Détection et caractérisation des nanoparticules de dioxyde de titane dans les aliments par AF4-ICP-MS et Sp-ICP-MS

Detection and characterization of titanium dioxide nanoparticles by AF4-ICP-MS and Sp-ICP-MS

• Auteur / Autrice : Lucas Givelet
• Direction : Jean-François Damlencourt, Thierry Guérin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 21/06/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble) - Laboratoire de sécurité des aliments de Maisons-Alfort et de Boulogne-sur-Mer
• Jury : Président / Présidente : Didier Morin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Benedetti, Georges Favre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Hélène Ropers, Olivier Donard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de titane

Spectrométrie de masse à plasma induit par haute fréquence

Mots clés libres

Fff

Analyses

Single Particle

Icp-Ms

Titane

Fff

Single Particle

Titanium

Analysis

Icp-Ms

Résumé

Les travaux de thèse portent sur le développement de méthodes pour la caractérisation des nanoparticules (NPs) de dioxyde de titane (TiO2) dans les aliments. L’étude a été séparée distinctement en deux axes. Le développement de la méthode AF4-ICP-MS (I) au sein de la Plateforme Nano-Sécurité du CEA de Grenoble et le développement de la méthode Sp-ICP-MS (II) au sein du Laboratoire de la Sécurité Aliments de l’Anses à Maisons-Alfort.Pour le premier axe, les interactions électrostatiques entre les particules et la membrane de l’AF4 ont été étudiées. La charge de surface (potentiel zêta) a été mesuré pour différentes type de particule et membrane en fonction de plusieurs paramètres du solvant tel que le pH, la force ionique ainsi que la présence de tensio-actifs. Suite aux nombreuses analyses effectuées plusieurs conditions de solvant ont été identifiées comme favorable à la répulsion électrostatique entre les particules et la membrane ce qui permettrai de diminuer les pertes de particules au niveau de la membrane. Plusieurs conditions ont donc été testées directement pour l’analyse de NPs de TiO2 en AF4-ICP-MS. Il a ainsi été montré que les conditions favorisant les répulsions électrostatiques permettaient d’améliorer le taux dé récupération des particules au niveau du système AF4. Cependant les analyses ont aussi montré que les NPs de TiO2 n’étaient pas suffisamment dispersées pour pouvoir obtenir une distribution en taille fiable.Le second volet de la thèse, a eu pour but, dans un premier temps, d’optimiser le traitement de données de la méthode Sp-ICP-MS. Plusieurs améliorations ont été réalisées comme le calcul automatique du seuil bruit de fond-particule, le calcul de l'efficacité de transport où encore l'ajout de paramètres de contrôle qualité. Ce traitement de données a ensuite été comparée à un logiciel dédié aux analyses par Sp-ICP-MS et a permis de mettre en avant que la feuille de calcul interne donne des résultats avec une meilleure justesse, tout en fournissant des paramètres supplémentaires.Dans un second temps une optimisation de la méthode Sp-ICP-MS a été réalisée. Plusieurs paramètres ont donc été évalués comme le choix de l’isotope de titane, le temps d’acquisition, le type de solvant pour disperser les particules, ainsi que le mode de prélèvement de l’échantillon et son débit.Enfin, plusieurs aliments ont été analysés après avoir mis en place un protocole d’extraction des NPs. Les résultats obtenus ont permis de déterminer une distribution en taille des NPs de TiO2 présentes dans les échantillons.

The thesis focuses on the development of methods for the titanium dioxide (TiO2) nanoparticles (NPs) characterization in food products. The study was separated distinctly into two axes. The development of the AF4-ICP-MS (I) method within the CEA Nano-Safety Platform in Grenoble and the development of the Sp-ICP-MS (II) method within the Food Safety Laboratory of the Anses in Maisons-Alfort.For the first axis, the electrostatic interactions between the particles and the AF4 membrane were studied. The surface charge (zeta potential) was measured for particles and membranes depending on several solvent parameters such as pH, ionic strength and the presence of surfactants. Following the several analyzes carried out, several solvent conditions have been identified as promoting the electrostatic repulsion between the particles and the membrane, which will make it possible to reduce the losses of particles at the level of the membrane. Several conditions were therefore directly tested for NPs analysis of TiO2 in AF4-ICP-MS. It has thus been shown that the conditions favoring electrostatic repulsions make it possible to improve the efficiency of the particles at the level of the AF4 system. However, the analyzes also showed that the TiO2 NPs were not sufficiently dispersed to obtain a reliable size distribution.The second part of the thesis aimed at first optimizing the data treatment of the Sp-ICP-MS method. Several improvements have been made such as the automatic calculation of the background-particle threshold, the calculation of the transport efficiency or the addition of quality control parameters. This data treatment was then compared to a software dedicated to analyzes by Sp-ICP-MS and made it possible to highlight that the internal spreadsheet gives results with a better accuracy, while providing additional parameters.In a second time an optimization of the Sp-ICP-MS method was carried out. Several parameters were therefore evaluated such as the choice of the titanium isotope, the acquisition time, the type of solvent to disperse the particles, as well as the sample collection mode and its flow rate.Finally, several foods were analyzed after setting up an extraction protocol for NPs. The results obtained made it possible to determine a size distribution of the NPs of TiO2 present in the samples.