Les nanoparticules (NPs) manufacturées sont définies comme étant des matériaux d’origine anthropique, de taille inférieure à 100 nm dans au moins une de leur dimension. Leur petite taille leur confère des propriétés physico-chimiques particulièrement intéressantes pour de nombreuses applications industrielles ou médicales et il est donc inévitable que ces matériaux se retrouvent dans l’environnement, créant alors le besoin de les détecter, de les identifier et de les quantifier.

Objectifs

Développer les compétences techniques nécessaires à la mise en route de nouveaux moyens analytiques de caractérisation des NPs en milieux liquides (A4F-UV-MALS/ICP-MS et spICP-MS)

Evaluer les performances métrologiques de ces deux techniques et envisager leur couplage

Résumé et premiers résultats

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Très peu d’études se sont intéressées à ce jour à la question de la présence des NPs manufacturées dans les eaux naturelles, du fait de l’absence de méthodes analytiques adaptées au large spectre de NPs qui peuvent être rencontrées, aux faibles concentrations attendues dans les milieux aquatiques et à la complexité des matrices environnementales.

La mise en œuvre, avant la mesure, de la technique de fractionnement par couplage flux-force (FFF ou A4F) s’avère pertinente comme méthode séparative dans le cas de matrices complexes (environnementale, agroalimentaire, cosmétique, …). Via son couplage à différents types de détecteurs (UV, fluorescence, spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS), diffusion de lumière statique MALS ou dynamique DLS), cette technique permet par ailleurs d’accéder de façon directe à de nombreuses propriétés des nano-objets (concentration de particule en nombre, taille, distribution en taille, forme, état d’agrégation et/ou d’agglomération, composition élémentaire) qu’il est important de pouvoir caractériser dans un cadre réglementaire ou pour évaluer leur interaction avec l’environnement ou un organisme vivant. Les fractions séparées de l'échantillon peuvent par ailleurs être collectées et analysées « off-line » par des techniques complémentaires, telles que la microscopie électronique par balayage (MEB), en transmission (MET) ou la microscopie à force atomique (AFM), qui apportent de nouvelles informations, notamment sur la forme et la taille des particules.

La spectrométrie de masse à source à plasma induit, utilisée en mode comptage individuel (spICP-MS), est quant à elle une technique en développement ayant le potentiel d'apporter des réponses en terme de composition, de quantité et de distribution en taille des nanoparticules métalliques en suspension dans des matrices aqueuses pour des faibles concentrations pertinentes du point du vue environnemental. Dans les deux cas cependant, il reste encore beaucoup de développements à réaliser du point de vue de la métrologie pour fiabiliser les résultats qui peuvent être obtenus.

Ce projet vise à développer au LNE les compétences techniques nécessaires à la mise en route de nouveaux moyens analytiques de caractérisation des NPs, basés sur les deux techniques A4F-UV-MALS-ICP-MS et spICP-MS, afin d’en évaluer les performances métrologiques et les possibilités de couplage. Le projet se focalisera sur les NPs manufacturées de forme approximativement sphérique (SiO2,TiO2, Ag & CeO2) et exploitera deux axes de recherche :

  • la caractérisation des NPs manufacturées en réponse aux besoins de fiabilité appelés par le décret français n° 2012-232 du 17 février 2012 (déclaration annuelle obligatoire des substances à l’état nanoparticulaire imposée aux acteurs industriels et académiques français) et par la recommandation UE du 18 octobre 2011 (définition d’un nanomatériau) ;
  • la caractérisation des NPs manufacturées dans des milieux environnementaux afin de mieux comprendre leur devenir dans l'environnement, ainsi que leur rôle dans le transport des polluants.

Le développement des compétences sur les deux techniques A4F-UV-MALS-ICP-MS et spICP-MS nécessitera initialement l'étude des NPs dans des systèmes simples et/ou modèles, avant de passer à des milieux plus complexes. Des compétences seront par ailleurs à développer dans le cadre du premier axe au niveau de l'étape de préparation des échantillons et de la caractérisation en taille.

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Impacts scientifiques et industriels

  • Renforcement du positionnement LNE dans le domaine émergent des nanosciences, notamment par la mise en œuvre de techniques analytiques en plein essor et actuellement encore peu répandues (A4F et spICP-MS)
  • Evaluation des performances métrologiques des techniques A4F et spICP-MS pour la caractérisation des NPs en milieux liquides
  • Fiabilisation de l’étape pré-analytique en vue de la déclaration obligatoire des substances à l’état nanoparticulaire (décret n° 2012-232 du 17 février 2012)

Partenaires

  • IPGP

Les PBDE constituent une famille de substances chimiques utilisées depuis presque 50 ans pour améliorer le comportement au feu de différents matériaux. Leur synthèse industrielle conduit à la formation de 209 congénères. Ces molécules sont commercialisées sous forme de trois mélanges de congénères désignés par le nom de l’espèce majoritaire qu’il contient : le pentabromodiphényléther (PeBDE), l’octabromodiphényléther (OBDE) et le décabromodiphényléther (DeBDE).

Objectifs

Être en mesure de répondre aux objectifs fixés par la Directive Cadre sur l’Eau (DCE, 2000/60/CE) et sa directive fille QA/QC (2008/105/CE)

Développer une méthode d’analyse de référence unique, reposant sur une méthode primaire associant la dilution isotopique à la spectrométrie de masse, pour tous les PBDE pertinents (BDE-28, -47, -100, -99, -154,- 153, -183 et -209) dans les matrices environnementales  (eau totale, matières en suspension, sédiments)

Résumé et premiers résultats

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D’après les chiffres issus de la Convention de Stockholm (2012), la production mondiale de PBDE a été estimée à plus de 1,3 millions de tonnes sur la période 1970-2005. Ces substances, détectées dans l’environnement dès la fin des années 70, présentent par ailleurs un caractère lipophile (6,64<log Kow<9,97) et une faible dégradabilité qui font d’eux des Polluants Organiques Persistants (POP), toxiques pour l’homme et l’environnement.

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Différents textes ont réglementé l’emploi des PBDE au cours des quinze dernières années (Directive 2003/11/CE, Directive 2002/95/CE dite «RoHS», …). Plus récemment, l’OBDE et le PeBDE ont rejoint la liste des substances chimiques interdites par la Convention de Stockholm (mai 2009). Malgré ces interdictions, les PBDE sont aujourd’hui encore rejetés dans l’environnement lors de l’utilisation et de l’élimination des articles en contenant. Ils sont notamment présents dans l’air, à des concentrations qui varient selon les pays de 0,015 à 103,49 pg/m3, et se retrouvent davantage dans les matières en suspension (MES) et les sédiments (0,09-1163 ng/g de matière sèche) que dans l’eau (0,09-3620 pg/L) du fait de leur faible solubilité. De nombreuses études ont également mis en évidence la présence de PBDE dans la biote et chez les mammifères terrestres avec une contamination due à la fois à l’exposition directe et à la bioaccumulation. L’évaluation de la concentration de ces substances chimiques dans l’environnement s’avère par conséquent nécessaire. Le PeBDE est d’ailleurs classé en tant que substance dangereuse prioritaire et les PBDE intégrés à l’annexe X de la directive 2000/60/CE, communément appelée Directive Cadre sur l’Eau (DCE). Au travers de la Directive QA/QC (2008/105/CE), la DCE a fixé des Normes de Qualité Environnementale (NQE) à ne pas dépasser, dans les eaux de surface pour les congénères constituant le PeBDE (BDE-28, BDE-47, BDE-99, BDE-100, BDE-153, et BDE-154) et prévoit que l’analyse porte sur l’eau totale, c’est-à-dire la fraction dissoute (fraction liquide pouvant contenir jusqu’à 0,5 g/L de MES ou fraction liquide après filtration) et la fraction particulaire (fraction solide après filtration). A ces critères s’ajoutent ceux données par la Directive QA/QC, qui fixe les exigences suivantes : 

  • les limites de quantification (LOQ) doivent être inférieures à 30 % de la valeur des NQE fixées,
  • l'incertitude de mesure à la NQE doit être inférieure ou égale à 50 %.

Cela conduit à des concentrations très faibles à atteindre (< 0,025 ng/L) pour chacun des six congénères réglementés. Compte tenu notamment de la faible solubilité de ces produits, qui rend difficile leur extraction des matrices complexes, les méthodes d’analyse existantes ne satisfont pas les critères de performances analytiques requis dans le cadre de ces deux Directives. Il est donc apparu nécessaire de développer une méthode primaire de référence pour l’analyse simultanée de plusieurs PBDE dans différentes matrices environnementales (eaux et sédiments). Aux PBDE réglementés ont été ajoutés les BDE-183 et -209.

Deux méthodes d’analyse métrologiquement traçables à la mole ont été développées et optimisées :

  • une méthode par GC/MS permettant l’analyse simultanée des BDE-28, -47, -100, -99, -154 et -153 à des teneurs allant de 2 ng/ml à 250 ng/ml suivant le congénère,
  • une méthode par GC/MS-MS permettant l’analyse simultanée des BDE-28, -47, -100, -99, -154, -153, -183 et -209 à des teneur allant de 0,25 ng/ml à 250 ng/ml.

Il est apparu que seule la méthode impliquant la GC/MS-MS est en mesure de répondre aux exigences fixées par la DCE en terme de LOQ à atteindre. Les performances de cette méthode permettent par ailleurs l’analyse des BDE-183 et -209.

Dans le cas des matrices aqueuses, l’extraction sur phase solide (SPE) connue pour être plus rapide et plus faible consommatrice de solvants que l’extraction liquide-liquide (ELL) a été testée. Cela n’a cependant pas permis d’obtenir des taux de recouvrements suffisants (entre 20 et 78 % selon la composition de la phase des cartouches et les BDE considérés) et le choix final pour le développement de la méthode d’extraction sur des eaux synthétiques chargées en acides humiques (Carbone Organique Dissous = 5 et 7 mg/L) s’est porté sur la technique ELL. Cette méthode a pu être validée par une approche interne, ainsi que via une inter-comparaison impliquant d’autres laboratoires de métrologie européens (cf. Projet ENV08).

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Les résultats obtenus montrent que la méthode développée répond aux exigences de la DCE en terme de concentrations à atteindre et d’incertitudes de mesures pour des concentrations à la NQE. Les BDE-183 et –209 peuvent également être déterminés à de faibles valeurs et incertitudes de mesures.

Dans le cas des matrices solides (sédiments), une méthode d’extraction par PLE (méthode accélérée par solvant chaud sous pression) a été développée, optimisée et validée au moyen des Matériaux de Référence Certifiés (MRC) à matrice disponibles. Les résultats obtenus sont statistiquement conformes aux valeurs attendues pour le MRC, seul le BDE-28 ne pouvant pas être caractérisé, les  MRC disponibles ne contenant pas ce congénère.

Deux méthodes de référence primaires, justes et traçables, ont pu être développées et validées pour le dosage d’une large sélection de PBDE réglementés dans les eaux et les sédiments. Ces méthodes répondent aux critères données par la DCE, et la traçabilité métrologique à la mole, unité du SI pour la quantité de matière, est assurée par la mise en œuvre de la Dilution Isotopique. Ces méthodes seront mises à profit pour effectuer des tests de stabilité sur des matériaux de référence et pour fournir des valeurs de référence au cours d’essais d’aptitudes à destination des laboratoires de terrain (notamment dans le cadre du réseau AQUAREF), contribuant ainsi à une amélioration de la qualité des données de surveillance de la qualité de l’eau.

Impacts scientifiques et industriels

  • Dépôt de CMC (Meilleures possibilités d’étalonnages et de mesurages) auprès du BIPM
  • Fourniture de valeurs de référence dans le cadre de la réalisation d’essais d’aptitudes destinés aux laboratoires de surveillance de la qualité de l’eau / Fiabilisation des mesures réalisées dans le cadre du réseau AQUAREF

Publications et communications

CABILLIC J., PHILIPP R., SCHIEL D., EMTEBORG H., GOENANA-INFANTE H. et LALERE B., “Joint Research Project ENV08 “Traceable measurements for monitoring critical pollutants under the European Water Framework Directive (WFD) 2000/60/EC”, 15e Congrès international de métrologie, Paris, France, 3-6 octobre 2011.

LALERE B., LARDY-FONTAN S., CABILLIC J., LEDIOURON V. et  PEIGNAUX M., « Méthodologie et métrologie pour l’acquisition de mesures quantitatives fiables à l’état traces dans l’environnement », Colloque du DIM Analytics, Paris, France, 18–19 avril 2013.

CABILLIC J., HEIN S., LEHNIK-HABRINK P., CALABRETTA E., POTALIVO M., BELLI M., BILSEL M., GOKÇEN T., CEYHAN GOREN A., CRINA I., BUZUIANU M., LALERE B. et PHILIPP R., “Joint Research Project ENV08 : Traceable measurements for monitoring critical pollutants under the European Water Framework Directive (WFD) 2000/60/EC”, 16e Congrès International de Métrologie, Paris, France, 7–10 octobre 2013.

Le sixième programme d'action communautaire pour l'environnement, adopté par la décision n° 1600/2002/EC du Parlement Européen, a établi la nécessité de réduire la pollution à des niveaux qui minimisent les effets nocifs sur la santé humaine. Un des leviers pour atteindre les objectifs de qualité de l’air fixés par l’UE consiste à agir sur les émissions liées aux transports (aérien, maritime et routier).

Objectifs

Développer des méthodes de mesure primaires pour l’analyse des PGE émanant du relargage de particules des pots d’échappement catalytiques

Résumé et premiers résultats

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Les véhicules automobiles constituent une source majeure de pollution environnementale, à la fois du point de vue des contaminants atmosphériques primaires (CO, NOx, SOx et hydrocarbures), mais également du fait de la libération de nombreux éléments inorganiques lors du processus de combustion. Le mercure (Hg) est naturellement présent dans les combustibles fossiles, alors que les éléments du groupe du platine (PGE) proviennent de l’utilisation des pots catalytiques. Ces métaux (Pt,Pd, Rh) sont en effet utilisés à des teneurs de quelques 1000 mg/kg pour piéger et transformer les polluants primaires ; le rhodium est ainsi majoritairement utilisé pour la réaction de réduction des oxydes d'azote (NOx) alors que les éléments platine et palladium sont actifs pour l'oxydation du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures.

Le projet européen ENV 02, financé dans le cadre du programme EMRP, a pour objectif de proposer des développements nécessaires du point de vue de la métrologie afin de mieux comprendre, mieux mesurer et par conséquent mieux contrôler ces émissions de gaz d’échappement automobiles (particules de suie, PGE et Hg0).

La réduction des émissions secondaires de PGE constitue notamment un enjeu important en termes de santé publique, écologique, mais également économique du fait de la rareté de ces éléments et donc de leurs coûts. L’étude de la cinétique d’émission de PGE en ng/km ne pourra par ailleurs être entreprise que si des méthodes primaires de référence sont développées pour la quantification du Pt, Pd et Rh, afin que la traçabilité métrologique des résultats obtenus par des analyses de routine puisse être assurée. Le LNE intervient plus particulièrement sur le développement de ces méthodes de mesure primaires qui mettent en œuvre la spectrométrie de masse ICP et une approche par Dilution Isotopique (DI) ou ajouts dosés, nécessaires pour assurer une traçabilité métrologique directe à la mole, unité du SI pour la quantité de matière.

La réalisation d’une étude bibliographique a permis d’identifier les interférences problématiques pour l’analyse par ICP-MS des PGE dans les émissions particulaires automobiles. Compte tenu des résolutions théoriques nécessaires pour le dosage de ces éléments, le développement de méthodes primaires relève d’un véritable défi analytique.

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Un protocole préliminaire sur  résine échangeuse de cations a été défini afin d’éliminer les interférences isobariques inhérentes à la matrice constituée par ce type d’échantillons. Ce prétraitement se devait d’être compatible avec la mise en œuvre de la méthode primaire de DI pour le Pt et le Pd et celle des ajouts dosés pour le Rh (élément mono-isotopique pour lequel l’approche par DI n’est pas applicable).

La validation des méthodes a été effectuée principalement sur le matériau de référence (MRC) BCR 723, seul MRC existant avec des teneurs certifiées pour les 3 PGE et dont la matrice est très proche des prélèvements de particules automobiles (poussières de la route prélevées dans un tunnel). Les valeurs obtenues par le LNE sont en très bon accord avec les valeurs certifiées. Les performances requises dans ce projet au niveau des incertitudes (1 % pour le Pt et Pd, et 2 % pour le Rh) semblent cependant, à l’exception du platine, difficiles à respecter pour des teneurs aussi faibles en PGE (quelques ng/g). Les incertitudes relatives obtenues se situent en effet vers 8 à 10 % pour le Rh et Pd et l’homogénéité intrinsèque du matériau de référence BCR 723 n’apparaît pas suffisante pour atteindre les objectifs initiaux. Une procédure d’identification par recherche du Rh, Ir et Os (PGE secondaires) dans les émissions automobiles doit également être établie.

Les procédures développées permettront d’assurer la traçabilité métrologique des résultats de mesure et pourront être utilisées pour la certification des matériaux de référence. Les données ainsi obtenues permettront d’évaluer le taux d’émission de PGE de catalyseurs automobiles dans l’air ambiant.

 

Site du projet :

http://www.ptb.de/emrp/partemission.html

Impacts scientifiques et industriels

  • Fournir aux équipementiers et constructeurs automobiles des méthodes pour mieux caractériser les émissions de polluants inorganiques et contribuer au développement de pots catalytiques plus respectueux de l’environnement
  • Réduire les limites légales fixées pour les polluants atmosphériques provenant des automobiles
  • Certifier des matériaux de référence

Publications et communications

LABARRAQUE G., OSTER C., FISICARO P., MEYER C., VOGL J., NOORDMANN J., RIENITZ O., RICCOBONO F. ET DONET S., “Reference measurement procedures for the quantification of platinum group elements (PGEs) from automotive exhaust emissions”, International journal of environmental analytical chemistry, 95, 9, 2015, 777-789, DOI: 10.1080/03067319.2015.1058931.

Partenaires

  • PTB (All.),
  • BAM (All.),
  • JRC (EC)

Afin d’anticiper l’épuisement des ressources fossiles (pétrole, gaz, charbon) et de réduire les émissions de gaz à effet de serre, les gouvernements actuels encouragent le développement des biocarburants, produits à partir de matériaux organiques non fossiles. La Directive européenne 2009/28/CE promeut ainsi l’utilisation des biocarburants et d’autres énergies renouvelables dans les transports.

Objectifs

Développer des matériaux et des méthodes de référence pour garantir la conformité des mesures portant sur les biocarburants liquides de première génération (bioéthanol et biodiesel)

Résumé et premiers résultats

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En 2007, une force tripartite, composée du Brésil, de l’Union Européenne et des Etats-Unis, a toutefois publié un document (White Paper on Internationaly Compatible Biofuels Standards) mettant en évidence un manque d’harmonisation internationale des normes relatives aux biocarburants de première génération, qui constitue un obstacle à leur circulation sur le marché mondial.

Le développement de matériaux et de méthodes de référence s’avère donc crucial pour assurer la fiabilité des résultats de caractérisation de ces biocarburants liquides de première génération (bioéthanol et biodiesel). Ce constat a conduit plusieurs Laboratoires Nationaux de Métrologie européens à s’associer au sein d’un projet commun (JRP, Joint Research Project), financé en partie par la Commission Européenne et intitulé « Metrology for biofuels ». Les travaux portent à la fois sur les paramètres physiques (masse volumique, viscosité, pouvoir calorifique) et chimiques (impuretés organiques, pH, conductivité) utilisés pour évaluer la qualité du produit. Des méthodes y sont également développées pour déterminer l’origine géographique et organique des biocarburants, afin de combattre les détournements de subventions.

Le LNE, pilote de ce JRP, est intervenu plus particulièrement sur les questions de mesures de pH et de conductivité du bioéthanol, ainsi que sur la caractérisation de masses volumiques, de viscosité et de pouvoir calorifique.

Dans le cas des caractérisations électrochimiques, des mesures de pHe (pH de l’éthanol) ont été réalisées en appliquant un système primaire (cellules de Harned). La méthode a été mise au point pour les tampons phtalate et phosphate dans un mélange eau/éthanol commercial (50 wt%) aux températures de 15 °C, 25 °C et 35 °C, le protocole utilisé étant celui typiquement appliqué pour les solutions aqueuses. La comparaison des résultats obtenus dans l’eau ainsi que dans le mélange hydro-alcoolique étudié a permis de mettre en évidence l’existence d’une «erreur alcoolique», c’est-à-dire l’influence du solvant sur les caractéristiques du tampon. Cela a démontré l’importance d’étalonner les pH-mètres avec des solutions tampons appropriées.

 

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Le potentiel standard E0 de l’électrode de référence Ag/AgCl a été caractérisé dans cette solution eau – éthanol (50 wt%) et les contributions de différents paramètres dans le bilan d’incertitudes sur E0 ont été évaluées en fonction de la température. Il apparaît ainsi que l’impact de la fonction d’acidité sur l’incertitude des mesures de pH décroit avec la température. Les résultats montrent par ailleurs qu’il est possible d’employer ce type de tampon dans des conditions traçables pour obtenir des valeurs de pH avec un bon niveau de confiance.

L’influence de la microstructure des électrodes de référence Ag/AgCl sur leurs caractéristiques électrochimiques a également fait l’objet d’investigations. Une corrélation entre le comportement électrochimique de l’électrode et ses caractéristiques physiques de surface, et en particulier sa porosité, a ainsi pu être mise en évidence. Des suggestions ont pu être proposées d’une part pour l’utilisation de techniques non destructives pour l’évaluation de la porosité des électrodes Ag/AgCl, et d’autre part pour l’évaluation de la réponse électrochimique des électrodes Ag/AgCl en fonction de leur porosité et de la quantité d’éthanol dans le solvant (0, 30, 50 et 70 wt%). Ces résultats ont des conséquences directes quant à l’amélioration de la précision et de la comparabilité des mesures primaires de pH.

La validation de la méthode développée pour la mesure du pHe a été obtenue à travers une comparaison avec la PTB (Allemagne), l’INMETRO (Brésil) et le NMIJ (Japon) sur les deux tampons phtalate et phosphate. Les résultats montrent, à 25 °C par exemple, un écart entre les quatre laboratoires de 0.0031 pH pour le tampon phtalate et de 0.0035 pH pour le tampon phosphate. Ils sont de ce fait très satisfaisants.

Impacts scientifiques et industriels

  • Commission de normalisation concernée BNPe P06 et P08
  • Norme NF ISO 16000-3 (Décembre 2011)
  • Fourniture de valeurs de référence dans le cadre d’essais d’aptitudes impliquant des laboratoires d’essais

Publications et communications

STOICA D., BREWER P.J., BROWN R.J.C. et FISICARO P., “Influence of the preparation method on the electrochemical behaviour of Ag/AgCl reference electrodes”, Electrochimica Acta, 56, 27, 2011, 10009-10015, DOI: 10.1016/j.electacta.2011.08.089.

STOICA D., YARDIN C., VASLIN-REIMANN S. et FISICARO P., “Evaluation of standard potential of Ag/AgCl electrode in a 50 wt% water-ethanol mixture”, Journal of Solution Chemistry, 40, 11, 2011, 1819-1834, DOI: 10.1007/s10953-011-9758-3.

BREWER P.J., STOICA D. et BROWN R.J.C., “Sensitivities of key parameters in the preparation of silver/silver chloride electrodes used in Harned cell measurements of pH”, Sensors, 11, 8, 2011, 8072-8084, DOI: 10.3390/s110808072.

 

LARDY-FONTAN S., CABILLIC J., PEIGNAUX M., STUMPF C., LEPOT B., LEOZ E., MIEGE C. et LALÈRE B., “The usefulness of assignation of reference values in inter laboratories comparisons French demonstrations in the field of environmental survey”, IMEKO TC Conference (TC8 - TC23 - TC24) “Metrological traceability in the globalisation age”, Paris, France, 6-8 avril 2011.

STOICA D. et FISICARO P., “Determination of standard pH values for reference potassium hydrogen phtalates buffer solutions in water-ethanol mixture (50 wt%)”, 15e Congrès international de métrologie, Paris, France, 3-6 octobre 2011.

Partenaires

  • BAM (DE),
  • PTB (DE),
  • DFM (DK),
  • VSL (NL),
  • INRIM (IT),
  • SP (SW),
  • NPL (GB),
  • LGC (GB),
  • TÜBITAK (Turq.),
  • JRC-IRMM (UE),
  • NEL (GB),
  • Université de Rostock (DE),
  • METROSERT (ES)

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En France, le nombre d’individus atteints par la maladie d’Alzheimer est estimé à 860 000, ce qui fait de cette affection un véritable enjeu de santé publique. Cette pathologie est cependant encore mal diagnostiquée, la maladie étant la plupart du temps réellement identifiée au stade de démence, parfois avancée. Cela retarde de façon préjudiciable la prise en charge médicale et médico-sociale des patients et la possibilité de pouvoir disposer d’un diagnostic précoce s’avère donc cruciale.

Objectifs

Développer des méthodes de référence en spectrométrie de masse spécifiques et suffisamment sensibles pour permettre de quantifier des concentrations très basses de biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer

Certifier des étalons de référence et des matériaux de référence avec les méthodes de référence développées

Résumé et résultats

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Actuellement trois marqueurs biologiques du liquide céphalo-rachidien (LCR) semblent pouvoir permettre cette avancée : la diminution de la concentration des peptides Bêta Amyloïdes (1-40 et 1-42), l’augmentation de la concentration de la protéine t-Tau (plus particulièrement d’une forme phosphorylée de cette dernière : P-Tau(181)) et l’hepcidine, marqueur secondaire. Du point de vue analytique, ces marqueurs sont détectables dans le LCR par des techniques immunologiques, de type tests ELISA. Il faut cependant utiliser une combinaison de plusieurs de ces immuno-dosages pour couvrir les différents biomarqueurs nécessaires au diagnostic a minima de la maladie. En parallèle, depuis quelques années, des approches de spectrométrie de masse ciblées et quantitatives permettant de s’affranchir d’outils immunologiques sont développées. Leur utilité ne se résume pas aux méthodes de référence : elles disposent d’un très fort potentiel en biologie clinique où elles sont considérées comme une technologie d’avenir utilisable en routine. Un apport métrologique est nécessaire pour évaluer la justesse des méthodes utilisées en routine, raccorder les résultats aux unités du Système International, les rendre comparables d’une plate-forme analytique à une autre et in fine fournir des mesures plus fiables.

Le LNE est actuellement reconnu pour la fourniture des valeurs de référence dans le cadre d’essais d’aptitude visant à évaluer la qualité des analyses de biologie médicale reposant sur le dosage de petites molécules. Toutefois, la quantification absolue de protéines présente une complexité nettement supérieure en raison de leur grande taille et de leur importante hétérogénéité structurale, qui rend difficile la définition du mesurande (car la protéine tau totale est en réalité constituée d’un mélange de protéines) et la caractérisation métrologique de la pureté des étalons primaires utilisés pour raccorder les résultats au système international d’unités.

L'objectif de ce projet consiste à développer, optimiser et valider des méthodes de référence en spectrométrie de masse ciblée pour la quantification absolue des biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer. Cela concerne en particulier le dosage dans le LCR des formes 1-38, 1-40 et 1-42 des peptides bêta Amyloïdes, de la protéine Tau (Tau totale et P-Tau(181)), mais également d’un marqueur secondaire, l’Hepcidine. Ces thématiques ont fait l’objet d’un travail de thèse, soutenue en 2016.

Les principaux enjeux de ce projet résident dans la capacité à développer des méthodes spécifiques, sensibles pour permettre de quantifier de manière absolue des concentrations très faibles de biomarqueurs (quelques centaines de pg/mL) dans des milieux biologiques complexes.

Une fois ces méthodes de référence validées, elles ont pour vocation d’être utilisées pour certifier :

  • Des étalons internationaux permettant de standardiser et rendre traçables aux SI les résultats obtenus avec les méthodes immunologiques utilisées en routine ;
  • Des matériaux de référence permettant d’évaluer la justesse des méthodes de routine avant et après standardisation.

Les premières méthodes d’analyse des peptides β amyloïdes par spectrométrie de masse utilisaient les techniques MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization) et SELDI (Surface Enhanced Laser Desorption Ionization) couplées à un ToF (Time of Flight). Ensuite, des méthodes LC-MS/MS (Liquid Chromatography coupled to tandem Mass Spectrometry) ont été développées pour la quantification absolue des peptides β amyloïdes Aβ 1-40 et 1-42 principalement. Deux d’entre elles utilisant des protocoles similaires ont été reconnues par le Joint Committee for Traceability in Laboratory Medecine (JCTLM) comme méthodes de référence pour la quantification absolue du peptide Aβ 1-42 par LC-MS/MS. La quantification est basée sur la dilution isotopique par ajout d’un étalon Aβ 1-42 marqué isotopiquement.

Concernant la protéine Tau, une méthode de dosage de 7 peptides de la protéine dans le LCR a été développée par LC-MS/MS sur un spectromètre de masse de type triple quadripôle. Bien que ces 7 peptides ne permettent pas de discriminer les différentes isoformes de la protéine Tau, la méthode a été validée.

Finalement, cette étude a permis d’avancer sur la caractérisation de l’étalon hepcidine dans le but de produire un matériau de référence certifié améliorant la comparabilité du dosage de l’hepcidine.

Impacts scientifiques et industriels

  • Développement de la méthode de dosage de peptides Bêta Amyloïdes par LC-MS/MS.
  • Dosage de la protéine Tau par extraction SPE de la protéine dans le LCR puis digestion par voie enzymatique et quantification par µLC-MS/MS.
  • Travaux en cours sur la caractérisation de deux étalons d’hepcidine issus de synthèses différentes par LC-hrMS et mobilité ionique.
  • Intégration du Working Group IFCC CSF par le LNE

Publications et communications

ELABY C., VIALARET J., BROS P., GABELLE A., LEFEBVRE T., PUY H., HIRTZ C., LEHMANN S., “Clinical measurement of Hepcidin-25 in human serum: Is quantitative mass spectrometry up to the job?”, EuPA Open Proteomics, 3, 2014, 60-67.

BROS P., DELATOUR V., VIALARET J., LALERE B., BARTHELEMY N., GABELLE A., LEHMANN S. et HIRTZ C., “Quantitative detection of amyloidbetapeptides by mass spectrometry: state of the art and clinical applications”, Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (CCLM), 53, 10, 2015, 1483-1493, DOI: 10.1515/cclm-2015-099.

BROS P., VIALARET J., BARTHELEMY N., DELATOUR V., GABELLE A., LEHMANN S. et HIRTZ C., “Antibody-free quantification of seven tau peptides in human CSF using targeted mass spectrometry”, Frontiers in Neuroscience, 9, 2015, 302, 1-8, DOI: 10.3389/fnins.2015.00302.

LEHMANN S., BREDE C., LESCUYER P., COCHO JA., VIALARET J., BROS P., DELATOUR V. et HIRTZ C., “Clinical mass spectrometry proteomics (cMSP) for medical laboratory: What does the future hold?”, Clin Chim Acta,  S0009-8981(16), juin 2016, pii: 30246-7, DOI: 10.1016/j.cca.2016.06.001.

DELABY C., BROS P., VIALARET J., MOULINIER A., DELATOUR V., GABELLE A., LEHMANN S., HIRTZ C., “Quantification of hepcidin-25 in human cerebrospinal fluid using” LC-MS/MS Bioanalysis, 9(4), 2017, 337-347, DOI: 10.4155/bio-2016-0240.

BROS P., JOSEPHS RD., STOPPACHER N., CAZALS G., LEHMANN S., HIRTZ C., WIELGOSZ RI., DELATOUR V.,  “Impurity determination for hepcidin by liquid chromatography-high resolution and ion mobility mass spectrometry for the value assignment of candidate primary calibrators”, Anal Bioanal Chem, 409, avril 2017, 2559-2567,  DOI: 10.1007/s00216-017-0202-4.

BRINET D., GAIE-LEVREL F., DELATOUR V., KAFFY J., ONGERI S. et TAVERNA M., “In vitro monitoring of amyloid β-peptide oligomerization by Electrospray differential mobility analysis: An alternative tool to evaluate Alzheimer's disease drug candidates”, Talanta, 165, 2017, 84-91, DOI: 10.1016/j.talanta.2016.12.011.

DIEPEVEEN L.E., LAARAKKERS C.M.M., MARTOS G., PAWLAK M.E., UĞUZ F.F., VERBERNE KESA, VAN SWELM R.P.L., KLAVER S, DE HAAN A.F.J., PITTS K.R., BANSAL S.S., ABBAS I.M., FILLET M., LEFEBVRE T., GEURTS-MOESPOT A.J., GIRELLI D., CASTAGNA A., HERKERT M., ITKONEN O., OLBINA G., TOMOSUGI N., WESTERMAN M.E., DELATOUR V., WEYKAMP C.W., SWINKELS D.W., « Provisional standardization of hepcidin assays: creating a traceability chain with a primary reference material, candidate reference method and a commutable secondary reference material », Clinical Chemistry and Laboratory Medicine, 2018 doi: 10.1515/cclm-2018-0783

DELATOUR V., PEIGNAUX M., LALERE B. et VASLIN-REIMANN S., « Caractérisation et quantification de peptides pour la protéo-mique quantitative », Adebiotech, Paris, France, 3 octobre 2012.

BROS P., BARTHELEMY N., VIALARET J., BECHER F., GABELLE A., DELATOUR V., LEHMANN S. et HIRTZ C., Comparison of PRM and SRM analytical performances for the quantification of Tau protein in human C”, SMAP 2014 : Congrès français de Spectrométrie de Masse et d’Analyse Protéomique, Lyon, France, juin 2014.

BROS P., DELABY C., DELATOUR V., MOULINIER A., CAZALS G., VIALARET J., LEHMANN S. et HIRTZ C., “Towards a reference method for absolute quantification of hepcidin-25 in serum by mass spectrometry”, Congrès Euromedlab/IFCC, Paris, France, 21-25 juin 2015.

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  • Laboratoire de Biochimie et de Protéomique Clinique de l’IRB (Institut de Recherches en Biothérapie, Montpellier),
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