Die Herstellung von homogenen Referenzmaterialien ist für die ortsaufgelöste Festkörperanalytik von besonderer Bedeutung. Eine neue Methode zur Herstellung von Referenzmaterialien auf Polymerbasis unter Verwendung von Metallacetylacetonaten wurde entwickelt. Die Elemente Al, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, La, Mg, Pb, Sr und Zn wurden im Spurenbereich eingebracht. Mit µRFA, LA-ICP-MS und LIBS konnte die homogene Elementverteilung in den auf diese Weise hergestellten Polymerschichten und deren Anwendbarkeit zur Kalibrierung von quantitativen Analysen gezeigt werden. Aufgrund der guten Stapelbarkeit der Polymerschichten, konnten diese auch für tiefenaufgelöste Messungen mittels CµRFA erfolgreich eingesetzt werden. Anhand der hergestellten Materialien wurden die Einflüsse verschiedener Messbedingungen bei LA-ICP-MS-Analysen auf das Untersuchungsergebnis evaluiert. Für die Auswertung und Visualisierung der Elementverteilungen sowie deren Kombination mit molekülspektrometrischen Daten wurden, passende Pythonskripte entwickelt.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Einleitung 3 Stand der Forschung 3.1 LA-ICP-MS 3.1.1 Allgemeiner Aufbau 3.1.2 Einflüsse auf das Messergebnis 3.2 Röntgenfluoreszenzanalyse 3.2.1 Allgemeines Prinzip 3.2.2 Besonderheiten der Mikro- und konfokalen Röntgenfluoreszenzanalyse 3.3 Referenzmaterialien 3.3.1 Allgemeiner Zweck 3.3.2 Kalibrierstrategien 3.3.3 Etablierte Materialien für matrixangepasste Standards 3.3.4 Referenzmaterialien auf Basis polymerer Kunststoffe 3.3.5 Zusammenfassung 4 Herstellung von Referenzmaterialien auf Basis strahlenhärtender Lacke 4.1 Hinführung zum Thema 4.2 Herstellung der Acetylacetonat-Komplexe 4.3 Einbringen der Komplexe in die Lackschichten und Bestimmung der Homogenität4.3.1 Präparation der Lackschichten 4.3.2 Probensysteme 4.3.3 Homogenitätsbestimmung 4.3.4 Analyse mit NMR 4.4 Kalibrierreihe 4.4.1 μRFA 4.4.2. LA-ICP-MS 4.4.3 Handheld LIBS 4.4.4 Tiefenprofile 4.5 Multischichtsysteme 4.5.1 Tiefenprofilmessungen gestapelter Lackschichten 4.5.2 Anwendbarkeit für die Tiefenkalibrierung 4.5.3 Temperatureinflüsse auf gestapelte Proben 4.6 Zusammenfassung 5 Einfluss verschiedener Messparameter auf das Ergebnis der LA-ICP-MS-Analysen 5.1 Hinführung zum Thema 5.2 Einfluss auf die Gesamtintensität 5.2.1 Gasflussgeschwindigkeiten 5.2.2 Beurteilung der Schussrate 5.3 Einfluss auf das Austragsverhalten 5.3.1 Skript zur Auswertung der Peakform 5.3.2 Auswertung der Peakform 5.4 Ablagerung von Material auf der Probenoberfläche 5.4.1 Analyse der geklebten Proben 5.4.2 Analyse der gestapelten Proben 5.5 Zusammenfassung 6 Etablierung einer Auswerteroutine 6.1 LA-ICP-MS-Mapping 6.1.1 Einlesen der Daten 6.1.2 Offset-Korrektur 6.1.3 Auswerten von Linienmessungen 6.1.4 Auswertung und Darstellung von Mappings 6.1.5 Clusteranalyse 6.2 Datenkombination verschiedener Analysemethoden 6.2.1 Daten der ultrahochauflösenden Molekülmassenspektrometrie 6.2.2 Probenpräparation 6.2.3 Zusammenfügen der Einzeldaten 6.3 CμRFA-Datenverarbeitung 6.3.1 Einlesen der Daten 6.3.2 Subtraktion und Addition 6.3.3 Darstellung der dreidimensionalen Elementverteilung mit MayaVi 6.3.4 Anpassung des dargestellten Volumens 6.3.5 Datenkorrektur mittels Gaußfit 6.4 Zusammenfassung 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Anhang 8.1 Literatur 8.2 zusätzliche Graphiken und Tabellen 8.3 Pythonskripte 8.4 Geräte und Chemikalien 8.4.1 Chemikalienliste 8.4.2 Geräte und Parameter 8.5 Publikationsliste 8.5.1 Artikel in Fachzeitschriften 8.5.2 Patenteinreichung 8.5.3 Konferenzbeiträge 8.6 Lebenslauf

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.

Durch die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit ist es erfolgreich gelungen die beiden gram-positiven Mikroorganismen Lysinibacillus sphaericus JG-A12 und Lysinibacillus sphaericus JG-B53 unter geregelten und idealen Kultivierungsbedingungen im Bioreaktor in hinreichenden Biomasseausbeuten zu kultivieren. Aus der Biomasse beider Stämme ist es anschließend gelungen, die primären Zellwandkomponenten bestehend aus Membranlipiden, Peptidoglykan mit sekundären Zellwandpolymeren und S-Layer-Proteinen in reiner Form und in guten Ausbeuten zu extrahieren. Diese Zellwandkomponenten wurden dann unter Verwendung von biochemischer und strukturanalytischer Methoden charakterisiert. Dabei ist es erstmals gelungen, die Membranlipide beider genutzter Mikroorganismen in Bezug auf deren Zusammensetzungen der enthalten hydrophoben Fettsäuren und der hydrophilen phosphathaltigen Kopfgruppen zu charakterisieren. Durch die vergleichend durchgeführten Metallbindungsversuche im Batch-Verfahren konnten Bindungspräferenzen intakter Zellen von Lysinibacillus sphaericus JG-A12 und Lysinibacillus sphaericus JG-B53 und deren isolierten Zellwandkomponenten mit den Metallen As, Au, Cd, Eu, Pb, Pd, Pt bzw. U untersucht werden. Dabei konnten sowohl in den Untersuchungen intakter Zellen und der primären Zellwandbestandteile deutlich höhere Metallsorptionsraten und Metallentfernungseffizienzen für Lysinibacillus sphaericus JG-B53 festgestellt werden als dies bei Lysinibacillus sphaericus JG-A12 nachzuweisen war. Dies macht diesen Stamm für potentielle technische Anwendungen als metallselektives biosorptives Material weitaus interessanter. Die Untersuchungen der Einzelkomponenten in Suspension lieferten jedoch nur begrenzt Informationen zur Interaktion der Metalle mit den Schichten wie sie unter natürlichen Bedingungen in der Zelle vorkommen. Daher wurden unter Verwendung der QCM-D erstmals die primären Zellwandkomponenten beider Mikroorganismen (S-Layer und Peptidoglykan) sowie von Referenzlipiden an Grenzflächen erfolgreich im nanoskaligen Bereich abgeschieden und online verfolgt. Dadurch war es möglich vereinfachte Einzelschichtsysteme der gram-positiven bakteriellen Zellwand nachzubilden. In den Untersuchungen konnten stabile Schichten generiert werden, welche vergleichbar zu dem Schichtsystem vitaler Zellen sind. Zusätzlich konnte bei den Abscheidungen der S-Layer-Proteine SlfB und Slp1 der positive Effekt von Polyelektrolytmodifizierungen auf das Rekristallisationsverhalten, die Schichtstabilität und den Bedeckungsgrad auf der technischen Oberfläche aufgezeigt werden. Zur Untersuchung der Metallinteraktion zellulärer Einzelschichtsysteme wurden in dieser Arbeit exemplarisch nach den erfolgreichen Untersuchungen zur Rekristallisation, die S-Layer-Proteine als erste Interaktionsschicht des Gesamtzellsystems mit der QCM-D untersucht. Diese stabilen und intakten Schichten konnten analog zu den Schichtuntersuchungen der reinen biologischen Komponenten und nach den QCM-D Metallinteraktionsstudien mit den S-Layer Strukturen mittels der Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht und bildgebend dargestellt werden. In weiteren spektroskopischen Untersuchungen (TRLFS) der Zellwandkomponenten konnten die lumineszierenden Eigenschaften von Europium ausgenutzt werden, um das Metallbindungsverhalten der einzelnen Komponenten als auch des Gesamtsystems der Zellen beider Mikroorganismen zu bestimmen. Somit konnte Europium als spektroskopische Sonde eingesetzt werden um Rückschlüsse die Biomolekül-Metallwechselwirkungen zu ermöglichen. Dabei konnten vor allem mit den beiden oberflächennahen Zellschichten Lösung teilweise sehr starke Metall-Biomolekül-Wechselwirkungen beobachtet werden.

Sphalerite is, apart from being the main global source of zinc (Zn), also one of the main source for the critical elements indium (In), gallium (Ga) and germanium (Ge), which can be extracted as by-products during Zn mining. In the westernmost part of the Palaeoproterozoic Bergslagen ore province, Sweden, In-anomalies have been reported from sulphide mineralizations. These In-anomalies can be attributed to either pre-ore formation crustal processes manifested by the local (Svecofennian, c. 1.87-1.89 Ga) syn-volcanic mineralisations, or to epigenetic metasomatic events primarily related to younger (c. 1.80-1.79 Ga) granitoids. In this study, sphalerite samples from 19 different mineralisations in westernmost Bergslagen were examined by both electron probe microanalyzer (EPMA) and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS), in order to firstly, measure trace element concentrations, and especially those of the critical element In, Ga and Ge, and secondly, to apply this information to gain new information on the trace element inventory and incorporation mechanisms of sphalerite. The dataset also allows for testing the ore-formation process models, not least in cases of elevated In-contents. Utilization of these two analytical methods also provided the opportunity for a direct spot-to-spot comparison of their performance in detecting trace element concentrations in sphalerite. The results verify the In-enrichment of the area, whereas Ga and Ge only follow crustal abundancies. The concentrations of the other trace elements vary significantly, even at a sample scale. The compositional variation shows several patterns between certain elements, suggesting that their incorporation in the sphalerite lattice was allowed via substitution mechanisms (e.g. In3++(Cu+,Ag+)↔2Zn2+; Fe2++Cd2++Mn2+↔3Zn2+; Cu++Mn2++In3+↔3Zn2+). In contrast, some measured high Cd, Ag and Pb concentrations are attributed to nano (or micro) inclusions of primarily galena. Other elements such as As, Sn, Sb, Se, Au, Tl, Ni, Te and Mo yielded, in almost all the samples, concentrations below the detection limit for both analytical methods. Discrimination methods based on trace element concentrations and distribution of the In-enriched mineralizations suggest that the In-anomalies are most likely related to Svecofennian volcanic to subvolcanic hydrothermal processes, forming mineralisations that were later modified during the Svecokarelian orogeny. Finally, the direct comparison of EPMA results to that of LA-ICP-MS, showed the significantly better performance of the latter method in detecting trace-level concentrations, provided that a proper calibration procedure has been followed. / Sulfidmineralet zinkblände är, förutom att vara den huvudsakliga globala källan för zink (Zn), också ett av de viktigaste värdmineralen för de kritiska metallerna indium (In), gallium (Ga) och germanium (Ge), vilka kan utvinnas som viktiga biprodukter vid zinkbrytning. I den västligaste delen av malmprovinsen Bergslagen i Mellansverige har In-anomalier rapporterats från flera mineraliseringar. Dessa lokala In-anrikningar kan tillskrivas antingen processer verksamma innan och under den vulkaniska aktiviteten, eller senare geologiska händelser relaterade till yngre graniter. I denna studie har zinkblände från 19 olika mineraliseringar i västra Bergslagen karakteriserats med två olika system för mikrokemisk analys; elektronmikrosond (EPMA) och laserablativ induktivt kopplad plasma-masspektrometri (LA-ICP-MS). Detta har gjorts för att mäta spårelementhalter, och särskilt då för de kritiska metallerna In, Ga och Ge. Genom att använda dessa två metoder parallellt gavs också möjligheten till direkta jämförelser mellan dem vad gäller deras kapacitet för spårelementanalys av zinkblände. Resultaten verifierar att detta område är anomalt In-anrikat, medan halterna av Ga och Ge är låga och endast följer genomsnittshalterna för kontinental jordskorpa. Halterna av de övriga spårelementen varierar avsevärt, även på individuell provskala, och visar i flera fall systematiska mönster mellan vissa element. Dessa mönster tyder på att deras införlivande i zinkbländestrukturen gått via flera specifika utbytes-(substitutions-)mekanismer (t.ex. In3++ (Cu+, Ag+) ↔2Zn2+; Fe2+ + Cd2++ Mn2+ ↔3Zn2+, Cu++ Mn2++ In3+ ↔3Zn2+). Däremot kan förhöjda halter av Cd, Ag och Pd tillskrivas nano- (eller mikro-) inneslutningar av framförallt blyglans. Andra element, som As, Sn, Sb, Se, Au, TI, Ni, Te och Mo uppvisade halter under detektionsgränserna för båda analysmetoderna i nästan alla undersökta prov. Bildningsmässiga (genetiska) diskrimineringsmetoder baserade på spårelementhalter kombinerat med de geologiska och spatiella relationerna för de In-anrikade mineraliseringarna tyder på att de senare bildades genom svekofenniska vulkanisk-hydrotermala processer och därefter modifierats under svekokarelsk bergskedjebildning. Slutligen, i den direkta jämförelsen av EPMA gentemot LA-ICP-MS, visade den senare metoden signifikant bättre kapacitet för spårämnesanalys, förutsatt att ett korrekt kalibreringsprotokoll har följts.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'arsenic est un élément présent dans tous les compartiments de l'environnement, et les produits de la pêche représentent une source majeure d'exposition à l'arsenic par le biais de l'alimentation. Même s'il n'existe pas à ce jour de législation sur les teneurs en arsenic dans les aliments en France, les agences gouvernementales évaluent généralement les risques liés à la présence d'arsenic dans les produits de la pêche en se basant essentiellement sur la concentration totale de l'élément, sans tenir compte des différentes espèces présentes ni de leur bioaccessibilité. Par conséquent, le développement de méthodes d'analyse de spéciation revêt un intérêt particulier dans le cadre de l'évaluation des risques. La première partie de ce mémoire présente des informations générales sur les propriétés de l'arsenic, son occurrence dans les différents compartiments de l'environnement et sa toxicité, ainsi qu'une étude bibliographique des méthodes analytiques existantes pour étudier la spéciation de l'arsenic dans les matrices alimentaires, en particulier les produits de la pêche (extraction et séparation/détection). Les différentes approches pour l'évaluation de sa bioaccessibilité et de celle d'autres éléments traces métalliques d'intérêt sont également présentées. La deuxième partie de ces travaux porte sur la validation d'une méthode d'analyse de spéciation des principales espèces d'arsenic dans les produits la pêche (As(III), MA,DMA, As(V), AsB, TMAO, AsC) par couplage entre la chromatographie d'échange d'ions (IEC) et la spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS) après extraction assistée par micro-ondes (MAE). L'évaluation des performances analytiques de la méthode, les contrôles qualités internes et externes mis en place et les différentes applications, en particulier les données d'occurrence des différentes espèces d'arsenic dans les produits de la pêche les plus consommés par la population française sont présentés et discutés. Dans la troisième partie, la bioaccessibilité maximale de l'arsenic et d'autres éléments d'intérêt est estimée à l'aide d'une méthode de lixiviation en ligne (impliquant la mesure en temps réel par ICP-MS de la fraction libérée par les différents fluides digestifs artificiels). La combinaison de ce procédé avec la méthode d'analyse de spéciation validée permet ainsi d'estimer la bioaccessibilité des différentes espèces d'arsenic. / Arsenic is an element present in all compartments of the environment, and seafood constitutes a major source of exposure to arsenic through human consumption. Although there is currently no legislation on arsenic in food in France, government agencies generally assess the safety of food items based solely on the total concentration of the element, without taking into account its different species or their bioaccessibility. Therefore, the development of speciation analysis methods is particularly relevant in the context of risk assessment. The first part of this thesis focuses on the properties of arsenic, its occurrence in the different compartments of the environment and its toxicity, and a literature review of existing analytical methods to study the speciation of arsenic in food matrices, especially seafood products (extraction and separation / detection). Different approaches for evaluating its bioaccessibility and that of other trace metals of interest are also presented.The second part of this work concerns the validation of a speciation analysis method for major arsenic species in seafood (As (III), MA, DMA, As (V), AsB, TMAO, AsC) by coupling ion exchange chromatography (IEC) with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) after microwave-assisted extraction (MAE). Evaluation of the analytical performance of the method, internal and external quality controls in place and applications of the method, particularly occurrence data of arsenic species in seafood most consumed by the French population are presented and discussed. In the third part, the maximum bioaccessibility of arsenic and other elements of interest is assessed using a continuous leaching method (involving the real-time measurement by ICP-MS of the fraction released by the different artificial digestive fluids). By coupling this leaching method with the above validated speciation analysis method, the bioaccessibility of different arsenic species is also assessed.

Une des applications de l’échographie médicale est celle de l’ophtalmologie qui pose de nombreux problèmes spécifiques liés en partie à la faible dimension de l’oeil et à la précision importante que requièrent les mesures intraoculaires. En effet, avec le développement de la chirurgie réfractive qui regroupe ensemble des techniques capables de corriger les erreurs de réfraction et l’avènement des implants intraoculaires, le chirurgien ophtalmologiste est amené à surveiller la tolérance et les effets secondaires de ces implants sur les structures du segment antérieur. L’échographie à haute fréquence apporte la résolution suffisante pour cette tâche. Cependant, le développement de l’échographie 3D permet une extension des applications ophtalmologiques notamment pour le dimensionnement des implants en préopératoire. La modélisation 3D du segment antérieur permet d’étudier le comportement des implants et surtout de dessiner à terme un implant « sur mesure » pour le patient. C’est dans ce contexte que nous présentons une méthode originale de segmentation et de reconstruction 3D du segment antérieur par échographique haute fréquence en utilisant l’ajustement de modèles 3D. Nous utilisons un système échographique 3D de type main-libre, composé d’une sonde échographique haute fréquence, et d’un module de localisation actif comprenant une caméra et des marqueurs infrarouges. Ce système échographique 3D nous permet d’obtenir des images avec des informations de positionnement dans l’espace tridimensionnel associées. Nous avons ainsi pu mettre en place toute une chaîne d’acquisitions et de traitements des images échographiques. Nous créons, à partir d’images échographiques du segment antérieur oculaire, des modèles de référence 3D réalistes. Nous proposons ainsi une méthode d’ajustement de modèles 3D de référence sur des données 3D échographiques via l’utilisation de l’algorithme de recalage ICP. Nous avons également sélectionné et adapté différentes méthodes pour l’évaluation de l’approche de reconstruction proposée. Ces méthodes permettent de mettre en valeur la précision de ces reconstructions. / Ophthalmology is one of the clinical application fields of ultrasound imaging, for which numerous specific issues arise, related in part to the eye’s small anatomical dimensions combined with the high level of accuracy requirements associated with intraocular measurements. Indeed, since the development of refractive surgery including all the techniques dedicated to the correction of refractive errors, as well as the emergence of intraocular lens (IOL), ophthalmic surgeons have to monitor overall acceptance as well as secondary effects related to these implants on the structures of the anterior eye segment. High frequency ultrasound imaging provides the required spatial resolution for this task. However, the development of 3D ultrasound imaging allows for the development of new applications in ophthalmology, for instance pre-operative dimensioning of the lens. 3D modelling of the anterior eye segment therefore allows studying the IOL behaviour and may help designing future personalized IOL tailored for each patient. Within this context, we present an original 3D segmentation and reconstruction method based on 3D models registration, dedicated to the anterior eye segment acquired in high frequency ultrasound imaging. We used a 3D ultrasound free-hand acquisition system, composed of a high frequency ultrasound probe and a localization module based on a camera and infrared markers. This 3D ultrasound system provides images along with associated 3D spatial positioning information. We were therefore able to develop an entire ultrasound images acquisition and processing chain. This allowed us creating realistic reference 3D models from sequences of ultrasound images of the anterior eye segment. We thus propose a method based on the iterative closest point (ICP) algorithm for the registration of the 3D reference models to 3D ultrasound acquired data. We have also selected and adapted various methods for the evaluation of the proposed reconstruction process. These methods highlight the accuracy of the obtained reconstructions.

Ces travaux de thèse sur le fractionnement des produits pétrolier a pour but de mieux caractériser certaines espèces métalliques, principalement le Nickel et le Vanadium. Dans un premier temps, ils ont permis de démontrer que les composés contenant du V et Ni présents dans ces matrices complexes sont essentiellement concentrés dans les fractions les plus polaires, à savoir, les résines et les asphaltènes. En ce qui concerne les composés soufrés, on a constaté qu'ils se concentrent dans les fractions résines et les aromatiques. Il a également été constaté que la teneur en composés contenant du V et Ni qui précipite avec les asphaltènes est linéairement lié au paramètre de solubilité du solvant utilisé pour la précipitation. Et pour des solvants aux paramètres de solubilité proche de 16 MPa0.5, le pourcentage d’asphaltènes soluble est augmenté. On conclut que le pourcentage réel des asphaltènes présents dans un brut est égal au pourcentage d'asphaltènes insolubles, plus un pourcentage d’asphaltènes soluble. On a constaté que ces types d’asphaltènes ont une distribution de poids moléculaire similaire à celle des asphaltènes insolubles, et non un poids moléculaire plus faible. En ce qui concerne la distribution des poids moléculaires des composés du V présents dans les échantillons évalués, au moins trois grandes distributions de poids moléculaires ont été identifiées. Il s’agit des composés de « high molecular weight », « medium molecular weight » et « low molecular weight ». Sur ces distributions, nous trouvons que les composés contenant du V, Ni et S sont, dans les asphaltènes, prédominant dans la fraction HMW et sont caractéristiques des composés nanoagrégés. En ce qui concerne les composés de type MMW, ils ont été observés dans une plus grande proportion dans les maltènes. Il est à noter la présence de composés de type HMW avec les maltènes, ce qui pour les raisons exposées ci-dessus, peut être considérée comme une preuve incontournable de la présence d’asphaltènes soluble dans les maltènes. A propos des méthodes de séparation développées, il a été possible de séparer les différentes distributions de poids moléculaires initialement identifiées chez les maltènes et les asphaltènes. Pour les maltènes, il a été possible d’extraire les différents composés contenant du V et Ni en fonction de leur poids moléculaire HMW, LMW et MMW. Cette extraction a été réalisé en utilisant des extractions liquide-liquide des maltènes dissous dans de l'heptane avec de l’ACN pour extraire les composés à bas poids moléculaire, suivie par une extraction avec du DMF pour extraire des composés MMW. La fraction restante des maltènes est composés surtout de composés HMW.Pour les asphaltènes, 11 solvants ont été évalués pour l'extraction des composés contenant du V et du Ni. Le profil des composés extraits a permis de séparer jusqu'à 4 distributions différentes de poids moléculaire avec du ACN, de l’acétone et du DMF utilisés séquentiellement. En ce qui concerne les composés de HMW, la fraction insoluble après extraction au DMF a un poids moléculaire plus élevé que la fraction soluble. Pour l'influence de la concentration sur la présence des composés contenant du Ni et V de HMW, il a été démontré que même dilué 40.000 fois, une solution asphaltènes (à 25 mg / L) contient toujours des composés de HMW et donc des nanoaggregat d’asphaltènes. Quant à la caractérisation des fractions extraite, seule la fraction correspondant aux poids moléculaires faibles (LMW) a été étudiée. La détermination de la distribution du poids moléculaire par spectrométrie de masse FT ICR MS et la comparaison du chromatogramme par GPC ICP MS suggère que ces composés contenant du V et du Ni présent dans la fraction LMW sont des métalloporphyrines libre avec des structures brutes assez simples. Ces travaux vont permettre d’ouvrir la voie à une caractérisation plus approfondie des différentes fractions obtenus et ainsi de permettre une meilleure connaissance des pétroles lourds. / This PhD work were mainly dedicated to the fractionation of crude oil and petroleum products in order to better caracterize metals compounds (mainly V and Ni) in these complex matrices. It was determined that V and Ni compounds present in the crude oils and residues are concentrated mainly in their more polar fractions, that is to say, resins and asphaltenes. Concerning sulfur compounds, it was found that they are concentrate in the resins and aromatics fractions. All these results were similar to reported in the literature.It was also found the content of V and Ni compounds that precipitate together with the asphaltenes depends linearly of solubility parameter of solvent used for the precipitation of asphaltenes, so, for solvents with solubility parameters close to 16 MPa0.5, the percentage of asphaltene soluble increases. So it can be concluded the true percentage of asphaltenes present in the crude oil is equal to the percentage of insoluble asphaltenes plus the percentage of soluble asphaltenes. For this type of asphaltenes, it was found that they have a molecular weight distribution very similar to insoluble asphaltenes, and not a lower molecular weight, as originally thought (Speight and Mitchell, 1973).With respect to the distribution of molecular weights for the V compounds present in the samples evaluated, at least three molecular weight distributions were identified. Those were identified as compounds with high molecular weight (HMW), medium molecular weight (MMW) and low molecular weight (LMW) following the nomenclature previously reported in the literature. (Desprez et al., 2014).On these distributions, we has found that compounds of V, Ni and S with HMW predominate in the asphaltenes, which is characteristic of nanoaggregate compounds. With respect to the compounds with MMW, these were observed in a greater proportion in maltenes. It should be noted the presence of compounds with HMW in all maltenes evaluated, which for the reasons discussed above, can be considered an unavoidable evidence of the presence of soluble asphaltenes.With respect to the separation/extraction methods developed, it was possible to separate the different distributions of molecular weights initially identified in maltenes and asphaltenes. In the case of maltenes, for the first time in the literature it was possible to extract the various compounds of V and Ni present in these according to their molecular weight. For the separation in maltenes, liquid-liquid extractions on maltene dissolved in heptane were developed. So, with ACN, it has been possible to extract LMW compounds, while extractions with DMF allowed extracting MMW compounds, staying in the remaining maltene mostly compounds with HMW.For the asphaltene extraction, 11 solvents were evaluated. The study of profile obtained to each extract and remanent, allowed to pose a separation scheme that enabled to get up to 4 different molecular weight distributions. These were obtained with ACN, Acetone and DMF used sequentially. It is important to mention it was found that the insoluble fraction gotten with DMF had the highest molecular weight, even in comparison with the HMW asphaltenes soluble in DMF.With respect to the influence of the concentration on the aggregated compounds, it was found that this does not influence on the presence of compounds with HMW. Nanogregate were found in a solution of asphaltenes diluted 40,000 times (25 mg / L).Regarding the characterization of the extracted fractions, only the fraction corresponding to low molecular weights was studied. Determination of the molecular weight distribution by mass spectrometry and comparison of the GPC ICP MS chromatogram with a porphyrin standards, suggests that these V and Ni compounds present in LMW fraction has a structures quite simple. A deeper characterization will be presented in later work. / Se determinó que los compuestos de V y Ni presentes en los crudos y residuos evaluados se concentran principalmente en su fracciones más polares, es decir, resinas y asfaltenos. Con respecto a los compuestos de azufre, se encontró que los mismos se concentran en las resinas y aromáticos. Todos estos resultados fueron similares a lo reportado en la literatura. Igualmente se encontró que el contenido de compuestos de V y Ni que precipitan junto con los asfaltenos depende linealmente del parámetro de solubilidad del solvente usado para la precipitación de los asfaltenos, así para solventes con parámetros de solubilidad cercanos a 16 MPa0.5, el porcentaje de se asfalteno soluble incrementa, por lo que se puede concluir que el porcentaje verdadero de asfaltenos presente en el crudo es igual al porcentaje de asfaltenos insoluble más el porcentaje de asfaltenos solubles. Sobre este tipo de asfaltenos, se encontró que los mismos poseen una distribución de pesos moleculares muy similar a la de los asfaltenos insolubles, y no un peso molecular mucho menor, como se pensaba en un principio. Con respecto a la distribución de pesos moleculares para los compuestos de V presentes en las muestras evaluadas, se identificaron al menos tres grandes distribuciones de pesos moleculares. Las mismas se identificaron como compuestos con alto peso molecular o high molecular weight (HMW en inglés), medio peso molecular o medium molecular weight (MMW en inglés) y bajo peso molecular o low molecular weight (LMW por sus siglas en inglés) siguiendo la nomenclatura reportada previamente en la literatura. Sobre estas distribuciones, encontramos que en los asfaltenos predominan compuestos de V, Ni y S con HMW, el cual es característicos de compuestos agregados. Con respecto a los compuestos con MMW, estos fueron observados en mayor proporción en los maltenos. Es de hacer notar la presencia de compuestos con HMW en todos los maltenos evaluados, la cual por las razones antes expuestas, puede ser considerada una evidencia ineludible de la presencia de asfaltenos solubles. Con respecto a los métodos de separación desarrollados, fue posible la separación de las diferentes distribuciones de pesos moleculares inicialmente identificadas en los maltenos y asfaltenos. En el caso de los maltenos, por primera vez en la literatura fue posible separar los diversos compuestos de V y Ni en función de su peso molecular en HMW, MMW y LMW. La separación si hizo empleando extracciones líquido-líquido a maltenos disueltos en heptano con acetonitrilo para la extracción de compuestos con LMW, seguido de extracciones con dimetilformamida para la extracción de compuestos con MMW, quedando en el malteno remanente de la extracción, mayoritariamente compuestos con HMW. Para los asfaltenos, se evaluaron hasta 11 solventes en la extracción de compuestos de V y Ni. El perfil de los compuestos extraídos, permitió separar hasta 4 distribuciones de pesos moleculares diferentes con ACN, acetona y DMF usados secuencialmente. Con respecto a los compuestos con HMW, se encontró que la fracción insoluble con DMF presenta un mayor peso molecular que los asfaltenos con HMW solubles en estos. Con respecto a la influencia de la concentración en la determinación de compuestos con HMW la caracterización de los compuestos de V y Ni, los mismos fueron determinados aun en una solución de asfaltenos diluida 40.000 veces (25 mg/L). En lo referente a la caracterización de las fracciones separadas, solo fue estudiada inicialmente la fracción correspondiente a bajos pesos moleculares. En la misma, la determinación de la distribución de pesos moleculares por espectrometría de masa y la comparación en el cromatograma por GPC-ICP MS de estándares porfirínicos, sugiere que estos compuestos de V y Ni con LMW son metaloporfirinas simples presentes en el crudo con estructuras bastantes sencillas. Una caracterización más profunda será presentada en trabajo posteriores para esta y las demás fracciones.

Les spéléothèmes (concrétions carbonatées se formant dans les zones karstiques) sont des archives paleo-climatiques reconnues, dont l’intérêt majeur est de pouvoir être datées précisément par la méthode Uranium-Thorium. En revanche, les traceurs traditionnellement utilisés pour reconstruire les climats passés à partir de ces objets géologiques ne sont pas directement quantifiables en termes de paramètres climatiques comme la température moyenne, ou la quantité de précipitation. Les variations des concentrations en éléments traces contenus dans les spéléothèmes ont pu être relié dans certains sites aux changements climatiques passés, mais des doutes existent sur la robustesse de leur signal au sein d’une même grotte et entre différents sites.Nous nous sommes appliqués à déterminer les variations au cours des 50 000 dernières années de plusieurs catégories d’éléments (alcalino-terreux, uranium, et terres rares) dans des stalagmites de deux grottes situées dans le sud de la France (les grottes de Villars en Dordogne et de Chauvet en Ardèche), par spectrométrie ICP-MS. Les spéléothèmes sélectionnés ont déjà été datés et ont enregistré les variations paleo-environnementales à travers les isotopes stables de la calcite. Trois périodes d’étude caractérisées par des changements particuliers sont étudiées: le stade isotopique 3 de la dernière période glaciaire (~50-30 ka), la dernière déglaciation (~20-10 ka) et la fin de l’Holocène (~2-0 ka).Le signal des variations des alcalino-terreux à Villars pendant le stade isotopique 3 est significatif et robuste. La variabilité du strontium notamment, qui provient de processus hydrologiques intra-karst, suit les événements climatiques rapides enregistrés dans l’hémisphère Nord. D’autre part, le comportement de nombreux éléments traces pendant la déglaciation est similaire entre les grottes de Villars et de Chauvet. Enfin, des changements du couvert végétal sont probablement à l’origine des changements synchrones enregistrés par les éléments traces et les isotopes stables de la calcite au cours des deux derniers millénaires à Villars.Par ailleurs, l’étude des coefficients de partition des alcalino-terreux, de l’uranium et des terres rares dans des conditions variées montre l’importante de la variabilité inter-site de leur partitionnement. / Calcareous deposits forming within caves, also known as speleothems, have become acknowledged paleoclimatic archives. One of their main interests is that they can be absolutely dated by Uranium-Thorium methods. However, traditionally used speleothem climatic proxies cannot be directly translated into environmental variables such as the mean annual temperature or the amount of annual rainfall. In some contexts, the variations of trace element concentrations in speleothem calcite could be linked to past climatic changes, but the robustness of trace element signals between speleothems of the same or nearby caves is still questionable.We determined by ICP-MS the concentrations of several families of chemical elements (alkaline-earth metals, uranium, rare-earth elements) in stalagmites from two caves located in Southern France (Villars cave in Dordogne and Chauvet Cave in Ardèche) spanning the last 50,000 years. The selected speleothems had already been dated and their stable isotope profiles had proven to record paleoenvironmental fluctuations occurring during three separate periods: the Marine Isotopic Stage 3 or MIS 3 (~50-30 ka), the Last Deglaciation (~20-10 ka), and the end of the Holocene (~2-0 ka).Variations of alkaline-earth metals recorded in two stalagmites from Villars Cave during MIS 3 are significant and robust. Notably, Sr concentrations follow the rapid climatic changes recorded in the Northern Hemisphere. Furthermore, several trace elements behave similarly during the Last Deglaciation in the Villars and the Chauvet Cave. Finally, changes of the vegetation cover above the cave are likely to have caused the synchronous fluctuations of the trace element and stable isotope contents that happened during the last two thousand years in Villars speleothems.Lastly, the partition coefficients of alkaline-earth metals, uranium and rare-earth elements were measured in different sites and conditions and proved to be very site-dependent.

Os Ormosils pertencem aos sistemas nanoestruturados, apresentando uma grande diversidade de estruturas e permitindo o controle das propriedades dos materiais obtidos. Os Ormosils contribuem ao desenvolvimento de materiais multifuncionais pela sua estrutura flexível (matriz hospedeira), que permite a oclusão de diversas espécies (moleculares, iônicas), a qual pode ser ajustada pela mudança dos grupos funcionais dos silanos precursores. Os filmes dos Ormosils têm potencial aplicação em fitas dosimétricas, janelas inteligentes, selos antifraude, dispositivos fotônicos, filmes fotocatalíticos e dispositivos fotocrômicos. Esta Tese abordou a determinação qualitativa, semiquantitativa e quantitativa dos filmes dos Ormosils (contendo nanopartículas de TiO2, ZnO e Fosfotungstatos ([PW12O40]3)) e aqueles constituídos por uma rede interpenetrante de sílica, sesquisiloxano e hidroxiuretana de poli(dimetilsiloxano) contendo Fosfotungstatos, com potencial aplicação em membranas para células combustíveis e na produção de janelas fotocrômicas. Outro dos materiais analisados constituíram Ormosils ocluídos na matriz de Poli(imidas), com potencial aplicação no armazenamento de Hidrogênio, membranas para células combustíveis e revestimentos isolantes e anticorrosivos.<br /><br /> A quantificação e mapeamento dos elementos fotoativos são relevantes para a melhoria no desenvolvimento destes materiais, entretanto, esta não é uma tarefa trivial devido à natureza intrínseca destes materiais híbridos em que a fase orgânica e a inorgânica estão intimamente ligadas e devido à presença de um grande número de elementos químicos que muitas vezes interferem na análise. Desta forma, estes materiais híbridos se constituem em matrizes complexas de análise e há necessidade de se desenvolver e estudar métodos analíticos específicos. A fim de melhor compreender as propriedades fotocrômicas, anticorrosivas e mecânicas destes materiais, é importante conhecer a distribuição dos silicatos e dos fosfotungstatos no interior dos filmes.<br /><br /> Os Estudos de Interferência da Autoabsorção da Fluorescência de Tungstênio pelos demais elementos nos filmes dos Ormosils, nos induziram a abordar a quantificação por XRF, não somente pelo ponto de vista atômico, senão complementar com a abordagem molecular. O Espalhamento Raman Ressonante de RaiosX mostrouse igualmente importante para entender os fenômenos de interferência observados nestes sistemas complexos. <br /><br /> Foi possível identificar e detectar o dopante Ti na faixa de dezenas de mg.Kg1 , mediante análises de Fluorescência de RaiosX em ângulo rasante (GIXRF) assistida por Radiação Síncrotron. De maneira complementar, análises de Microfluorescência de RaiosX (&micro;XRF) assistida por Radiação Síncrotron possibilitaram conhecer a distribuição espacial do Titânio e Zinco nos Ormosils. Nestas análises XRF não se empregaram materiais certificados para validação, contudo fora preparados no nosso laboratório materiais de referência, com procedimento de preparo similar àquele das amostras usando o método de semiquantificação baseado em Parâmetros Fundamentais. Os resultados de Fluorescência de RaiosX foram validados pelos resultados das análises por ICPOES e Ativação por Nêutrons (INAA). Os diferentes métodos de análise empregados (&micro;XRF, GIXRF, EDXRF, ICPOES, AAS) foram efetivos em precisão e em exatidão na quantificação de Tungstênio e Zinco. Entretanto para o caso de Titânio, somente puderam se considerar os resultados de &micro;XRF e ICPOES. Portanto, serão necessários métodos analíticos adicionais para validar os resultados da concentração deste elemento nos Ormosils. ICPOES e INAA demonstraram serem métodos de referência para os resultados XRF (Laboratório, Radiação Síncrotron) nossos materiais.<br /><br /><br /><br /> / Organically modified silicates or Ormosil are nanostructured systems displaying a wide range of structures, which facilitates the control of properties of materials obtained from them. Ormosil contribute to the development of multifunctional materials because of their flexible structure (matrix host), which allow the occlusion of various species (ionic, molecular), can be adjusted by changing functional groups of precursor silanes. Ormosil films have potential for application to dosimetric tapes, smart windows, antifraud sealing, photonic devices, photocatalytic films, and photochromic devices. In this thesis was investigated qualitative, semiquantitative and quantitative determination of ormosil films (containing TiO2 nanoparticles, ZnO, and phosphotungstates ([PW12O40]3))and those composed of an interpenetrating network of silica, sesquisiloxane, and polydimethylsiloxane hydroxyurethane containing phosphotungstate for use in fuel cell membranes, and production of photochromic windows. It also investigated Ormosil containing phosphotungstate occluded in a polyimide matrix with potential application to hydrogen storage, fuel cell membranes, and insulating and anticorrosion coatings.<br /><br /> Quantification and mapping of photoactive elements are important to promote the development of these materials. However, these are not trivial tasks due to the intrinsic nature of these hybrid materials in which organic and inorganic phases are closely linked and the presence of a large number of chemicals elements interferes with the analysis. Since these hybrid materials constitute complex matrices to analyze, it is necessary to develop and examine specific analytical methods. In order to better understand the photochromic, anticorrosive, and mechanical properties of these materials, it is important to identify the distribution of silicates and phosphotungstates inside the films.<br /><br /> Selfabsorption interference studies of Tungsten XRay fluorescence by the others constituents in the Ormosil films led us to approach quantification by XRF, not only from the atomic perspective, but also to supplement with the molecular approach. XRay Resonant Raman Scattering (XRS) was equally important to explain interference phenomena observed in these complex systems. <br /><br /> It was possible to identify and detect Ti dopant in the range of tens of mg.Kg1 by means of Grazing Incidence XRay Fluorescence (GIXRF) analysis assisted by Synchrotron Radiation. In addition, Microscopic Xray Fluorescence analysis (&micro;XRF) assisted by Synchrotron Radiation enabled the identification of spatial distributions of Titanium and Zinc within ormosils. Since these XRF analyses did not employ certified materials for validation, standards were prepared at our laboratory following a similar protocol to that used to prepare the samples. The semiquantification method based on fundamental parameters was also used, which demonstrated be very useful and efficient. Xray fluorescence results were validated by those obtained from Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICPOES) and Instrumental Neutron Activation Analysis (INAA). The different methods of analysis employed (&micro;XRF, GIXRF, EDXRF, ICPOES, AAS) were effective regarding precision and accuracy in Tungsten and Zinc quantification. In the case of Titanium, however, only &micro;XRF and ICPOES results could be taken into account. Therefore, there is the need for additional analytical methods to validate concentration results for this element in ormosils. ICPOES and INAA proved to be reference methods for results obtained through XRF (Laboratory and assisted by Synchrotron Radiation) for our materials.