Yes / A low concentration poly(acrylamide) sensor has been developed which uses the segmental mobility of another polymer probe with a covalently attached fluorescent marker. Interpolymer complexation with poly(acrylic acid) leads to reduced segmental mobility which can be used to determine the concentration of polymer in solution. This technique could be useful in detecting the runoff of polymer dispersants and flocculants in fresh water supplies following water purification processes. / Funding for the research was kindly provided by the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).

Yes / Interpolymer complexes of homopolymer macromolecules are often described as ‘laddered’ or ‘ribbon’ type structures. The proposition of the existence of these ladder structures seems to us not reasonable and here we examine this hypothesis. To address this we have used polymers enabled for Förster Energy Transfer (FRET). Chromophores bound to a macromolecular backbone can transfer energy across short distances via FRET. The close binding of poly(acrylamide) and poly(acrylic acid) interpolymer complex formation at low pH forms a structure compact enough for significant energy transfer to occur between different chains containing naphthalene and anthracene labels. In the context of the proposition that ladder polymers can form it was surprising that the distance between labels on the same polymer back-bone was equivalent regardless of whether the polymer was complexed or not. The data indicated that the bicomponent structure may be more compact than previously supposed: I.e. the complexes are not ladders composed of extended chains. This evidence suggests formation not of ordered ‘ladder’ systems but colloidal ‘co-globules’. / This work was carried out in part thanks to an EPSRC CASE funded PhD studentship at the University of Sheffield, sponsored by SNF (UK) Ltd.

Inhaled corticosteroids (ICS) are used to address inflammatory illnesses including asthma and COPD, with delivery commonly achieved using pressurised metered dose inhalers (pMDI). Hydrofluoroalkanes (HFAs) have been introduced as an alternative propellant to chlorofluorocarbons (CFCs) to reduce their environmental impact. However, the thermodynamic properties of HFAs are poorly understood and are different to those of CFCs. It is essential, therefore, to characterise the drugs and excipients used in HFA inhalers in order to obtain a comprehensive understanding of the device performance and the therapeutic efficacy. This work has developed different analytical methods to study the complexation between ICS and CD which are added to enhance the solubility of inhaled drugs in pMDI propellant systems providing rational control of suspension vs. solution formulations and hence their dose uniformity and stability. The Nuclear Magnetic Resonance (NMR) method developed has shown weaker complexation between budesonide and the derivatised CDs DIMEB and TRIMEB in organic solvents compared to D2O with the strength of the complex formed being ranked as D2O > MeOD > CDCl3 > CD3CN. The derivatisation of the CD also shows a marked difference in complexation with budesonide with the strength of the association being ranked as DIMEB > βCD > TRIMEB. Studies of various ICS compounds with TRIMEB in the fluorinated propellant HPFP showed the association to be greatest in budesonide, followed by beclomethasone dipropionate, momestasone furoate and fluticasone propionate. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has been used for the detection of corticosteroids in water using thiol functionalised βCD as a complementary study to NMR. This has been utilised to evaluate the host-guest complexes formed and provides further insight into the complexation of the compounds by their inclusion into the CD cavity. The structural data obtained using the NMR and SERS approaches developed have provided a fundamental insight into the physical chemistry of these interactions at a molecular level.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24104号 / 工博第5026号 / 新制||工||1784(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科原子核工学専攻 / (主査)教授 佐々木 隆之, 教授 横峯 健彦, 准教授 小林 大志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la migration des éléments radiotoxiques dans la géosphère, en contexte de stockage géologique futur de déchets nucléaire. Pour mieux comprendre les phénomènes de rétention, nous avons choisi d’étudier la spéciation de l’ion uranyle (modèle d’un ion radiotoxique mobile) sur la silice (modèle d’oxyde) en présence d’acides monocarboxyliques à courte chaîne (un des modèles des matières organiques naturelles et surtout caractéristiques des produits de dégradation de la cellulose contenue dans les déchets technologiques). La démarche adoptée consiste à associer une étude macroscopique et une analyse structurale, afin d’accéder par modélisation, aux valeurs des constantes associées des équilibres de rétention mis en jeu.Les courbes de sorption réalisées en fonction du pH en présence d’acides organiques nous montrent une relation compétitive pour complexer l’ion uranyle entre les ligands organiques et des sites de surface de la silice. D’ailleurs, plus longue est la chaîne carbonée, plus évidente est cet effet de compétition.La caractérisation structurale des complexes de surface formés a été réalisée par ATR – FTIR et par SLRT. Ces deux techniques montrent que la présence d’acides organiques change l’environnement de l’uranyle sorbé par rapport au système uranyle/silice, ainsi un complexe ternaire de surface « silice-uranyle-organique » ne se sorbe qu’en présence d’acide acétique ou propanoïque. La coordination « chelating-bidentate » entre l’uranyle et le carboxylate, est mise en évidence par spectroscopie Infrarouge. L’ensemble de ces données expérimentales permet de simuler de manière très cohérente des courbes de sorption en utilisant le modèle de complexation de surface à capacité constante. / Understanding the migration behaviour of radionuclides is essential for a reliable long-term safety assessment of nuclear waste disposal sites. In this study, we focus on the sorption behaviour of uranyl ion (model of hexavalent actinides) on silica gel (reference oxide presents in soils) in the presence of the simplest monocarboxylic acids (to model the organic matters or to be degradation products of cellulose issued from nuclear industry). Moreover, no investigation has been reported on their interactions in previous studies, while the main part of studies on ternary systems concerns the effect of humic or fulvic substances. In this work, the studies of uranyl ion and acids uptake in sorption systems have been performed by combining the macroscopic sorption data and the spectroscopic informations of the surface complexes. The sorption edges as function of pH for different systems indicate that the increase of organics concentration results in a decrease of uranyl ion retention in the following order: propionate > acetate > formate, which can be interpreted as their complexing capacity with uranyl ion in solution. ATR – FTIR and TRLFS are applied to carry out the structural information of sorbed uranyl ion and carboxylic acids at the silica/electolyte interface. Both techniques show a good agreement that the presence of acids changes the environments of sorbed uranyl and suggest the existence of “silica-uranyl-organic” ternary surface complexe when acetic or propionic acid presents. Infrared spectroscopy shows also that the coordination between uranyl ion and carboxylate group is “chelating-bidentate” coordination type. Based on these structural investigations, the sorption edges are simulated effectively and the reaction constants are then obtained by using the constant capacitance surface complexation model.

Ces travaux de thèse portent sur la synthèse de nouveaux polymères hydrosolubles fonctionnalisés à des fins de complexation des lanthanides et/ou des actinides contenus dans des solutions de dissolution de minerai ou de recyclage.La synthèse d'un nouveau monomère fonctionnalisé par un motif carbamoylméthylphosphonate (cmp) nommé CPAAm6C a été réalisée. L'homopolymérisation par voie radicalaire conventionnelle de ce monomère a ensuite conduit à un matériau à la fois thermosensible et complexant. La présence d'une basse température critique de solution (ou LCST, généralement approximée avec la température de point de trouble) pourrait être valorisée dans le développement d'un procédé de séparation consistant dans un premier temps à complexer les cations en solution aqueuse (température inférieure à la LCST) puis à séparer les complexes polymères/cations formés à l'aide d'une étape de microfiltration (température supérieure à la LCST).Par hydrolyse de la fonction cmp, des polymères porteurs de fonctions acide carbamoylméthylphosphonique ont par ailleurs été préparés et caractérisés : le mhP(CPAAm6C) (monoacide) et hPCPAAm6C (diacide). L'étude de la sorption du gadolinium (lanthanide cible) sur les polymères fonctionnalisés P(CPAAm6C) et hP(CPAAm6C) en fonction de différentes conditions opératoires (concentration de gadolinium ou de polymère, pH, force ionique, température, composition des solutions) a permis de montrer que la sorption impliquait des mécanismes de coordination et/ou d'échange d'ions. Le caractère sélectif des polymères vis-à-vis du gadolinium, du thorium ou de l'uranium a également été mis en évidence. / The work reported in this manuscript deals with the synthesis of new functionalized water-soluble polymers with complexing properties towards lanthanides and/or actinides found in solutions of dissolution or recycling processes.The synthesis of a new functionalized monomer with a carbamoylmethylphosphonate (cmp) moiety, namely the CPAAm6C, was reported. Then, radical homopolymerisation of CPAAm6C was carried out, leading to material combining both thermosensitive and complexing properties. The presence of a lower critical solution temperature (LCST, generally approximated with the cloud point temperature) could be valorized in the development of a separation process in two steps consisting in first complexing the cations in aqueous solution (at a temperature below the cloud point) and then, in a second step, in separating the polymer/cations complexes using microfiltration (at a temperature above the cloud point).Hydrolysis of the cmp group was also considered and led to polymers bearing carbamoylmethylphosphonic acid groups: mhPCAAm6C(CPAAm6C) (monoacid) and hPCPAAm6C (diacid).The study of the sorption of gadolinium (targeted lanthanide) on P(CPAAm6C) and hP(CPAAm6C) functionalized polymers as a function of different operating conditions (concentration of lanthanide or polymer, pH, ionic strength, temperature, composition of the solution) allowed to provide information on the sorption mechanisms (coordination and ion exchange). Selectivity of the polymers toward gadolinium, thorium or uranium was also investigated.

Apatites are a diverse class of phosphate minerals that are important in a great variety of natural and industrial processes. They are, for example, used as raw material in fertiliser production and in the remediation of metal-contaminated soils. Hydroxyapatite Ca5(PO4)3OH, (HAP) and fluorapatite Ca5(PO4)3F, (FAP) are similar to the biological apatite that is the main constituent of mammalian bone and teeth, and they are therefore promising materials for artificial bone and tooth implants. This thesis is a summary of four papers with focus on dissolution and surface complexation reactions of HAP and FAP in the absence and presence of both organic ligands and the natural and commonly occurring iron oxide goethite (α-FeOOH). The dissolution and surface complexation of HAP and FAP was investigated with a combination of different techniques. Potentiometric acid/base titrations and batch experiments were combined with X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) Spectroscopy to generate dissolution and surface complexation models for both apatites. The results from these studies showed that both apatites form surface layers that are different from their bulk compositions when equilibrated in aqueous solutions. The modeling efforts predicted speciation of these surfaces as well as the concentration of the dissolution products in the solution. The interaction between organic ligands and the apatite surfaces was also investigated and the results from this study show that the organic ligands form outer-sphere complexes on the apatite surfaces over a large pH interval, and that this adsorption enhances the dissolution of apatites. The presence of goethite also enhances the dissolution of FAP as it acts as a sink for the phosphate released from FAP. Phase transformation in this system was detected using ATR-FTIR as the phosphate adsorbed to the goethite surface precipitates as FePO4 (s) after approximately 15 days of reaction time. This changes the speciation, and possibly also the bioavailability of phosphate in this two-mineral system.

Ce mémoire est essentiellement consacré à la synthèse électrochimique et à la caractérisation structurale de matériaux composites d'électrode nanostructurés du type polymère fonctionnalisé contenant une dispersion homogène de nanoparticules d'oxydes de ruthénium ou d'iridium, ainsi qu'à l'étude de leurs propriétés électrocatalytiques vis-à-vis de l'oxydation en milieu aqueux de l'arsenic(III) en arsenic(V). La combinaison de l'oxydation électrocatalytique de l'arsenic(III) avec la technique d'ultrafiltration LPR (Liquid phase Polymer-assisted Retention) nous a permis de confirmer tout l'intérêt de cette approche combinée pour éliminer l'arsenic. Dans ce processus, les matériaux nanocomposites à base d'oxyde d'iridium ont montré les propriétés les plus intéressantes, car ils sont capables de catalyser l'oxydation de l'arsénite en milieu neutre et à des potentiels peu positifs. Enfin, les matériaux d'électrode nanostructurés à base d'oxyde d'iridium sont également efficaces pour l'oxydation catalytique à 4 électrons de l'eau en dioxygène et présentent donc un fort intérêt potentiel dans le contexte de la réaction de dissociation de l'eau. Mots clés : oxyde de ruthénium, oxyde d'iridium, nanocomposite, électrocatalyse, arsenic, ultrafiltration, oxydation de l'eau / This work deals with the electrochemical synthesis and structural characterisation of composite nano-structured functionalized polymer electrodes containing a homogeneous dispersion of ruthenium oxide or iridium oxide nanoparticles, and the study of their electrocatalytic properties towards arsenic (III) oxidation to arsenic (V) in aqueous medium. The combination of electrocatalytic oxidation of arsenic (III) with the ultrafiltration technique LPR (Liquid Phase Polymer-assisted Retention) allowed us to confirm the usefulness of this combined approach for arsenic removal. In this process, the nanocomposite materials based on iridium oxide showed the most interesting properties because they are capable of catalyzing the oxidation of arsenite in neutral and slightly positive potential. Finally, the iridium oxide nanostructured electrodes are also effective for the catalytic water oxidation of 4-electrons in oxygen and thus have the potential to be used in the context of the dissociation reaction of water. Keywords: ruthenium oxide, iridium oxide, nanocomposite, electrocatalysis, arsenic, ultrafiltration, water oxidation.

Les polyphénols sont des métabolites secondaires de végétaux abondants dans l’alimentation. Les extraire dans des conditions efficaces et mieux comprendre leurs propriétés physico-chimiques modulant leurs activités possibles dans le tractus digestif, constituent des enjeux scientifiques importants qui sont à la base de ce travail. La première partie porte sur l’enrichissement de l’huile d’olive en polyphénols par transfert direct de ces derniers des feuilles d’olivier à l’huile, sous irradiation ultrasonore en comparaison avec une macération conventionnelle. Après optimisation des paramètres d’extraction, la technique sous-ultrason à 16°C s’est révélée plus efficace que le procédé conventionnel du laboratoire (réacteur de 3 L) à l’échelle pilote industriel (réacteur de 30L). Dans la seconde partie, la réactivité de polyphénols communs et représentatifs des principales classes(rutine, quercétine, catéchine, acide chlorogénique et phénols de l’olive) avec le radical DPPH• et les ions de métaux de transition d’intérêt biologique(FeII, FeIII, CuI, CuII), a été étudiée par spectroscopie UV-visible (études cinétiques), par CLUP-SM (analyse de produits d’oxydation) et au moyen des tests colorimétriques permettant de préciser l’état redox des ions métalliques. L’étude de l’activité antiradicalaire (test DPPH•) en milieu micellaire aqueux a confirmé la capacité antioxydante des polyphénols sélectionnés en présence et en absence de la protéine sérum albumine bovine (SAB) etd’un modèle d’amidon (β-cyclodextrine). L’étude de la capacité des composés phénoliques à complexer les ions métalliques, en solution faiblement acide (pH= 5-6), a suggéré que les flavonols et acides hydroxycinnamiques sont susceptibles de complexer Fe III dès le compartimen tgastrique quand le pH est faiblement acide (1-2 h après le repas). Par contre, l’interaction avec Fe II et les ions du cuivre est probablement négligeable.L’interaction Fe III – polyphénol conduit à des complexes stables (sans oxydation notable du polyphénol) mais peut être inhibée par les interactionspolyphénol-protéine / Polyphénols are plant secondary metabolites which are abundant in the diet. Their extraction using efficient processes and a better understanding of their physico-chemical properties that modulate their possible activities in the gastric tract are important scientific goals which underline this work. The first part deals with the direct enrichment of olive oil in polyphénols of olive leaves under ultrasonic irradiation in comparison with conventional maceration. After optimization of extraction parameters, the ultrasound-assisted process came up as more efficient than the conventional method at laboratory (reactor 3 L) to industrial pilot scale (reactor 30L). In the second part, the reactivity of some polyphenols, both common an representative ot the main classes (rutin, quercetin, catechin, chlorogenic acid and olive phenols) with DPPH radical and transition metal ions of biological interest (FeII, FeIII, CuI, CUII) was studied by UV-visible spectroscopy (kinetic studies), UPLC-MS (analysis of oxidation products) and via colorimetric tests for the determination of the redox state of the metal ions.The study of the antiradial activity (DPPH test) in aqueous micellar medium confirmed the antioxidant capacity of selected polyphenols in the presence and absence of bovine serum albumin (BSA) protein and a starch model (b-cyclodextrin). The study of the ability of phenolic compounds to bind metal ions in weakly acidic solution(pH=5-6), suggested that flavonols and hydroxycinnamic acids are able to complex FeIII from the gastric compartment when pH is slightly acid (1-2 h after the meal). However, interaction with FeII and copper ions is probably negligible. Interaction FeIII-polyphenol leads to stable complexes (without significant oxidation ot he polyphenol), but can be inhibited by the polyphenol-protein interactions

Les travaux de thèse ont porté sur l'étude de la complexation de métaux lourds par des molécules supramoléculaires qui offrent un moyen facile de détection de ces polluants qui présentent un caractère de toxicité élevé (mercure, plomb, cadmium…..) et sont des polluants des eaux courants. Le durcissement des réglementations concernant les seuils admissibles de polluants nécessite la mise au point de moyens de détection sensibles et de mise en œuvre facile associée à un coût réduit. L’étude est basée sur une famille de calixarènes modifiés par un groupe azoïque qui permet une détection visuelle directe de la présence de métaux lourds par un changement de couleur. Une première étape a porté sur la caractérisation des changements de propriétés optiques (couleur: absorption optique, mais aussi fluorescence) induite par l'ajout des cations métalliques à une solution des calixarènes qui a permis de valider la pertinence du protocole expérimental. Une deuxième étape a porté sur la réalisation des couches minces de calixarènes sur un support pour la réalisation de capteurs optiques. La possibilité de détection en phase dense a pu être démontrée. La détection par fluorescence des sondes calixarènes s'est avérée particulièrement intéressante pour le développement de capteurs chimiques parce que d'une part le signal est bien isolé et d'autres part en raison de la grande sensibilité de cette réponse. La troisième étape a porté sur la réalisation et l'optimisation d’un capteur chimique à réponse optique. Deux types de récepteurs calixarènes aptes à détecter des polluants, révélés par un changement de couleur caractéristique lors d’une simple immersion dans une eau à analyser, ont ainsi pu être sélectionnés / The thesis focused on the study of the complexation of heavy metals by supramolecular that provide an easy way of detecting these pollutants of a high toxicity (mercury, lead, cadmium ...). The tightening of regulations on allowable levels of pollutants requires the development of sensitive detection means and easy implementation associated with a reduced cost. The study is based on a family of calixarenes modified with an azo group which allows direct visual detection of the presence of heavy metals by a color change. The first phase focused on the characterization of changes in optical properties (color: optical absorption, but also fluorescence) induced by the addition of metal cations to a solution of calixarenes which validate the relevance of the experimental protocol. A second stage involved the realization of thin film on a support of calixarenes for producing optical sensors. The possibility of detecting dense phase has been demonstrated. Fluorescence detection probes calixarenes was particularly interesting for the development of chemical sensors because on the one hand the signal is isolated and on the other hand due to the high sensitivity of this response. The third stage involved the implementation and optimization of a chemical sensor optical response. Two types of receptors calixarenes able to detect pollutants, revealed by a characteristic color change in a simple immersion in a water sample, were able to be selected