Post on 30-Oct-2020
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
• 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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
- 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,
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
- 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)
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
Caractérisation des SH
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
Caractérisation des SH
Rapid Comm. Mass Spectro. 15, 827 (2001)
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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
DEN/DPC/SECR Laboratoire de Spéciation des Radionucléides et des Molécules
Saclay
Séminaire Société Française de RadioProtection
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