les éléments en traces : spéciation et outils associés · 2019. 1. 3. · speciation par slrt...

DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules

Saclay

Séminaire Société Française de RadioProtection

Commissariat à l ’Energie AtomiqueDirection de l ’Energie Nucléaire

Département de Physico-ChimieService d’Etude du Comportement des Radionucléides

Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules

C. Moulin et collaborateurs

Les éléments en traces :spéciation et outils associés

15 Septembre 2003

L’exposition chronique des écosystèmes et du publicaux éléments en trace


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Spéciation : détermination des différentes formes sous lesquelles un agent chimique est présent dans un

milieu donné. Chaque forme est définie par :• sa composition chimique et/ou• ses caractéristiques physiques détaillées et/ou• ses effets biochimiques et toxicologiques

Besoin pour des méthodes spectrométriques :

RMN, EXAFS, ES-SM, SLRT, HPLC-ICP/SM

10-2 M 10-6M 10-8M

Importance de ne pas seulement connaître la concentrationmais aussi la spéciation de l’élément pour évaluer son impact


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• sur l'aspect procédé : EXTRACTIONCs -calixarène, Zr - TBP, Ln/An -diamide/BTP

• sur l'aspect environnemental : MIGRATIONU, I avec les matières organiques (substances humiques)

• sur l'aspect biologique : TOXICITEDécorporation des actinides et des lanthanides

Intérêt de la spéciation ?

La forme physico-chimique d'un élément peut impacter


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- Excitation par un laser pulsé- Résolution temporelle du signal de

fluorescence - Elimination des fluorescences

parasites à temps de vie courts

SPECTROFLUORIMETRIE LASER A RESOLUTION TEMPORELLE

BECQUEREL 1871, MAUCHIEN 1982Intensité de

Fluorescence

[U] : 50 µg/l en présence dematières organiques

Principe

Applied Spectroscopy 47, 2007 (1993), Fres. J. Anal. Chem. 361,81 (1998)

Azote (337 nm)Nd-YAG (266-355 nm)colorant, OPO

400 mµ

600 mµ

15 000 mµ

BAG (avec reconnaissance vocale)

et enceinte blindée

Fluorimétrieclassique (sans RT)SLRT

∆t = 1µs

CEA, CNRS, ANDRA, COGEMA,JAERI, Ispra, Karlsruhe, Los Alamos,


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SPECTROFLUORIMETRIE LASER A RESOLUTION TEMPORELLE

- Sélectivité- Sensibilité- Rapidité- Dynamique - Mesure à distance- Spéciation : •[espèces] •stœchiométrie •constante de complexation•degré d’hydratation

Limite enSpéciation

10 M-8

10 M-8

10 M-6

10 M-8

Analytical Chemistry 60, 1296 (1988)Analytica Chimica Acta 253,220 (1989)Analytica Chimica Acta 254,145 (1991)

Radiochimica Acta 61,15 (1993)Limitations : Th, Pu et Np non fluorescents en solution

Avantages

If

Titrage par fluorescence : accès àla stœchiométrie et à

la constante de complexation


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SpéciationMode d ’ionisation doux

Séquençage(protéomique, génomique)

Electrospray SM : Triple quadripôle ou Q-TOF

Fenn et Yamashita 1984Prix Nobel

de Chimie 2002

ElectroSpray – Spectrométrie de Masse (ES-SM)

Introduction directe ou via HPLC

Femtomoles

Access à la masse exacte

Masse 106


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- Multi-élémentaire- Sensibilité et Sélectivité (accès à l’isotopie)

- Analyse structurale- Speciation (organique, inorganique, complexe) (µM)

Avantages

Limitations- Non intrusitivité doit être confirmée (de la phase liquide à la phase gazeuse)

ElectroSpray – Spectrométrie de Masse (ES-SM)


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Les substances humiques : structure inconnueMatières organiques issues de la dégradation des sols

Complexants des radionucléides

Etude

• Site de stockage → Migration/Rétention ?• Environnement → Biodisponibilité

Objectifs

• Quelle est la structure des SH

• Comment se complexent les radionucléides avec les SHAnalyse et Environnement


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Spectre de massecomplexe !

Plus de 1500 pics

Haute-résolution

Possibilité de sélectionner un ion

donné pour le fragmenter(lego inversé !)

Q-TOF IISinusoïde de périodicité 14 u. ⇒

représentatif de groupements CH2

Apport de la spectrométrie de masse haute résolution

m/z

I

Caractérisation des SH


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MS-MSsurpic

à m/z 371

m/z371

m/z283

m/z239

m/z221

m/z177

m/z327

- 44- 44

- 44

- 44- 18

O

O

CH3

m/z = 177

3 étapes(- 3 COOH)

m/z intermédiaires283, 327

O

O

CH3

COOH

HOOCCOOH

HO

HO

OH

m/z = 371

O

O

CH3

HO

HO

OH

m/z = 239- H2O

O

CH3

OHO

O

m/z = 221- COOH

SPECTROMETRIE DE MASSE EN TANDEM ou MS-MSMême procédure

effectuée sur 20 pics différents

m/z

I



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COOH

R1

COOH

HOOCCOOH

HO n

HOOC

COOHHOOC

CH3

m

famille impaire de [M-H]-, R1 = CH3

famille paire de [M-H]-, R1 = NH2

Formule moléculaire générale desacides fulviques

Identification de la structure des SHpar technique expérimentale

Agrégats d’entités carboxyphénoliques

(masse 200-500)liées par liaisons H

SH : Supra moléculeset non macromolécules


Rapid Comm. Mass Spectro. 15, 827 (2001)


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Iode lié de façon covalente sur les groupements aromatiques des SH

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 9500

100

%

200428 18 (2.160) TO254143

165

185185

251

237215

381277 325

289341

355383

393

395401

415

423425

0

500

1000

1500

2000

2500

100 200 300 400 500 600 7000

200

400

600

800

1000

1200

Rapid Comm. Mass Spectro. 15, 827 (2001)Rapid Comm. Mass Spectro 15, 2488 (2001)

pH 7

Sans iode Avec iode

Interaction I-SH

Caractérisation de l’interaction iode – substances humiques

Présence de quantité importante d’iode dans desprélèvements de matières organiques

MEME STRUCTURE IDENTIFIEE PREALABLEMENT PAR MS-MS MAIS AVEC PERTE DE I

60 8 0 100 12 0 140 16 0 18 0 200 22 0 240 26 0 28 0 300 32 0 340 36 0 38 0 40 0 42 0m /z0

10 0

%

fa0 617 1 5 ( 1.282 ) TOF MS MS 40 7.00ES- 10.0406.9

127.1

362.9

3 00.9

275.0

257.0231.0203.0

2 45.0

3 18.9

301.9

344.9

3 19.0

319.93 45.9

361.9

388.8363.9

388.9

389.9

407.8

44

44

44

44

18

4444

O

O

CH3

COOH

HOOC

4

m/z = 407

HO

I

127


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Interaction de l’uranium avec les substances humiques

Spéciation de l’uranium en milieu environnemental mais

chimie de l’uranium complexe

Espèces hydroxylés, carbonates,

polymériques, mixtes

0

20

40

60

80

100

4 5 6 7 8 9pH

% espèces

UO22+

UO2OH+

(UO2)3(OH)5+

UO2(CO3)34-

UO2(CO3)22-

Utilisation de la SLRT pour :

1) caractériser l’ensemble des complexes de l’uranium

2) calculer les cst d’interaction U-SH via titrage à bas niveau

3) évaluer l’effet de la spéciation pour les calculs d’impact


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SPECIATION PAR SLRT DU SYSTEME U-HYDROXOUO2OH+

τ = 80 µs

UO22+

τ = 2 µs

UO2(OH)3-

(UO2)3(OH)5+ (UO2)3(OH)7

-

Identificationspectrale ettemporelle

APPLIED SPECTROSCOPY52, 528 (1998)

Emission de l’état excité(20500 cm-1)

vers les 5 états fondamentaux(0, 855, 1710, 2565, 3420 cm-1)

Stabilisation de l’état excitéavec la complexation :

shift rouge et LMH

Spéciation U


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0

20

40

60

80

100

4 5 6 7 8 9pH

% espèces

UO22+

UO2OH+

(UO2)3(OH)5+

UO2(CO3)34-

UO2(CO3)22-

0

20

40

60

80

100

4 5 6 7 8 9pH

% espèces

UO22+

UO2OH+

(UO2)3(OH)5+

UO2AH

UO2(OH)3AH

UO2(CO3)34-

Impact sur la spéciation de U(VI) en présence de SHProgrammes européens HUMICS et HUPA

Sans M.O.

Déterminationdes constantes d’interaction

par titrage SLRTpour UO2AH : log K = 5.4 et

pour (UO2)(OH)3AH : log K = 6.7

Avec

M.O.Prédominance

de l’espèce mixte(UO2)(OH)3AHà pH neutre

Radionuclide speciation in the environment : a review.Radiochimica Acta 89, 773 (2001)

Interaction U-SH


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Etude

Expliquer pourquoi suite à l’accident de Tchernobyl (1986), plusieurs espèces de champignon étaient fortement

contaminées en 137CsPiste : Une étude préalable (Steglich et al) avait montré que la molécule

Norbadione A contenue dans ces champignons complexe le Cs

Objectifs

Comprendre l’interaction de la Norbadione avec le Cs

Synthétiser la molécule à des fins de décorporation

Collaboration avec DSV/DBJC


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K+

K+

Cs+

Interaction entre Norbadione et CsCollaboration avec DSV/DBJC

Norbadione A: Synthetic Approach to the Bis(pulvinic) Moiety and CesiumComplexation Studies. Angewandte Chemie 42, 1289 (2003)

Etude ES-MS

Interaction avec gpt pulviniqueStœchiométrie 1-1

(Cs piégé par les 2 gpt pulviniqueset entouré par 2 K)

logβ = 4.6Stœchiométrie 1-2(le 2ème Cs remplace 1 K !)

logβ = 9.5


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Etude

Métaux lourds détection et detoxification

• Développement de senseur fluorescent

• Biorémediation

Objectifs

Changer la spécificité calcium d ’une protéine (Calmoduline)

via mutation pour complexer les lanthanides

Calculer les constantes de dissociation

Collaboration avec DSV/DIEP

Toxicologie Nucléaire


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Introduction de Ca → pics

à 930 et 1240 m/z compatible

avec un complexe 1-1 Ca-calmoduline

Kd = 30 µM (en accord avec DC)

ES-MS

1240930

Interaction entre peptides et Ca/LnToxicologie Nucléaire

Collaboration avec DSV/DIEP

Paramecium tetraurelia Calmodulin(CaM)

Binding loop withspecific disulphide bound

Engineering new metal site specificity in EF-Hand like peptides. JBIC 8, 334 (2003)

SLRT Euavec CaM

SLRT Tbavec CaM

Kd=3 µM Kd=0.5µM


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ObjectifsDétermination • de la stœchiométrie,• de la constante de complexation• de la première sphère d ’hydratation et• des paramètres thermodynamiques ∆G,…

via une triple corrélation :chimie - techniques spectroscopiques - modélisation

In fine démarche générique

Comprendre les interactionsentre le DTPA (décorporant)et les radionucléides

EtudesPrgm HC et Toxicologie Nucléaire

NN

N

OH

O

OH

O

O

OHOHO

OH

O

DTPA :acide diéthylène triaminepentacétique


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Eu3+(H2O)n τ = 110 µs

9 molécules H2OStructure symétrique

SPECTROFLUORIMETRIE LASER A RESOLUTION TEMPORELLESphère d’hydratation et structure

5D0 7F2

transition hypersensible

λ (nm)

F(u.a.)

Prgm HC et Toxicologie Nucléaire

0,E+00

2,E+06

4,E+06

6,E+06

8,E+06

1,E+07

0 1 2 3 4 5[DTPA]/[Eu]

Sign

al E

S-M

S du

co

mpl

exe

Eu-D

TPA

0

3000

6000

9000

12000

15000

18000

Sign

al d

e flu

ores

cenc

e du

co

mpl

exe

Eu-D

TPA

Stœchiométrie 1-1

Détermination de la constantede complexation 1022

Régression non linéaire

Eu-DTPA (pH 4) τ = 550 µs

1 molécule H2OStructure dissymétrique

nH20 = 1/τ – 0.6


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ELECTROSPRAY SPECTROMETRIE DE MASSEDe la φ gazeuse à liquide

Corrélation équilibres chimiques et ions détectés en phase gazeuse→ importance pour des systèmes complexes ou inconnus

On the complementary nature of ES-MS and TRLIF for Eu-DTPAspeciation studies. Applied Spectro. (Sept 2003).

Prgm HC et Toxicologie Nucléaire

0,E+00

2,E+07

3,E+07

5,E+07

1 3 5 7 9pH

Inte

nsité

en E

S-SM

0

0,00001

0,00002

0,00003

0,00004

0,00005

Eu3+ + DTPA5- → Eu.DTPA2-

Sr2+ + DTPA4- → Sr.DTPA2-

M + L → ML KML = [ML] / [M] [L]

M + HL → MHL KMHL = [M] [HL] / [MHL]

HmL(n-m)- + H+ → Hm+1L(n-(m+1))- Km+1H = [Hm+1L(n-(m+1))-]/ [HmL(n-m)-] [H+]

[Eu-DTPA]2-

[Sr-DTPA]2-

m/z 238

m/z 268


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Eu–DTPA phase solvatée : modélisation et spectroscopie

Détermination de ∆H, ∆S, ∆G

Eu(H2O)9 + DTPA(aq) Eu-DTPA + 8 H2O

+ + 8

Approche thermodynamique avec calculs ab initio (J.L. Flèche)

Spectre I.R.théorique vs.expérimental

Hydratation en SLRTK en SLRT et ES-SM

Vide Solvaté


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Conclusions

La spéciation au niveau du µM est atteinte

Le couplage techniques séparatives - ICP/MS

doit permettre d’atteindre la nanospéciation (nM)

La modélisation est un atout supplémentaire

pour une approche générique

Poursuite sur des systèmes de plusen plus complexes avec d’autres ML, PF, RN


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Remerciements

Substances humiques : G. Plancque, B. Amekraz, V. Moulin et UMR Evry

Spéciation U : I. Laszak, J.G. Decaillon

Substances humiques – U et I : B. Amekraz, V. Moulin, P. Reiller

DTPA – Eu : B. Amekraz, E. Ansoborlo, J.L. Flèche, V. Steiner, G. Plancque

Norbadione – Cs : M. Desage, T. Le Gall, C. Miokowski, B. Amekraz

Peptide – Ln/Ca : L. Le Clainche, C. Vita, B. Amekraz, G. Plancque, G. Peltier

Communauté européenne (IV et V PCRD), Toxicologie Nucléaire (DSV), DEN/Maîtrise des Risques, DEN/DSOE R& D de base

les éléments en traces : spéciation et outils associés · 2019. 1. 3. · speciation par slrt...

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