-conducteurs, la biomédecine et l’agriculture. Avec l’augmentation significative de la production et l’utilisation des NPs de CeO2, l’inquiétude grandit quant à leur rejet dans l’environnement et à leur devenir et toxicité subséquente. Afin d’évaluer leur risque environnemental, il est nécessaire de détecter, quantifier et caractériser les NPs dans tous les compartiments environnementaux. Malheureusement, les analyses des NPs dans les systèmes naturels sont difficiles en raison de leurs petites tailles, de leurs faibles concentrations (∼ ng L-1) et de la complexité des matrices environnementales, qui contiennent également des colloïdes naturels. La spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif en mode particule unique (SP-ICP-MS) est une technique spécifique et sensible qui permet la détection de très faibles concentrations (∼ ng L-1) de NPs en fournissant des informations sur leurs concentrations en nombre, leurs tailles et leurs distributions de taille. Cette technique est souvent limitée par des limites de détection de taille (SDL) élevées. Cependant, il est particulièrement important d’obtenir des données précises sur la taille, la concentration et le devenir des plus petites NPs, qui présentent un plus grand risque environnemental. À cette fin, l’objectif spécifique de cette thèse était de développer une méthode améliorée pour la détection, la quantification et la caractérisation des NPs de CeO2 dans les eaux naturelles complexes à l’aide de SP-ICP-MS. Le projet a ensuite été divisé en plusieurs parties : (1) diminuer la SDL pour les NPs de CeO2; (2) optimiser la méthode de préparation des échantillons d’eau naturelle; (3) appliquer les méthodes de préparation et d’analyse pour détecter, quantifier et caractériser les NPs de CeO2 dans plusieurs échantillons d’eau naturelle et produits commerciaux, telles qu’une peinture et une teinture; (4) identifier l’origine (naturelle ou manufacturée) des NPs de CeO2 détectées; (5) quantifier et caractériser le relargage des NPs de CeO2 de la peinture et de la teinture sous différents scénarios météorologiques; et (6) Évaluer l’effet des différentes conditions physicochimiques (pH, force ionique, et la présence de la matière organique naturelle) sur le devenir des NPs de CeO2 après le relargage. Un ICP-MS à secteur magnétique (SF-ICP-MS) à haute sensibilité avec des temps d’acquisition (i.e. ‘dwell times’) à l’échelle de microsecondes (50 μs) a été utilisé pour diminuer la SDL des NPs de CeO2 à moins de 4.0 nm. Alors que la filtration est souvent utilisée comme méthode de préparation pour le SP-ICP-MS, son effet sur les concentrations et les tailles des NPs est inconnu. Pour cela, les interactions entre six filtres avec des membranes différentes et les NPs de CeO2 dans des échantillons aqueux ont été examinées. Les recouvrements les plus élevés ont été observés pour la membrane de polypropylène, où 60% des NPs de pré-filtration ont été trouvées dans l’eau de pluie et 75% dans les eaux de rivière. Les recouvrements pourraient être augmentés à plus de 80% en préconditionnant les membranes des filtres avec une solution multi-éléments. Des recouvrements similaires ont été obtenus lorsque les échantillons ont été centrifugés à une faible vitesse de rotation (≤1000xg). Le SF-ICP-MS a ensuite été utilisé pour détecter des NPs de CeO2 dans une eau de pluie de Montréal, une eau du fleuve St. Laurent, une peinture et une teinture. En se basant sur le rapport de cérium/lanthane (Ce/La), les NPs de CeO2 détectées dans la pluie sont majoritairement d’origine naturelle alors que celles dans la peinture et la teinture sont manufacturées. Une diminution significative des concentrations des NPs de CeO2, originairement contenues dans la peinture et la teinture, a été mesurée avec le temps, sous l’effet de différentes conditions, ce qui a été attribué à l’agglomération et/ou la dissolution. Finalement, lorsque des panneaux peints et teints ont été placés à l’extérieur, le Ce relargué était principalement sous la forme dissoute, sans relargage significatif des NPs de CeO2.

La caractérisation de nanomatériaux dans des matrices alimentaires et animales suscite un intérêt scientifique important afin d’évaluer les risques potentiels de l’exposition liés à l’utilisation grandissante des nanomatériaux par plusieurs industries, y compris un certain nombre d’applications agroalimentaires. Un facteur limitant à l’étude et la réglementation des nanomatériaux dans des matrices complexes telle que la nourriture est l’absence de méthodes standardisées pour l’extraction et l’analyse de nanoparticules, tout en évitant l’altération de certaines caractéristiques physicochimiques des nanoparticules. Les travaux présentés dans ce mémoire abordent l’optimisation de plusieurs approches de préparation d’échantillon (hydrolyse enzymatique et alcaline) pour l’extraction de nanoparticules d’Ag préalablement équilibrées dans une matrice de boeuf haché mi-maigre. Les nanoparticules extraites ont été analysées par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif en mode particule unique (SP-ICP-MS) permettant la mesure de leur taille et concentration, mais aussi de la concentration en métal dissous, le tout à de très faibles concentrations (de l’ordre du ng/L). La validation de l’analyse par SP-ICP-MS a été réalisée par évaluation de la répétabilité, de la détermination des limites de détection et par une investigation de l’influence du traitement de données sur l’interprétation des résultats. Les pertes de nanoparticules lors de la préparation des échantillons ont été minimisées par l’identification et l’optimisation de paramètres clés tels que la composition du médium d’extraction, l’utilisation d’ultrasons et de la manipulation de l’échantillon après dégradation de la matrice. Les meilleurs recouvrements ont été obtenus par hydrolyse alcaline de la matrice en utilisant de l’hydroxyde de tetramethylammonium (TMAH), mais les échantillons obtenus étaient moins stables et plus susceptibles aux altérations des propriétés physicochimiques des nanoparticules que pour la dégradation par hydrolyse enzymatique utilisant lipase et pancréatine de porc. / The regulation and characterization of nanomaterials in foods and animal matrices are of great interest due to the potential risks associated with their exposure and the increasing number of instances where they are used within the food industry. One factor limiting the scientifically rigorous regulation of nanoparticles in foods is the lack of standardized procedures for the extraction of nanoparticles (NP) from complex matrices, without alteration of their physico-chemical properties. To this end, two sample preparation approaches (enzymatic- and alkaline-based hydrolyses) were tested and optimized in order to extract 40 nm Ag NP, following their equilibration with a fatty ground beef matrix. Extracted NP were characterized using single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (SP-ICP-MS), allowing the determination of NP size and concentrations and also dissolved metal concentrations at trace levels. Validation of the SP-ICP-MS analysis was achieved by an evaluation of the repeatability and accuracy and by a determination of the various detection limits. Finally, we also looked into the influence of data treatment on interpretation of the results. NP losses during the sample preparation were minimized by identifying and optimizing key parameters such as the composition of the extraction media, usage of ultrasonication or the handling of the sample after separation from the undigested matter, among other points. The alkaline approach using TMAH (tetramethylammonium hydroxide) was found to have the highest recoveries, however processed samples were found to be less stable and more prone to alteration of the Ag NP physicochemical characteristics than samples processed using an enzymatic digestion based upon pork pancreatin and lipase.