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WO2022096675A1 - Procede de mesure du potentiel oxydant d'echantillons, notamment d'aerosols, l'appareillage pour sa mise en œuvre et son utilisation pour analyser en ligne la qualite de l'air - Google Patents

Procede de mesure du potentiel oxydant d'echantillons, notamment d'aerosols, l'appareillage pour sa mise en œuvre et son utilisation pour analyser en ligne la qualite de l'air Download PDF

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Publication number
WO2022096675A1
WO2022096675A1 PCT/EP2021/080824 EP2021080824W WO2022096675A1 WO 2022096675 A1 WO2022096675 A1 WO 2022096675A1 EP 2021080824 W EP2021080824 W EP 2021080824W WO 2022096675 A1 WO2022096675 A1 WO 2022096675A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
test
test sample
sample
module
medium
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/080824
Other languages
English (en)
Inventor
Gaëlle UZU
Jean-Luc JAFFREZO
Guilhem FRECHE
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Institut Polytechnique De Grenoble
Institut De Recherche Pour Le Développement
Universite Grenoble Alpes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Institut Polytechnique De Grenoble, Institut De Recherche Pour Le Développement, Universite Grenoble Alpes filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Priority to CN202180075162.XA priority Critical patent/CN116529606A/zh
Priority to EP21807058.9A priority patent/EP4241090A1/fr
Priority to US18/251,975 priority patent/US20240011971A1/en
Publication of WO2022096675A1 publication Critical patent/WO2022096675A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/84—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving inorganic compounds or pH

Definitions

  • TITLE METHOD FOR MEASURING THE OXIDIZING POTENTIAL OF SAMPLES, IN PARTICULAR AEROSOLS, THE APPARATUS FOR ITS IMPLEMENTATION AND ITS USE FOR ONLINE ANALYSIS OF AIR QUALITY
  • the present invention relates to the analysis of the toxicity of ambient environments, in particular aerosols, and more broadly the analysis of the quality of the air, or the toxicity of the vapors emitted by various devices or installations (electronic vaporizers, stoves, vehicles , etc).
  • ROS reactive oxygen species
  • PO oxidizing potential
  • oxidizing potential is also considered to assess the health effects of air quality, or polluting emissions.
  • PO is defined as the ability of a sample to oxidize the lung medium, by generation of reactive oxygen species and/or by consumption of antioxidants. This measurement of PO therefore assesses the ability of polluting particles and gases to generate oxidative stress on the lungs.
  • Current measurements of PO are very generally made from atmospheric samples on filters, then analyzed in the laboratory.
  • filter technology involves a high detection limit, imposes the collection of material in large quantities and therefore requires long exposure times, then filter processing.
  • Yu et al Aerosol science and technology vol.54, 304-320, 2020 describes a semi-automatic analysis of the PO of samples which are however prepared in the laboratory, after the extraction of the filters brought back from the collection site.
  • a single sample is subjected to several consecutive tests, leading to a significant increase in the time required to acquire the results.
  • the detection thresholds must be low enough to allow a determination under conditions generally encountered in the atmospheres of developed countries.
  • the present invention therefore proposes an “on-line” automatic PO measurement method, and the corresponding apparatus.
  • the present invention relates to a method for measuring the oxidizing potential (PO) of a test medium, comprising:
  • test sample or a fraction thereof with a sample of artificial lung fluid, so as to obtain a liquid test sample, Conducting on said liquid test sample one or more parallel quantification tests oxidative potential,
  • the oxidizing potential (PO) designates the ability of a sample to oxidize the lung medium, by supplying or generating reactive oxygen species which consume the antioxidants in the medium.
  • the test medium may in particular be an aerosol.
  • aerosol defines according to the present invention a mixture of particles in suspension in a gas.
  • the particles may be identical or different in terms of their chemical constitution or their physico-chemical characteristics.
  • test medium is the ambient air or the atmosphere at the outlet of a device or installation emitting particles (industrial processes, vehicles, vaporizers, chimneys, etc.) or seeking to clean up ambient air or a device or installation presenting emissions polluting.
  • test medium designates the medium to be tested.
  • test sample designates a sample of the test medium. It therefore contains a gaseous fraction and/or a particulate fraction.
  • the test sample can be analyzed as is.
  • the gaseous phase and/or the particulate phase of the sample can be analyzed alone, thanks to separation processes, in particular separation processes already existing on the market.
  • the test sample or the particulate fraction thereof consists of particles of determined size. Any size fraction can be considered, depending on the method used at the input of the device. According to one embodiment, the sample corresponds to the fraction in PM 2.5 or in PM10 (particles with a diameter of less than 2.5 or 10 ⁇ m, respectively).
  • test sample can be taken by any method, in a reaction chamber, such as a nebulization chamber, for example by aspiration of a determined quantity of the medium to be tested.
  • a reaction chamber such as a nebulization chamber
  • the sample can be taken by a cyclone when the test medium is an aerosol for example.
  • a cyclone makes it possible to obtain an aerosol sample made up of particles in their gas, according to the aerodynamic diameter (Dae) of said particles.
  • the fine particles, of lower inertia move less away from the axis of the cyclone and are driven by an ascending vortex towards an axial outlet located in the upper part of the cyclone where they are collected.
  • the cyclone thus makes it possible to carry out a classification in size of the particles.
  • the flow rate of the cyclone pump can be between 1 and 10 l/min, typically around 5 l/min.
  • the method comprises, after the sampling step and before the mixing step, the step of fractionating the test sample into a gaseous fraction and/or a particulate fraction.
  • This step can be done using a stripper, for example.
  • the fraction may be the PM2.5 particulate fraction.
  • test sample or a fraction thereof obtained in the event of fractionation, as discussed above, is then mixed with a liquid phase mimicking the pulmonary medium.
  • the liquid phase is an artificial lung medium.
  • it is the Gamble solution, described by Marques et al Dissolution technologies 15-28, 2011.
  • Gamble's solution typically includes: - 0.095 g/l of magnesium chloride,
  • Gamble's solution has a pH of 7.4.
  • this pulmonary interstitial fluid is pressed against the walls of the respiratory system thanks to a surfactant, 1,2-dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC).
  • DPPC 1,2-dipalmitoylphosphatidylcholine
  • DPPC 1,2-dipalmitoylphosphatidylcholine
  • the artificial lung medium according to the invention therefore differs in particular from the medium used by Yu et al Aerosol science and technology, 2020 (supra) in that the fluid used by Yu et al ("surrogate lung fluid") is only a mixture of antioxidants whose depletion the authors then measure.
  • the liquid phase can be carried out by nebulization.
  • the nebulization comprises the projection into fine droplets of the artificial pulmonary medium and of the test sample or of a fraction thereof, so as to obtain a liquid phase comprising the particles and/or the soluble gases, mixed in artificial lung medium.
  • the artificial lung medium and the liquid test sample are maintained at conditions representative of physiological conditions, with in particular a temperature between 30 and 40° C., typically around 37° C., and/or a pH maintained between 7 and 8, to 7.4 in particular.
  • the liquid test sample obtained can be a suspension or a solution:
  • the liquid test sample resulting from the mixture is a suspension.
  • “Suspension” means any dispersion of a solid in a liquid.
  • the liquid test sample resulting from the mixture is a suspension.
  • the liquid test sample resulting from the mixture is a solution.
  • the liquid sample thus obtained is then subjected to one or more test(s) to quantify its oxidizing potential.
  • Oxidant potential quantification test means a test measuring the consumption by the test sample of a given antioxidant species.
  • these tests are based on the measurement of the depletion of the antioxidant species when it is brought into contact with the sample to be tested.
  • the depletion of antioxidant species (when it is in excess) is proportional to the concentration of reactive species in the sample tested.
  • a calibrated volume fraction of the sample is used, said fraction being calibrated by sampling with a syringe pump in the reaction chamber.
  • the unused volume being evacuated at the end of the reaction to a recycling bin.
  • test lines typically, at least two different test lines are run in parallel.
  • Each test line comprises the mixing of a determined quantity of the liquid test sample with a determined quantity of the antioxidant species of the test considered.
  • the test lines are based on complementary antioxidant species in that they react in distinct ways to the reactive species of the test medium.
  • AA - ascorbic acid
  • DTT dithiothreitol
  • DCFH dichlorofluorescein
  • RTLF mixture (respiratory tract lining fluid, is a mixture of AA, GSH and uric acid (UE))
  • the reaction mixture considered is generally carried out under physiological conditions (temperature of approximately 37° C., and pH maintained between 7 and 8, at 7.4 in particular), and preferably away from light.
  • physiological conditions temperature of approximately 37° C., and pH maintained between 7 and 8, at 7.4 in particular
  • the incubation of the test sample with the antioxidant species is carried out for a period of between 5 min and 1 h.
  • two pre-measurements are carried out and will be subtracted from the measurement of the sample when calculating its oxidizing potential:
  • a measurement of the intrinsic absorbance/fluorescence of the test sample alone A “blank” measurement of the device which consists in measuring the absorbance/fluorescence of the antioxidant without the presence of the test sample which is replaced by ultra-pure water.
  • the decrease in the concentration of the antioxidant species in the reaction mixture is determined by optical measurement, in particular by spectrophotometry ( absorbance, UV-visible, fluorescence, etc.).
  • the optical data obtained can be retrieved on a computer using the control interface (for example under LabVIEW).
  • the consumption of antioxidant species by the sample is correlated to the concentration of reactive oxygen species in the sample.
  • This concentration of reactive species is then correlated to the PO of the test sample, and ultimately to the medium tested.
  • tests can be implemented by application or adaptation of the methodologies described by Calas et al Scientific reports 7, 1 1617, 2017.
  • the methodology includes first measuring the intrinsic absorbance of the liquid test sample at the desired wavelength, UV or visible, then a quantity of the antioxidant species is injected into the sample. liquid test and in a blank sample (ultra-pure water). In each case, the concentration of the antioxidant species is then quantified at several time intervals after mixing. The remaining quantity of the antioxidant species at the end of the exposure (typically after a reaction time of approximately 30 min with the sample) can either be read directly by absorbance or fluorescence or assayed. Typically, for DTT, the remaining amount can be dosed with 5,5-dithio-bis-(2-nitrobenzoic acid (DTNB).
  • DTNB 5,5-dithio-bis-(2-nitrobenzoic acid
  • the antioxidant species depletion rate (nmol.min ⁇ 1 ) is determined from the linear regression slope of the concentration of the antioxidant species (nmol) vs. the contact time with the sample.
  • the intrinsic absorbance is then subtracted from the final absorbance, and the loss of antioxidant species from the blank (ultra-pure water) is subtracted from the loss of antioxidant species from the sample, in order to obtain the depletion effective of the antioxidant species of the sample.
  • the RTLF test is based on a synthetic mixture containing equimolar concentrations of ascorbic acid (AA), urate (UA) and reduced glutathione (GSH).
  • the GSH analysis is obtained from the analysis of total glutathione and oxidized glutathione (GSSG), by modifying the method described by Baker et al Anal. Biochem. 190, 360-365, 1990, with Ellman's reagent (DTNB, 5,5-dithio-bis-(2-nitrobenzoic acid).
  • DTNB Ellman's reagent
  • TNB yellow thio-2-nitrobenzoic
  • the method according to the invention implements the PO quantification test by measuring the depletion of ascorbic acid (AA), and optionally the PO quantification test by measuring the depletion of dithiothreitol (DTT).
  • AA ascorbic acid
  • DTT dithiothreitol
  • the test is based on AA consumption, followed by UV spectrophotometry (at 265 nm).
  • DTT DTT
  • DTNB 5,5-dithio-bis-(2-nitrobenzoic acid
  • the determination of the oxidizing potential of said test medium is carried out by recalculating the PO of the initial test medium from the PO obtained from the test sample thus obtained.
  • the method according to the invention can be fully automated and carried out on the collection site (“on-line” implementation) of the test sample. It is not necessary to carry out an intermediate extraction of the collected samples, as is required for the samples collected on filter. In fact, the measurement and quantification of PO can be obtained in near real time with a real time objective.
  • the method according to the invention allows a detection limit of the order of 3.10 3 nmol.min -1 for the AA test and of 10 -5 nmol.min -1 for the DTT test.
  • the detection limit is determined as three times the standard deviation of blanks measured with ultrapure water. Expressing the detection limit as a function of the PM mass concentration in the atmosphere is impossible because it depends on the reactivity of the atmospheric mixture present at the time the measurement is made. Thus the device will be able to be sensitive to very low concentrations near a source of very oxidizing particles but higher for places with fewer oxidizing species in the atmosphere. This is why research groups use this common name.
  • the detection limit can also be calculated for known reference compounds found in the atmosphere.
  • the apparatus can detect 5.10 -4 pM of Cu (CuCh solution) for the AA line and 1.10 -4 pM of Cu for the DTT line.
  • detection limits advantageously differ from technologies involving filters which require detection limits typically of the order of 10 -2 nmol.min -1 for the AA test and 10 -3 nmol.min -1 for the DTT test.
  • PO is a health indicator (whose results correlate with toxicological tests on the same samples) of air pollution or emissions.
  • the present invention therefore also relates to a method for determining atmospheric pollution or emissions of gases and/or particles, said method comprising:
  • said correlation may in particular comprise the comparison of the value of the PO thus obtained with the value of samples already characterized.
  • the method according to the invention therefore allows the measurement in real time of the health exposure to atmospheric pollution, that is to say in a period of time of approximately one hour, or less.
  • This reactivity measurement can be associated with several physicochemical properties (composition, size, solubility, speciation, etc.) of the samples, according to the results obtained according to the antioxidant species used for the tests.
  • the ascorbic acid test is indeed selective vis-à-vis metals in particular and the DTT test is sensitive to many organic and inorganic compounds in a balanced way.
  • the method according to the invention finds its application in particular for the monitoring and possibly the forecasting of the air quality by the organizations which carry out these measurements.
  • the present invention also relates to an apparatus for the automatic online determination of the PO of a test medium, comprising:
  • nebulization chamber of at least a fraction of the test sample with a sample of artificial lung fluid to form a liquid test sample
  • At least one test module configured to react the liquid test sample obtained with a reagent
  • said apparatus may further comprise a system configured to power the test module(s):
  • said apparatus may also comprise one or more test modules in parallel, each test module being configured to react the liquid test sample with a respective reagent.
  • the measurement module includes an optical measurement system.
  • said apparatus may also comprise a system configured to circulate a washing solution in the test module(s). tricks
  • Figure 1 shows an operating diagram according to one embodiment of the method and apparatus according to the invention.
  • Figure 2 represents the correlation between the results obtained with the on-line method of the invention, compared to the filter measurement method.
  • Figure 3 represents the reactivity of the test medium (ambient aerosol medium of the laboratory) for different sampling times.
  • Figure 4 represents the response of the device for the AA line for ranges of CuCls between 0.001 pmol.L -1 and 0.01 pmol.L -1 , that is to say concentrations representative of the atmospheric concentrations of copper found in European cities (5-20 ng.m -3 ).
  • Figure 5 represents the response of the device for the DTT line for ranges of CuCls between 0.001 pmol.L -1 and 0.02 pmol.L -1 , that is to say concentrations representative of the atmospheric concentrations of copper found in European cities (5-20 ng.m -3 ).
  • Figure 6 represents measurements of the Oxidizing Potential (AA test, lower curve) as a function of a time scale (month-day), by the method according to the invention (ROS On-line) equipped with a PM2.5 head, located on the roof of the IGE (Grenoble).
  • the colocalized mass measurements (upper curve) are carried out by GRIMM particle counter.
  • Figure 1 illustrates the succession of the following 4 modules:
  • sample preparation module 1 comprising a collection module, for example with a cyclone effect 11 and a nebulization chamber 13;
  • the sample preparation module 1 has the function of preparing a liquid test sample from a medium to be tested, such as an aerosol.
  • a collection module 11 extracts the test sample, for example an aerosol test sample, into a reaction chamber.
  • the reaction chamber can be a cyclone effect module, and extracted from the aerosol medium to test the particles contained therein, depending on the size of the particles.
  • a stripper 12 or high-efficiency air filter may be present between the collection module 11 and the spray chamber 13 to limit the aerosol test sample to either the particle fraction or the gaseous fraction.
  • test sample or a fraction thereof thus collected is led into a nebulization chamber 13 where it is brought into contact with a sample of artificial lung fluid.
  • the liquid test sample thus obtained is then led to the test module 2.
  • a system 16 such as a syringe pump takes the liquid test sample from the outlet of module 1 to the test module.
  • System 16 also draws a sample of reagent stored in reservoir 14 for reaction with the liquid test sample. Control measurements, not represented in FIG. 1, are carried out in parallel.
  • test modules 2 can be present in parallel, each test being conducted with a given reagent.
  • a determined fraction of the liquid test sample is taken by the system 16 to be reacted with a given reagent.
  • test module 2 is advantageously maintained under physiological conditions:
  • the temperature is maintained between 30 and 40°C, typically at about 37°C.
  • the pH maintained between 7 and 8, at 7.4 in particular
  • the system 17 typically a pump, such as a peristaltic pump, conveys the reaction mixture of said test to the measurement module 3.
  • the data can be acquired on a portable broad-spectrum spectrophotometer.
  • the measurement module 3 typically comprises an optical measurement system 19 such as a spectrophotometer for example, making it possible to measure an optical property (such as absorbance or fluorescence for example) of the reaction mixture by means of a light source 18.
  • an optical measurement system 19 such as a spectrophotometer for example, making it possible to measure an optical property (such as absorbance or fluorescence for example) of the reaction mixture by means of a light source 18.
  • the optical measurement ultimately leads to the value of the oxidizing potential of the test medium: It can first of all be correlated with the concentration as a reagent after incubation, according to the Beer-Lambert law.
  • concentration of the reagent in the reaction mixture after incubation can make it possible to determine the depletion of reagent relative to the quantity of reagent injected into the test module 2. This depletion is attributable to the concentration of reactive oxygen species present in the test sample or a fraction thereof. This value can be associated with the oxidizing potential of the mixture tested.
  • the calculation module 4 can also include a data processing system 20
  • a measuring device has been produced, with the following specifications:
  • Measurement frequency 1 integrated measurement over 40 min per hour.
  • Measurement range from 0.05 to 25 nmol of antioxidant AA. min -1 , over a linear range
  • Apparatus blank approx. 5 pmol of antioxidant AA.min -1 Contamination of measurements by hysteresis: less than 3% Autonomy of consumables of the order of 3 to 4 days
  • the aerosol medium to be tested was the ambient air of the laboratory in which the device according to the invention is located.
  • test aerosol sample was taken by a pump and all of the aerosol was taken successively for 10, 20 and 30 min at 5 L.min -1 .
  • the detection limit was measured at 4.1 pmol.min-1 for the AA test.
  • the invention was also deployed in the ambient air of the city of Grenoble for several days.
  • the results are presented in Figure 6.
  • the mass concentrations are particularly low, less than 10 pg/m 3 on average over the last days of the campaign (current European regulations are not to exceed 25 pg/m 3 as an annual average).
  • This last observation is particularly interesting, and shows the sensitivity of the device, the interest of the measurement time step, the low hysteresis of the signal, and the ability to follow “fast” episodes.
  • the “on-line” method according to the invention was also compared with the “offline” methods used to carry out the measurements on filters (typically by plate spectrophotometry), for various atmospheric compounds.
  • the results are shown in Figure 2 for a copper-based compound (CuCls) at concentrations typical of those found in the atmosphere.
  • CuCls copper-based compound
  • the oxidizing potential was measured with the AA test with a plate spectrophometer in the laboratory, or with the invention.
  • the results are similar between the two methods for concentrations between 0.1 and 5 pM of CuCh including extreme values of copper encountered in the atmosphere (correlation close to 1 for 6 points (6 concentrations tested); slope of the straight line of regression close to 1; y-intercept very low).

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Abstract

La présente demande concerne un procédé pour la détermination automatique en ligne et en temps réel du potentiel oxydant d'un milieu, permettant d'analyser la qualité de l'air et/ou la toxicité des vapeurs émises par divers appareils ou installations.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE MESURE DU POTENTIEL OXYDANT D’ECHANTILLONS, NOTAMMENT D’AEROSOLS, L’APPAREILLAGE POUR SA MISE EN ŒUVRE ET SON UTILISATION POUR ANALYSER EN LIGNE LA QUALITE DE L’AIR
La présente invention concerne l’analyse la toxicité des milieux ambiants, notamment les aérosols, et plus largement l’analyse de la qualité de l’air, ou de la toxicité des vapeurs émises par divers appareils ou installations (vapoteuses électroniques, poêles, véhicules, etc...).
La mauvaise qualité de l’air est l’une de principales causes de mortalité dans le Monde, et cet impact sanitaire provient très majoritairement des particules atmosphériques : les espèces réactives de l’oxygène (reactive oxygen species ou ROS) sont apportées par cette pollution et/ou produites dans les poumons par réactions avec les composantes chimiques respirées. Certaines de ces espèces réactives peuvent être neutralisées par les mécanismes de défense cellulaires anti-oxydants. Cependant, elles sont responsables d’un stress oxydatif, lorsque les seuils de défense pulmonaire sont dépassés par la quantité de ces espèces. Ce stress oxydatif est le dénominateur commun des principales maladies cardio-respiratoires observées lors d’une exposition à la pollution atmosphérique.
Dans tous les pays, la réglementation, quand elle existe (et qui est censée protéger les populations de ces impacts) est basée sur la masse des particules atmosphériques (généralement PM10 ou PM2,5 : particules avec un diamètre inférieur à 10 ou 2,5 pm). Or, la masse ne prend pas en compte les principales caractéristiques des PM responsables de leurs effets sanitaires : distribution en taille, chimie, solubilité, état de surface etc.
Ainsi, la mesure du potentiel oxydant (PO) est également considérée pour évaluer les effets sanitaires de la qualité de l’air, ou d’émissions polluantes. Le PO est défini comme la capacité d’un échantillon à oxyder le milieu pulmonaire, par génération d’espèces réactives de l’oxygène et/ou par consommation d’anti-oxydants. Cette mesure du PO évalue donc la capacité des particules et gaz polluants à générer un stress oxydatif sur les poumons. Les mesures actuelles du PO sont très généralement réalisées à partir de prélèvements atmosphériques sur filtres, analysés ensuite au laboratoire.
Cependant, la technologie sur filtre implique une limite de détection élevée, impose la collecte de matière en quantité élevée et nécessite donc de longs temps d’exposition, puis de traitement des filtres.
Par exemple, Weber Samuel et al Atmospheric Chemistry and Physics, vol.18, n°.13, 2018, 9617-9629 ainsi que Calas et al Scientific Reports, vol.7, n°1 , 2017 ou Calas et al vol.18, n+1 1 , 2018, 7863-7875 décrivent des méthodes de mesure comprenant le prélèvement sur filtres et imposant une durée d’exposition longue et des délais incompressibles pour la collecte, l’extraction et l’analyse.
Ainsi, Yu et al Aerosol science and technology, vol.54, 304-320, 2020 décrit une analyse semi-automatique du PO d’échantillons qui sont cependant préparés au laboratoire, après l’extraction des filtres rapportés du site de collecte. De plus, un échantillon unique est soumis à plusieurs tests consécutifs, entrainant une augmentation importante du temps d’acquisition des résultats.
Avec ces méthodologies, automatisées ou non, il s’ensuit donc un délai important entre le prélèvement et le résultat des analyses effectuées. Ceci ne permet donc pas la prise de décision sanitaire en temps réel.
Des mesures automatiques sur site en temps réel (i.e. « on-line ») permettraient de systématiser la surveillance de la qualité de l’air ou des émissions, de proposer des possibilités d’alerte sanitaire ou industrielle, qui seraient de plus faites sur des bases réellement liées à la nocivité des milieux échantillonnés, et en particulier pour les PM, non pas liées juste à leur quantité dans l’atmosphère.
A ce jour, les procédés de recherche utilisés sur site (« on-line ») et portés à l’état de la technique mettent en oeuvre des analyses qui ne permettent pas d’obtenir des quantifications suffisamment précises pour des milieux atmosphériques ambiants qui sont par exemple proches des réglementations en vigueur en Europe.
Il reste donc primordial de mettre à disposition un procédé de détermination du PO d’échantillons, notamment d’aérosols, tels que des échantillons atmosphériques ou d’émissions polluantes, automatique et en temps réel, fiable et reproductible pour permettre un contrôle sanitaire. De plus, les seuils de détection doivent être suffisamment bas pour permettre une détermination dans des conditions généralement rencontrées dans les atmosphères des pays développés.
De plus, il importe de déterminer le PO dans des conditions aussi représentatives que possible des conditions physiologiques.
Des mesures automatiques « on line » permettraient de déterminer en temps réel les sources des épisodes de pollution. Elles permettraient également de mieux cibler la réglementation (et de rediriger la politique de lutte contre la pollution atmosphérique) vers ces sources les plus nocives pour la santé respiratoire. Elles permettraient également de tester efficacement en laboratoire ou sur site les émissions de tout procédé polluant ou dépolluant.
La présente invention propose donc un procédé de mesure automatique du PO « on-line », et l’appareillage correspondant.
Selon un premier objet, la présente invention concerne un procédé de mesure du potentiel oxydant (PO) d’un milieu test, comprenant :
Le prélèvement d’un échantillon test dudit milieu test,
Le mélange de l’échantillon test ou d’une fraction de celui-ci avec un échantillon de fluide pulmonaire artificiel, de façon à obtenir un échantillon test liquide, La conduite sur ledit échantillon test liquide d’un ou plusieurs tests en parallèle de quantification de potentiel oxydant,
La détermination du potentiel oxydant dudit milieu test.
Le potentiel oxydant (PO) désigne la capacité d’un échantillon à oxyder le milieu pulmonaire, par apport ou génération d’espèces réactives de l’oxygène qui consomment les anti-oxydants du milieu.
Le milieu test peut être notamment un aérosol.
Le terme « aérosol » définit selon la présente invention un mélange de particules en suspension dans un gaz. Les particules peuvent être identiques ou différentes de par leur constitution chimique ou leurs caractéristiques physico-chimiques.
Typiquement le milieu test est l’air ambiant ou l’atmosphère en sortie de dispositif ou installation émettant des particules (procédés industriels, véhicules, vapoteuses, cheminées etc..) ou cherchant à dépolluer un air ambiant ou un dispositif ou installation présentant des émissions polluantes.
L’expression « milieu test » désigne le milieu à tester. L’expression « échantillon test » désigne un prélèvement du milieu test. Il contient donc une fraction gazeuse et/ou une fraction particulaire. L’échantillon test peut être analysé tel quel. Alternativement, la phase gazeuse et/ou la phase particulaire de l’échantillon peut(peuvent) être analysée(s) seules, grâce à des procédés de séparation, notamment des procédés de séparation déjà existant sur le marché.
Typiquement, l’échantillon test ou la fraction particulaire de celui-ci est constitué de particules de taille déterminée. T oute fraction de taille peut être envisagée, selon le procédé utilisé en entrée de l’appareil. Selon un mode de réalisation, l’échantillon correspond à la fraction en PM2,5 ou en PM10 (particules de diamètre inférieur à 2,5 ou 10 pm, respectivement).
L’échantillon test peut être prélevé par toute méthode, dans une chambre de réaction, telle qu’une chambre de nébulisation, par exemple par aspiration d’une quantité déterminée du milieu à tester.
Typiquement, le prélèvement peut être effectué par un cyclone lorsque le milieu test est un aérosol par exemple.
Un cyclone permet d’obtenir un échantillon aérosol constitué de particules dans leur gaz, en fonction du diamètre aérodynamique (Dae) des dites particules. Les fines particules, de plus faible inertie, s’éloignent moins de l'axe du cyclone et sont entraînées par un vortex ascendant vers une sortie axiale située en partie supérieure du cyclone où elles sont collectées. Le cyclone permet ainsi de réaliser une classification en taille des particules. Typiquement, le débit de la pompe du cyclone peut être compris entre 1 et 10 l/min, typiquement environ 5 l/min.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend après l’étape de prélèvement et avant l’étape de mélange, l’étape de fractionnement de l’échantillon test, en une fraction gazeuse et/ou une fraction particulaire.
Cette étape peut être effectuée au moyen d’un dénudeur par exemple.
Typiquement, la fraction peut être la fraction particulaire PM2.5.
L’échantillon test ou une fraction de celui-ci obtenue en cas de fractionnement, tel que discuté ci-avant, est ensuite mélangée avec une phase liquide mimant le milieu pulmonaire. Selon l’invention, la phase liquide est un milieu pulmonaire artificiel. Selon un mode de réalisation, il s’agit de la solution de Gamble, décrite par Marques et al Dissolution technologies 15-28, 2011.
La solution de Gamble comprend typiquement : - 0.095 g/l de chlorure de magnésium,
- 6.019 g/L de chlorure de sodium,
- 0.298 g/Lde chlorure de potassium,
- 0.126 g/L d’hydrogénophosphate de disodium,
- 0.063 g/L de sulfate de de sodium,
- 0.368 g/L de chlorure de calcium, dihydrate,
- 0.574 g/L d’acétate de sodium,
- 2.604 g/L d’hydrogéocarbonate de sodium,
- 0.097 g/L de citrate de sodium, dihydrate dans I’eau.
Typiquement, la solution de Gamble présente un pH de 7.4.
Dans le milieu respiratoire, ce fluide interstitiel pulmonaire est plaqué contre les parois de l’appareil respiratoire grâce à un surfactant, le 1 ,2-dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC). Etant connu que les surfactants agissent sur la solubilité des particules en général d’une part et afin de se rapprocher au maximum des conditions physiologiques d’autre part, la solution de Gamble est avantageusement supplémentée en surfactant, tel que le 1 ,2- dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC), typiquement à une concentration d’environ 0.02% (concentration mesurée dans le système respiratoire)
Le milieu pulmonaire artificiel selon l’invention se distingue donc notamment du milieu utilisé par Yu et al Aerosol science and technology, 2020 (supra) en ce que le fluide utilisé par Yu et al (« surrogate lung fluid ») n'est qu’un mélange d’anti-oxydants dont les auteurs mesurent ensuite la déplétion.
La mise en phase liquide peut être réalisée par nébulisation. Typiquement, la nébulisation comprend la projection en fines gouttelettes du milieu pulmonaire artificiel et de l’échantillon test ou d’une fraction de celui-ci, de façon à obtenir une phase liquide comprenant les particules et/ou les gaz solubles, en mélange dans le milieu pulmonaire artificiel.
Typiquement, le milieu pulmonaire artificiel et l’échantillon test liquide sont maintenus à des conditions représentatives des conditions physiologiques, avec notamment une température comprise entre 30 et 40°C, typiquement d’environ 37°C, et/ou un pH maintenu entre 7 et 8, à 7.4 notamment.
L’échantillon test liquide obtenu peut être une suspension ou une solution :
Lorsque l’échantillon test n’est pas fractionné, l’échantillon test liquide résultant du mélange est une suspension. On entend par « suspension » toute dispersion d'un solide dans un liquide.
Lorsque l’échantillon test est fractionné et que la fraction particulaire est utilisée, l’échantillon test liquide résultant du mélange est une suspension.
Lorsque l’échantillon test est fractionné et que la fraction gazeuse est utilisée, l’échantillon test liquide résultant du mélange est une solution.
L’échantillon liquide ainsi obtenu est ensuite soumis à un ou plusieurs test(s) de quantification de son potentiel oxydant.
On entend par « test de quantification de potentiel oxydant » un test mesurant la consommation par l’échantillon test d’une espèce anti-oxydante donnée.
En bref, ces tests sont basés sur la mesure de la déplétion de l’espèce anti-oxydante lorsqu’elle est mise en contact avec l’échantillon à tester. La déplétion d’espèce antioxydantes (lorsqu’elle est en excès) est proportionnelle à la concentration des espèces réactives de l’échantillon testé.
Plusieurs tests, basés chacun sur une espèce anti-oxydante distincte peuvent être conduits en parallèle.
Pour chaque test conduit seul ou en parallèle, une fraction de volume calibrée de l’échantillon est utilisée, ladite fraction étant calibrée par prélèvement avec une pompe seringue dans la chambre de réaction. Le volume non utilisé étant évacué à la fin de la réaction vers une poubelle de récupération.
Typiquement, au moins deux lignes de tests différents sont conduites en parallèle. Chaque ligne de test comprend le mélange d’une quantité déterminée de l’échantillon test liquide avec une quantité déterminée de l’espèce anti-oxydante du test considéré. Avantageusement, les lignes de tests sont basées sur des espèces anti-oxydantes complémentaires en ce qu’elles réagissent de façons distinctes aux espèces réactives du milieu test.
A titre d’espèce anti-oxydante, on peut ainsi citer :
- l’acide ascorbique (AA), le dithiothreitol (DTT), la dichlorofluoresceine (DCFH),
- la gluthatione (GSH),
- le mélange RTLF (respiratory tract lining fluid, est un mélange de AA, GSH et d’acide urique (UE))
Le mélange réactionnel considéré est généralement réalisé dans des conditions physiologiques (température d’environ 37°C, et pH maintenu entre 7 et 8, à 7.4 notamment), et de préférence à l’abri de la lumière. Généralement, l’incubation de l’échantillon test avec l’espèce anti-oxydante est conduit pendant une durée comprise entre 5 min et 1 h.
Selon un mode de réalisation, avant la mesure de la réactivité de l’échantillon, deux pré-mesures sont réalisées et seront retranchées à la mesure de l’échantillon lors du calcul de son potentiel oxydant :
Une mesure de l’absorbance/fluorescence intrinsèque de l’échantillon test seul Une mesure de « blanc » de l’appareil qui consiste à mesurer l’absorbance/fluorescence de l’anti-oxydant sans présence d’échantillon test qui est remplacé par de l’eau ultra-pure.
Après incubation, la diminution de la concentration de l’espèce anti-oxydante dans le mélange réactionnel (constitué de l’échantillon test liquide et d’une quantité déterminée d’une espèce anti-oxydante) est déterminée par mesure optique notamment par spectrophotométrie (absorbance, UV-visible, fluorescence...). Les données optiques obtenues peuvent être récupérées sur ordinateur à l’aide de l’interface de pilotage (par exemple sous LabVIEW). Ces données permettent de calculer la quantité de ROS générées en présence de l’échantillon test analysé après soustraction des blancs et calibration de l’appareil :
La consommation d’espèce anti-oxydante par l’échantillon (par unité de volume du milieu test ou par unité de masse de l’échantillon test) est corrélée à la concentration d’espèces réactives de l’oxygène de l’échantillon.
Cette concentration d’espèces réactives est ensuite corrélée au PO de l’échantillon test, et in fine au milieu testé.
Après la mesure, le flux de liquide est purgé vers l’extérieur du système.
Plus précisément, les tests peuvent être mis en oeuvre par application ou adaptation des méthodologies décrites par Calas et al Scientific reports 7, 1 1617, 2017.
Typiquement, la méthodologie comprend tout d’abord la mesure de l’absorbance intrinsèque de l’échantillon test liquide à la longueur d’onde désirée, UV ou visible, puis une quantité de l’espèce anti-oxydante est injectée dans l’échantillon test liquide et dans un échantillon blanc (eau ultra-pure). Dans chaque cas, la concentration de l’espèce antioxydante est ensuite quantifiée à plusieurs intervalles de temps après mélange. La quantité restante de l’espèce anti-oxydante à l’issue de l’exposition (typiquement après un temps de réaction d’environ 30 min avec l’échantillon) peut être soit lue directement par absorbance ou fluorescence ou dosée. Typiquement, pour le DTT, la quantité restante peut être dosée par du 5,5-dithio-bis-(2-acide nitrobenzoïque (DTNB). Le taux de déplétion en espèce anti-oxydante (nmol.min-1) est déterminé à partir de la pente de régression linéaire de la concentration de l’espèce anti-oxydante (nmol) vs. le temps de contact avec l’échantillon. L’absorbance intrinsèque est ensuite soustraite à l’absorbance finale, et la perte en espèce anti-oxydante du blanc (eau ultra-pure) est soustraite de la perte en espèce anti-oxydante de l’échantillon, afin d’obtenir la déplétion effective de l’espèce anti-oxydante de l’échantillon.
Le test à RTLF est basé sur un mélangé synthétique contenant des concentrations équimolaires d’acide ascorbique (AA), d’urate (UA) et de glutathione réduite (GSH). L’analyse de GSH est obtenue à partir de l’analyse de la gluthatione totale et de la glutathione oxydée (GSSG), par modification de la méthode décrite par Baker et al Anal. Biochem. 190, 360-365, 1990, avec le réactif de Ellman's (DTNB, acide 5,5-dithio-bis-(2- nitrobenzoique). Le produit formé, le thio-2-nitrobenzoïque (TNB) jaune, présente un pic d'absorbance à 412 nm.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention met en oeuvre le test de quantification du PO par mesure de la déplétion de l’acide ascorbique (AA), et éventuellement le test de quantification du PO par mesure de la déplétion du dithiothreitol (DTT).
Pour l’AA, le test est basé sur la consommation de l’AA, suivie par spectrophotométrie UV (à 265 nm).
Pour le DTT, le test est basé sur la consommation du DTT dont la quantité restante à l’issue de l’exposition avec l’échantillon est dosé par du 5,5-dithio-bis-(2-acide nitrobenzoïque (DTNB) puis suivie par spectrophotométrie en lumière visible (à 412 nm).
Pour le test à la DCFH (2',7'-dichlorodihydrofluorescein diacétate), le suivi de la déplétion est réalisé par spectrométrie de fluorescence (excitation 485 nm, émission 530 nm).
La détermination du potentiel oxydant dudit milieu test est effectuée par le recalcul du PO du milieu test initial à partir du PO obtenu de l’échantillon test ainsi obtenu.
La méthode selon l’invention peut être entièrement automatisée et réalisée sur le site de collecte (mise en oeuvre « on-line ») de l’échantillon test. Il n’est pas nécessaire de procéder à une extraction intermédiaire des échantillons collectés, comme cela est requis pour les échantillons collectés sur filtre. De fait, la mesure et la quantification du PO peuvent être obtenues en temps quasi-réel avec un objectif de temps réel.
En effet, la technologie sur filtre nécessite un temps de traitement des échantillons et diffère donc dans le temps l’accès aux résultats, même dans le cas d’une automatisation. De plus, le procédé selon l’invention permet une limite de détection de l’ordre de 3.103 nmol.min-1 pour le test AA et de 10-5 nmol.min-1 pour le test DTT. Par convention, la limite de détection est déterminée comme trois fois la déviation standard des blancs mesurés avec de l’eau ultra pure. L’expression de la limite de détection en fonction de la concentration massique en PM dans l’atmosphère est impossible car elle dépend de la réactivité du mélange atmosphérique en présence au moment où la mesure est faite. Ainsi l’appareil va être pouvoir être sensible à des concentrations très basses près d’une source de particules très oxydantes mais plus haute pour des lieux avec moins d’espèces oxydantes dans l’atmosphère. C’est pour cela que les groupes de recherche utilisent cette dénomination commune. On peut aussi calculer la limite de détection pour des composés de références connus que l’on retrouve dans l’atmosphère. A titre d’exemple, l’appareillage peut détecter 5.10-4 pM de Cu (solution de CuCh) pour la ligne AA et de 1.10-4 pM de Cu pour la ligne DTT.
Ces limites de détection se distinguent avantageusement des technologies impliquant des filtres qui nécessitent des limites de détection typiquement de l’ordre de10-2 nmol.min-1 pour le test AA et de 10-3 nmol.min-1 pour le test DTT.
Le PO est un indicateur sanitaire (dont les résultats corrélent avec des tests toxicologiques sur les mêmes échantillons) de la pollution atmosphérique ou des émissions.
Selon un autre objet, la présente invention concerne donc également un procédé de détermination de la pollution atmosphérique ou des émissions de gaz et/ou particules, ledit procédé comprenant :
La mise en oeuvre du procédé de détermination du PO du milieu test selon l’invention à partir d’un échantillon test prélevé dans l’air atmosphérique ambiant ou les émissions de gaz et/ou particules à tester;
La corrélation du PO obtenu avec la qualité de l’air ou toxicité du milieu testé.
En particulier, ladite corrélation peut notamment comprendre la comparaison de la valeur du PO ainsi obtenu avec la valeur d’échantillons déjà caractérisés.
Le procédé selon l’invention permet donc la mesure en temps réel de l’exposition sanitaire à la pollution atmosphérique, c’est-à-dire dans un laps de temps d’une heure environ, ou moins. Cette mesure de réactivité peut être associée à plusieurs propriétés physicochimiques (composition, taille, solubilité, spéciation...) des échantillons, selon les résultats obtenus selon les espèces anti-oxydantes utilisées pour les tests.
Ainsi, par exemple, le test à l’acide ascorbique est en effet sélectif vis-à-vis de métaux notamment et le test au DTT est sensible à de nombreux composés organiques et inorganiques de manière équilibrée.
Le procédé selon l’invention trouve son application notamment pour la surveillance et éventuellement la prévision de la qualité air par les organismes qui réalisent ces mesures.
Il peut également être avantageusement mis en oeuvre dans diverses applications industrielles pour les tests des émissions de polluants générées par différents dispositifs ou installations (procédés industriels, véhicules automobiles, poêle à bois, procédés de fabrication, etc.) ou pour tester des techniques de dépollution (filtration, etc.).
Selon un autre objet, la présente invention concerne encore un appareil pour la détermination automatique en ligne du PO d’un milieu test, comprenant :
- un module de collecte d’un échantillon test à partir du milieu test ;
- une chambre de nébulisation d’au moins une fraction de l’échantillon test avec un échantillon de fluide pulmonaire artificiel pour former un échantillon test liquide ;
- au moins un module de test configuré pour faire réagir l’échantillon test liquide obtenu avec un réactif ;
- un module de mesure de la déplétion dudit réactif ;
- un module de calcul du PO.
Selon un mode de réalisation, ledit appareil peut comprendre en outre un système configuré pour alimenter le(s) module(s) de test :
- en échantillon test liquide depuis la sortie de la chambre de nébulisation,
- en réactif depuis un réservoir de stockage du réactif.
Selon un mode de réalisation, ledit appareil peut également comprendre un ou plusieurs modules de tests en parallèle, chaque module de test étant configuré pour faire réagir l’échantillon test liquide avec un réactif respectif.
Typiquement, le module de mesure comprend un système de mesure optique.
Selon un mode de réalisation, ledit appareil peut également comprendre un système configuré pour faire circuler une solution de lavage dans le(s) module(s) de test. Figures
[Fig 1] La Figure 1 représente un schéma de fonctionnement selon un mode de réalisation du procédé et de l’appareil selon l’invention.
[Fig 2] La Figure 2 représente la corrélation entre les résultats obtenus avec la méthode on-line de l’invention, comparativement à la méthode de mesure sur filtre.
[Fig 3] La Figure 3 représente la réactivité du milieu test (milieu aérosol ambiant du laboratoire) pour différents temps de prélèvement.
[Fig 4] La Figure 4 représente la réponse de l’appareil pour la ligne AA pour des gammes de CuCIs comprise entre 0.001 pmol.L-1 et 0.01 pmol.L-1, c’est-à-dire des concentrations représentatives des concentrations atmosphériques de cuivre retrouvées dans des villes européennes (5-20 ng.m-3).
[Fig 5] La Figure 5 représente la réponse de l’appareil pour la ligne DTT pour des gammes de CuCIs comprise entre 0.001 pmol.L-1 et 0.02 pmol.L-1 , c’est-à-dire des concentrations représentatives des concentrations atmosphériques de cuivre retrouvées dans des villes européennes (5-20 ng.m-3).
[Fig 6] la Figure 6 représente des mesures du Potentiel Oxydant (test AA, courbe inférieure) en fonction d’une échelle temporelle (mois-jour), par le procédé selon l’invention (ROS On-line) équipé d’une tête PM2,5, localisé sur le toit de l’ IGE (Grenoble). Les mesures de masse colocalisées (courbe supérieure) sont réalisées par compteur de particules GRIMM.
Selon l’invention, la Figure 1 illustre la succession des 4 modules suivants :
- un module de préparation de l’échantillon 1 comprenant un module de collecte, par exemple à effet cyclone 1 1 et une chambre de nébulisation 13 ;
- un module de test 2 ;
- un module de mesure 3 ; et
- un module de calcul 4.
Selon un mode de réalisation, le module de préparation de l’échantillon 1 a pour fonction de préparer un échantillon test liquide à partir d’un milieu à tester, tel qu’un aérosol. Pour cela, un module de collecte 11 extrait l’échantillon test, par exemple un échantillon test aérosol, dans une chambre de réaction. La chambre de réaction peut être un module à effet cyclone, et extrait du milieu aérosol à tester les particules qui y sont contenues, selon la taille des particules. Un dénudeur 12 ou filtre à air à haute efficacité peut être présent entre le module de collecte 1 1 et la chambre de nébulisation 13 pour limiter l’échantillon test aérosol à soit la fraction de particules, soit la fraction gazeuse.
L’échantillon test ou une fraction de celui-ci ainsi collecté(e) est conduit(e) dans une chambre de nébulisation 13 où il est mis en contact avec un échantillon de fluide pulmonaire artificiel. L’échantillon test liquide ainsi obtenu est ensuite conduit vers le module de test 2.
Selon un mode de réalisation, un système 16 tel qu’une pompe à seringue prélève l’échantillon test liquide en sortie du module 1 vers le module de test.
Le système 16 prélève également un échantillon de réactif stocké dans un réservoir de 14 pour mise en réaction avec l’échantillon test liquide. Des mesures de contrôle, non représentées sur la Figure 1 sont effectuées en parallèle.
Entre deux prélèvements effectués par le système 16, une solution de lavage stockée dans le récipient 15 est prélevée par le système 16 puis rejetée dans le réservoir de récupération des déchets 10.
Tel que cela est représenté en Figure 1 , plusieurs modules de tests 2 peuvent être présents en parallèle, chaque test étant conduit avec un réactif donné. Dans cette configuration, une fraction déterminée de l’échantillon test liquide est prélevée par le système 16 pour être mise en réaction avec un réactif donné.
Le module de test 2 est avantageusement maintenu dans des conditions physiologiques :
Typiquement, la température est maintenue entre 30 et 40°C, typiquement à environ 37°C. Généralement, le pH maintenu entre 7 et 8, à 7.4 notamment
A l’issue du test, le système 17, typiquement une pompe, telle qu’une pompe péristaltique, achemine le mélange réactionnel dudit test vers le module de mesure 3.
Les données peuvent être notamment acquises sur un spectrophotomètre portable à large spectre.
Le module de mesure 3 comprend typiquement un système de mesure optique 19 tel qu’un spectrophotomètre par exemple, permettant de mesurer une propriété optique (telle que l’absorbance ou la fluorescence par exemple), du mélange réactionnel au moyen d’une source lumineuse 18.
Cette mesure optique est ensuite traitée dans le module de calcul 4 :
Selon des algorithmes de calcul, la mesure optique conduit in fine à la valeur du potentiel oxydant du milieu test : Elle peut tout d’abord être corrélée avec la concentration en réactif après incubation, selon la loi de Beer-Lambert. La concentration du réactif dans le mélange réactionnel après incubation peut permettre de déterminer la déplétion en réactif par rapport à la quantité de réactif injectée dans le module de test 2. Cette déplétion est imputable à la concentration en espèces réactives de l’oxygène présentes dans l’échantillon test ou une fraction de celui-ci. A cette valeur peut être associée le potentiel oxydant du mélange testé.
Le module de calcul 4 peut également comprendre un système de traitement des données 20
Exemples
Un appareil de mesure selon l’invention a été réalisé, avec les spécifications suivantes :
Dimensions max : Environ 50 * 40 * 30 (L * P * h) , Poids: 20 kg
Débit d’air : 1 m3 / hr
Autonomie : 1 jour
Consommation électrique : < 800 W.hr
Fréquence de mesure : 1 mesure intégrée sur 40 min par heure.
Gamme de mesure : de 0,05 à 25 nmol d’antioxydant AA. min-1, sur une gamme linéaire
Répétabilité sur toute la gamme : < 10 %
Blanc d’appareillage (LOD) env 5 pmol d’antioxydant AA.min-1 Contamination des mesures par hystérésis : moins de 3 % Autonomie de consommables de l’ordre de 3 à 4 jours
Le milieu aérosol à tester était l’air ambiant du laboratoire dans lequel est disposé l’appareil selon l’invention
L’échantillon aérosol test a été prélevé par une pompe et l’intégralité de l’aérosol a été prélevé successivement pendant 10, 20 et 30 min à 5 L.min-1.
Pendant ce temps de pompage de l’échantillon, un blanc est réalisé : on injecte une solution d’eau H2O puis on injecte une solution composée d'acide ascorbique (AA)+ H2O. On le fait passer dans le module de mesure (typiquement une flow-cell ou une cuvette), avant de tracer le spectre d’absorbance de cette solution. Cette référence permet d’avoir une valeur initiale à soustraire aux échantillons. Une fois cette référence réalisée, 1 ml d’échantillon est mis contact avec 1 ml de AA et envoyé vers la cellule de mesure : L’acquisition de l’absorbance à 265nm de l’échantillon est réalisée en fonction du temps et démarre si les deux conditions suivantes sont réunies : une température de 37,2°c +/- 0,2°C et une intensité > 12 000. Puis on rince le dispositif 3 fois avec de l’acide nitrique à 0,1 % pour qu’il ne reste plus de présence de solution polluée dans la seringue.
Les résultats ont été obtenus entre 20 et 40 min pour un cycle et sont illustrés à la Figure 3. La pente, c’est-à-dire la réactivité de l’échantillon augmente lorsque sa concentration augmente, c’est-à-dire lorsque le temps de prélèvement dans l’air ambiant du laboratoire est allongé.
La limite de détection a été mesurée à 4.1 pmol.min-1 pour le test AA.
L’invention a également été déployée dans l’air ambiant de la ville de Grenoble pendant plus jours. Les résultats sont présentés sur la Figure 6. Durant la période couverte par cette figure, les concentrations massiques sont particulièrement basses, inférieures à 10 pg/m3 en moyenne sur les derniers jours de campagne (la réglementation Européenne actuelle est de ne pas dépasser 25 pg/m3 en moyenne annuelle). On note le pas de temps d’échantillonnage de 30 min, la continuité de la série de mesure (excepté une période liée au manque de réactifs au milieu du graphique), des valeurs proches du zéro de l’appareil pendant les périodes de très basses concentrations massiques, et un pic de PO totalement synchrone avec un pic de masse en plein milieu de nuit, sur une période 1 h30. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, et montre la sensibilité de l’appareil, l’intérêt du pas de temps de mesure, la faible hystérésis du signal, et la capacité à suivre des épisodes « rapides ».
Exemples comparatifs :
1 . Par comparaison, le procédé décrit par Yu et al Aerosol science and technology, vol.54, 304-320, 2020 conduit à des résultats (5 tests sur un même échantillon) de l'ordre de 4 heures pour un cycle, avec une limite de détection de 0.197 pM.min-1 pour des blancs d’eau ultrapure, lorsque celle de notre appareil est de 4.1 pM.min-1 en moins de 30 min.
2. Le procédé selon l’invention « on-line » a également été comparé aux procédés « offline » utilisés pour réaliser les mesures sur filtres (typiquement par spectrophotométrie de plaques), pour différents composés atmosphériques. Les résultats sont illustrés à la Figure 2 pour un composé à base de cuivre (CuCIs) à des concentrations typiques de celles rencontrées dans l’atmosphère. Pour les mêmes concentrations de cuivre, le potentiel oxydant a été mesuré avec le test AA avec un spectrophomètre de plaque au laboratoire, ou avec l’invention. Les résultats sont similaires entre les deux procédés pour des concentrations entre 0,1 et 5 pM de CuCh comprenant des valeurs extrêmes de cuivre rencontrées dans l’atmosphère (corrélation proche de 1 pour 6 points (6 concentrations testées) ; pente de la droite de régression proche de 1 ; ordonnée à l’origine très faible).
3. Il a également été conduit des essais de limite de sensibilité de l’invention « on-line » avec une gamme de linéarité pour du cuivre, un composé atmosphérique de référence connu son pouvoir oxydant et, ceci, pour chaque ligne de mesure de l’invention. Les résultats sont représentés sur la Figure 4 pour la ligne de mesure à l’AA et sur la Figure 5 pour la ligne de mesure avec le réactif DTT. A titre de comparaison, la gamme de concentration de cuivre que l’on est amené à mesurer dans l’air ambiant en fond urbain est compris 0.001 et 0.016 pM (intervalle de concentrations basé sur des observations dans l’air ambiant de la ville de Grenoble, année 2017-2018, 1 mesure tous les 3 jours représentant des concentrations entre 8 ng/m3 en fond urbain et 80 ng/m3 en bord de boulevard). Ces deux figures montrent ainsi que l’invention est à même de détecter des concentrations réalistes de cuivre atmosphérique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure du potentiel oxydant (PO) d’un milieu test, comprenant :
- Le prélèvement 1 1 d’un échantillon test dudit milieu test,
- Le mélange 13 dudit échantillon test ou une fraction de celui-ci avec un échantillon de fluide pulmonaire artificiel, de façon à obtenir un échantillon test liquide,
- La conduite sur ledit échantillon test liquide d’un ou plusieurs tests 2 en parallèle de quantification de potentiel oxydant,
- La détermination du potentiel oxydant dudit milieu test,
Et caractérisé en ce qu’il est conduit de façon automatisée sur le site de collecte dudit échantillon test, et conduit à la détermination du PO en temps réel.
2. Procédé selon la revendication 1 , tel qu’il comprend en outre après l’étape de prélèvement 1 1 et avant l’étape de mélange 13, l’étape de fractionnement 12 de l’échantillon test, en une fraction gazeuse et/ou une fraction particulaire.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 tel que l’échantillon pulmonaire artificiel est le milieu de Gamble, éventuellement supplémenté en dipalmitoylphospatidylcholine (DPPC).
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes tel que le(s) test(s) de quantification du potentiel oxydant est(sont) choisi(s) parmi les tests mesurant la consommation par un échantillon test d’une espèce anti-oxydante donnée.
5. Procédé selon la revendication 4, tel que les espèces anti-oxydantes sont choisies parmi le groupe consistant en l’acide ascorbique (AA), le dithiothreitol (DTT), la dichlorofluoresceine (DCFH), la gluthatione (GSH), le mélange RTLF (« respiratory tract lining fluid », ou fluide tapissant les voies respiratoires humaines).
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes tel qu’il met en oeuvre le test de quantification du PO par mesure de la déplétion de l’acide ascorbique (AA), et le test de quantification du PO par mesure de la déplétion du dithiothreitol (DTT).
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes tel que le(s) test(s) de quantification du potentiel oxydant est(sont) mis en oeuvre dans les conditions physiologiques.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes tel que le mélange 13 de l’échantillon test ou une fraction de celui-ci avec le fluide pulmonaire artificiel est réalisé par nébulisation.
9. Procédé de détermination de la pollution atmosphérique ou des émissions de gaz et/ou particules, ledit procédé comprenant :
- La mise en oeuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes à partir d’un échantillon test prélevé dans l’air atmosphérique ambiant ou les émissions de gaz et/ou particules à tester ;
- La corrélation du PO obtenu avec la qualité de l’air ou toxicité du milieu testé.
10. Appareil pour la détermination automatique en ligne du PO d’un milieu test, comprenant :
- un module de collecte 11 d’un échantillon test à partir du milieu test ;
- une chambre 13 de nébulisation l’échantillon test ou une fraction de celui-ci avec un échantillon de fluide pulmonaire artificiel pour former un échantillon test liquide ;
- au moins un module de test 2 configuré pour faire réagir l’échantillon test liquide obtenu avec un réactif ;
- un module de mesure 3 de la déplétion dudit réactif ;
- un module de calcul 4 du PO.
11. Appareil selon la revendication 10 tel qu’il comprend un système 16 configuré pour alimenter le(s) module(s) de test :
- en échantillon test liquide depuis la sortie de la chambre de nébulisation,
- en réactif 14 depuis un réservoir de stockage du réactif.
12. Appareil selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11 tel qu’il comprend plusieurs modules de tests 2 en parallèle, chaque module de test 2 étant configuré pour faire réagir l’échantillon test liquide avec un réactif respectif.
13. Appareil selon l’une quelconque des revendications 10 à 12 tel que le module de mesure 3 comprend un système de mesure optique.
14. Appareil selon l’une quelconque des revendications 10 à 13 tel qu’il comprend un système configuré pour faire circuler une solution de lavage 15 dans le(s) module(s) de test 2.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AINSI, YU ET AL., AEROSOL SCIENCE AND TECHNOLOGY, vol. 54, 2020, pages 304 - 320
BAKER ET AL., ANAL. BIOCHEM., vol. 190, 1990, pages 360 - 365
BARRAZA F ET AL: "Contrasts in chemical composition and oxidative potential in PM10 near flares in oil extraction and refining areas in Ecuador", ATMOSPHERIC ENVIRONMENT, PERGAMON, GB, vol. 223, 23 January 2020 (2020-01-23), XP086057830, ISSN: 1352-2310, [retrieved on 20200123], DOI: 10.1016/J.ATMOSENV.2020.117302 *
CALAS AUDE ET AL: "Comparison between five acellular oxidative potential measurement assays performed with detailed chemistry on PM<sub>10</sub> samples from the city of Chamonix (France)", ATMOSPHERIC CHEMISTRY AND PHYSICS, vol. 18, no. 11, 5 June 2018 (2018-06-05), pages 7863 - 7875, XP055827664, DOI: 10.5194/acp-18-7863-2018 *
CALAS AUDE ET AL: "The importance of simulated lung fluid (SLF) extractions for a more relevant evaluation of the oxidative potential of particulate matter", vol. 7, no. 1, 14 September 2017 (2017-09-14), XP055827668, Retrieved from the Internet <URL:http://www.nature.com/articles/s41598-017-11979-3> DOI: 10.1038/s41598-017-11979-3 *
CALAS ET AL., SCIENTIFIC REPORTS, vol. 7, 2017, pages 11617
MARQUES ET AL., DISSOLUTION TECHNOLOGIES, 2011, pages 15 - 28
MOUFARREJ LAMIA ET AL: "Assessment of the PM2.5 oxidative potential in a coastal industrial city in Northern France: Relationships with chemical composition, local emissions and long range sources", SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 748, 6 August 2020 (2020-08-06), XP086308309, ISSN: 0048-9697, [retrieved on 20200806], DOI: 10.1016/J.SCITOTENV.2020.141448 *
QUE CALAS ET AL., SCIENTIFIC REPORTS, vol. 7, no. 1, 2017
WEBER SAMUEL ET AL., ATMOSPHERIC CHEMISTRY AND PHYSICS, vol. 18, no. 13, 2018, pages 9617 - 9629
WEBER SAMUËL ET AL: "An apportionment method for the oxidative potential of atmospheric particulate matter sources: application to a one-year study in Chamonix, France", ATMOSPHERIC CHEMISTRY AND PHYSICS, vol. 18, no. 13, 9 July 2018 (2018-07-09), pages 9617 - 9629, XP055827660, DOI: 10.5194/acp-18-9617-2018 *
YU HAORAN ET AL: "A semi-automated multi-endpoint reactive oxygen species activity analyzer (SAMERA) for measuring the oxidative potential of ambient PM 2.5 aqueous extracts", AEROSOL SCIENCE AND TECHNOLOGY., vol. 54, no. 3, 6 December 2019 (2019-12-06), US, pages 304 - 320, XP055827659, ISSN: 0278-6826, DOI: 10.1080/02786826.2019.1693492 *

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