Annales de Toxicologie Analytique N 1, vol XIX, 2007

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1 Annales de Toxicologie Analytique N 1, vol XIX, RESUMES/ABSTRACTS Etat de l art et derniers développements en ICP-MS Hugues PAUCOT Introduits dès 1983, les ICP-MS font dorénavant partie intégrante du parc analytique de nombreux laboratoires impliqués dans l analyse de traces métalliques. Leur vitesse d exécution, alliée au caractère multiélémentaire de la technique et à une diminution régulière des coûts, les a progressivement conduits à remplacer nombre d appareils d absorption atomique électrothermique. De plus, les modifications apportées sur les générations successives d ICP-MS ont fortement augmenté l accessibilité de la technique, tout en permettant de résoudre la plupart des interférences affectant initialement ce type d appareillage. Ainsi, en ce qui concerne les divers types d interférences, plusieurs technologies ont été développées, comme celle des appareils dits de haute résolution, les multicollecteurs, le temps-de-vol ou les dispositifs de collision/réaction. Ces derniers systèmes équipant 90% des ICP-MS quadripolaires vendus actuellement dans le monde, il est maintenant possible de faire un bilan de leurs limites. Les ultimes modifications apportées aux ICP- MS sont en fait des adaptations des appareillages, réalisées en fonction des applications spécifiques de l utilisateur, telles que : types de gaz de collision/réaction installés par défaut sur les appareils, formes des cônes de l interface et de leurs supports, etc. Enfin, devant la demande croissante en analyses de spéciation, les constructeurs se sont investis dans la fourniture des accessoires indispensables (interface, logiciel ), ainsi que dans l automatisation du traitement des signaux transitoires. ICP-MS state of the art and last development Hugues PAUCOT Since their introduction in 1983, ICP-MS are henceforth part of the analytical instrumentation of many laboratories involved in trace metals analyses. Their speed, combined to the multielementary property of the technique and to a regular decrease of the cost, has driven them to replace progressively the graphite furnace atomic absorption spectrometers in many laboratories. Modifications brought on the successive generations have greatly increased the technique accessibility, and allowed to solve most of the interferences initially affecting this kind of instrument. So, regarding the various types of interferences, several technologies have been developed, like these of the high resolution, multicollectors, time-of-flight or collision/reaction systems. Due to the fact that these last are present on 90 % of ICP-MS actually sold worldwide, it is now possible to strike a balance of limits of this kind of systems. The last modifications brought to ICP-MS are in fact apparatus adaptations, realized as a function of user s specific applications, like: collision/reaction gas type installed by default on the instruments, interface cones and supports designs, etc. Finally, due to the increasing demand for speciation analyses, manufacturers have invested in providing indispensable accessories (interface, software ), but also in the automatisation of transient signal treatment. 1

2 Utilisation de l ICP-MS en biologie clinique Christian MŒSCH 2 L analyse des éléments, métaux ou métalloïdes, dans diverses matrices n a pas échappé au progrès scientifique et l utilisation de la spectrométrie de masse inorganique couplée à un plasma induit par haute fréquence (ICP-MS) en est une parfaite illustration. D introduction relativement récente pour les analyses biologiques médicales, l ICP-MS présente les avantages liés à l association des deux techniques : le plasma couplé par induction apporte l étendue de l ensemble des éléments accessibles associée à une grande sensibilité et la spectrométrie de masse apporte également sa sensibilité (plus de soixante éléments ont leur limite de détection en dessous de 10 µg/l), l étendue de sa gamme dynamique linéaire s étalant sur huit ordres de grandeur ainsi que la rapidité d analyse. Une autre qualité de l ICP-MS est son aptitude à la distinction et au dosage spécifique des isotopes d un même élément, essentielle par exemple pour certaines études nutritionnelles. Bien évidemment, à la technique ICP-MS sont associés des problèmes spécifiques et des limitations comme celles liées aux effets physiques ou chimiques de matrice, tels que les interférences isobariques qu il convient de supprimer. D exécution très rapide, cette méthode convient à des analyses en série ou en continu permettant le couplage avec la chromatographie liquide ou l électrophorèse capillaire, ce qui la rend précieuse pour les analyses de spéciation et offre des perspectives nouvelles en biologie et toxicologie clinique. Use of ICP-MS in clinical biology Christian MŒSCH The analysis of the elements, metals or metalloids, in various matrices has benefited from scientific progress and the use of inorganic mass spectrometry coupled with plasma induced by high frequency (ICP-MS) is a perfect illustration. ICP-MS, which has only fairly recently been introduced into medical biological analyses, has the advantages related to the association of the two techniques: the inductively coupled plasma gives the extent of the accessible elements associated with a high-level of sensibility whereas mass spectrometry brings also its sensibility (more than sixty elements have a detection limit below 10 µg/l), the extent of its linear dynamic range covering eight orders of magnitude as well as the speed of analysis. Another quality of the ICP-MS is its aptitude for the distinction and the specific dosage of the isotopes of the same element which are essential, for example, for certain nutritional studies. Obviously, specific problems and limitations are associated with the ICP-MS technique like those related to the physical or chemical effects of matrix, such as the isobaric interferences which it is advisable to remove. This method which has a very fast execution is appropriate for series of analyses or continuous ones, allowing the coupling with the liquid chromatography or the capillary electrophoresis. This makes it invaluable for the analyses of speciation and offers new prospects in biology and clinical toxicology. 2

3 ICP-MS et Toxicologie professionnelle Laurence LABAT, Christine DHORNE, Florian KLINZIG, Betty DEHON, Michel LHERMITTE. 3 La spectrométrie d émission en plasma induit couplée à la spectrométrie de masse (ICP-MS) est une technique d analyse multi élémentaire qui s adapte parfaitement au dosage des métaux dans le cadre de surveillances d expositions en milieu professionnel. Cette technique est sensible, spécifique, rapide et ses performances expliquent sa présence aux côtés de méthodes plus classiques utilisant la spectrométrie d absorption atomique. Elle peut être utilisée en monoélémentaire, comme dans la surveillance de l exposition au plomb en milieu professionnel. La méthode de dosage a été validée dans le sang total et la gamme de linéarité entre 2 et 1000 µg/l permet de surveiller les expositions parfois importantes que l on peut rencontrer sur certains sites industriels. Elle permet également le suivi en population générale et notamment le suivi de jeunes enfants dont la moyenne des concentrations se situe aujourd hui dans la région Nord- Pas de Calais aux environs de 30 µg/l. Cette méthode de dosage, comparée à la méthode de référence en spectrométrie d absorption atomique pour le dosage du plomb sanguin montre des résultats plus performants en terme de variabilité et sensibilité avec des limites de détection plus faibles. Le suivi de l exposition au mercure par le dosage du mercure urinaire est également facilement réalisable en ICP-MS sous certaines conditions. L utilisation d un mélange contenant de l or en milieu acide favorise l oxydation en formes non volatiles. La dilution des échantillons réalisée pour ne mesurer que des concentrations inférieures à 10 µg/l, associée à une maintenance stricte de l appareil permet d éviter l effet mémoire du Hg. La surveillance de l exposition au chrome hexavalent (Cr VI ) en milieu professionnel est proposée par le dosage du chrome urinaire total ou du chrome sanguin en ICP-MS équipée d une cellule de collision en mode hélium. Sachant que plus de 80% du Cr VI s élimine dans les urines en chrome trivalent (Cr III ), le chrome total urinaire reste un bon indicateur de l exposition récente mais une partie correspond au Cr III, élément essentiel dans l organisme. Pour le suivi de l exposition professionnelle à l arsenic, cancérogène de catégorie 1, il est indispensable de séparer l arsenic d origine alimentaire comme l arsénobétaine des autres formes toxiques de l arsenic. Une nouvelle méthode de spéciation est décrite en CLHP/ICP-MS sur une colonne ionique G (4,6 x 250 mm, Agilent Technologies). Après injection directe d un volume de 5 µl d urine, la séparation des différentes formes : As III, As V, acide monométhyl arsonique, acide diméthyl arsinique et arsénobétaine est réalisée. Cette séparation en 12 minutes avec une limite de détection de 0,8 µg/l pour chacune des espèces a été mise en place dans notre laboratoire pour une application en milieu professionnel. ICP-MS and occupational toxicology Laurence LABAT, Christine DHORNE, Florian KLINZIG, Betty DEHON, Michel LHERMITTE. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) is a multi-elementary technique for metal analysis for occupational monitoring. It is sensitive, specific and fast and these performances explain his position near classical techniques as atomic absorption spectroscopy (AAS). ICP-MS can be used for mono-elementary analysis for exposure evaluation to lead in occupational activities. Linearity was studied between 2 and 1000 µg/l in blood, suitable for occupational biomonitoring or obligatory notification of lead poisoning with blood concentrations near 30 µg/l in Nord-Pas de Calais region. ICP-MS method for lead determination in blood, in comparison with AAS reference methods, show results more performant for variability and sensibility with lower detection limit. Biomonitoring in occupational exposure for mercury is proposed in ICP-MS with special conditions. Golden used in acidic buffer allows oxidation in non volatile forms. Samples dilution proposed to 3

4 obtain urine concentrations less than 10 µg/l, with an adequate maintenance of the equipment, allow eliminating memory effect. For chromium (hexavalent form), biomonitoring with determinations in urine or blood is proposed in ICP-MS equipped with a collision/reaction cell in helium mode. More than 80% of Cr VI is eliminated in urine as Cr III, and determination of total chromium is adapted for recent expositions, even if Cr III is an essential element for human also eliminated in urine. For arsenic, a human carcinogenic potential with a CEE classification in first category, it is necessary to separate arsenobetaine with food origin, and other toxic forms of arsenic. A new speciation method is described in CLHP/ICP-MS on ionic column G (4.6 x 250 mm, Agilent Technologies). After direct injection of urine (5 µl), separation of As III, As V, monomethyl arsonique acid, dimethyl arsinique acid and arsenobetaine is realised. The separation in 12 minutes with a detection limit of 0.8 µg/l for each form is applied in our laboratory for occupational biomonitoring. 4 4

5 Approche analytique de la limite de quantification pour le dosage du plomb sanguin : étude multicentrique Didier OLICHON, Laurence LABAT, Joël POUPON, Muriel BOST, Vincent HAUFROID, Christian MOESCH, Anne NICOLAS, Yves FURET, Jean-Pierre GOULLE, Olivier GUILLARD, Anne LE BOUIL, Alain PINEAU Les résultats du dosage du plomb sanguin pour le diagnostic et le suivi épidémiologique du saturnisme infantile en France sont exprimés différemment selon les laboratoires : il apparaît que la limite inférieure de rendu d une valeur chiffrée correspond soit à la limite de détection (Ldd) soit à la limite de quantification (Ldq) et que cette valeur est située dans une fourchette de 1 à 50 µg/l selon le laboratoire et la méthode utilisée. A la demande de l Institut de Veille Sanitaire (InVS), une étude multicentrique a été réalisée par le groupe de travail «Risques Toxicologiques» de la SFTA afin de proposer une méthode consensuelle de détermination de la Ldq du plomb sanguin et de répondre au problème de rendu des résultats pour les concentrations les plus faibles. Cette étude a été réalisée dans 12 laboratoires sur un pool de sangs prélevés sur EDTA et sélectionnés de manière à correspondre à une concentration peu élevée (de l ordre de 40 µg/l) pour préparer par dilution trois solutions sanguines de 20, 10 et 5 µg/l. Ce pool et les trois solutions sanguines ont été analysés par l ensemble des laboratoires par 12 méthodes de spectrométrie d absorption atomique électrothermique (SAAE) et par 4 méthodes de spectrométrie de masse en plasma induit (ICP-MS). L objectif était d approcher la Ldq par la concentration la plus faible quantifiée répondant à la limite d acceptabilité de 20 %. Parallèlement, chaque laboratoire a déterminé sa Ldd et sa Ldq par 3 et 10 fois l écart-type (ET) blanc à partir du blanc (diluant) de sa méthode. Pour les 12 méthodes en SAAE, on observe des résultats comparables de la Ldq mesurée et de la Ldq calculée avec 6 méthodes. On peut noter une moindre variabilité dans la mesure de la Ldq par la méthode appliquant la limite des 20% (entre 4 et 18 µg/l) que dans la méthode estimant la Ldq par 10 ET blanc (entre 1,6 et 27,7 µg/l). En ICP-MS, les coefficients de variation CV restent toujours très inférieurs à 20% quelque soit le niveau de concentration mesurée et il n est donc pas possible dans les conditions de cette étude de mesurer précisément la Ldq par la méthode de quantification avec la limite d acceptabilité à 20%. D une façon générale, cette étude montre que l approche de la Ldq par la méthode des CV inférieurs à 20%, bien que plus lourde à mettre en œuvre, semble plus réaliste. Elle permet également en SAAE de définir une Ldq et donc une limite de rendu des résultats proche d une valeur de 15 µg/l pour trois méthodes et proche d une valeur de 10 µg/l pour 8 méthodes. En ICP-MS, les résultats montrent une meilleure sensibilité de la méthode pour le dosage du plomb sanguin avec une Ldq largement inférieure à 5 µg/l pour l ensemble des laboratoires. 5 Analytical approach of the limit of quantification of blood lead testing: a multicentric study Didier OLICHON, Laurence LABAT, Joël POUPON, Muriel BOST, Vincent HAUFROID, Christian MOESCH, Anne NICOLAS, Yves FURET, Jean-Pierre GOULLE, Olivier GUILLARD, Anne LE BOUIL, Alain PINEAU In France, the results of blood lead concentration assays for the diagnosis and epidemiological monitoring of lead poisoning in children are expressed differently depending on the laboratory. It would appear that the significance level of the value issued corresponds either to the limit of detection (LOD) or the limit of quantification (LOQ) and that this value falls within a margin of 1 to 50 µg/l depending on the laboratory and the method used. A multicenter study was conducted by the SFTA s industrial toxic waste working group Risques Toxicologiques, at the behest of the Sanitary Surveillance Institute (Institut de Veille Sanitaire), in order to put forward a consensual method of calculating the LOQ of blood lead concentrations and to address the problem of issuing results for the weakest concentrations. 5

6 The study was carried out in 12 laboratories on a blood pool drawn on EDTA and selected in order to correspond to an approximate concentration of 40 µg/l to prepare 3 blood solutions of 20, 10 and 5 µg/l per dilution. This pool and the 3 blood solutions were analysed by the laboratories using 12 electrothermal atomic absorption spectrometry (EAAS) methods and by 4 inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) methods. The objective was to bring the LOQ closer to the weakest concentration quantified that met the 20% acceptability limit. In parallel, each laboratory identified its LOD and its LOQ with 3 and 10 times the standard deviation (SD) blank using a blank (diluent) from its method. Of the 12 EAAS methods, similar results were observed between the measured LOQ and the calculated LOQ for 6 methods and it was observed that there were fewer differences for these 12 EAAS methods for LOQ measurement by quantification with the 20% limit (between 4 and 18 µg/l) than by calculation using the 10 SD blank formula (between 1.7 and 27.7 µg/l). In the case of ICP-MS, the CV always remained significantly below 20% whatever the concentration level measured and it is therefore impossible in this study to estimate the LOQ by the quantification method with a 20% acceptability limit. This study shows that the LOQ approach with a CV lower than 20% would seem to be more suitable. In the case of the EAAS method, it was possible to define a significance level for the result issued as being close to 15 µg/l (reported for 3 methods) and close to 10 µg/l (reported for 8 methods). In the case of ICP-MS the results reveal a better sensitivity for blood lead concentration assay methods with a LOQ largely inferior to 5 µg/l for all the laboratories. 6 6

7 Dosage des métaux lourds (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn et Hg) dans les sols par ICP-MS Nicolas ALSAC 7 Dans le cadre d études de sites pollué, l analyse des huit métaux lourds suivants arsenic, cadmium, chrome, cuivre, nickel, plomb, zinc et mercure est quasi-systématique. Des valeurs guides sont utilisées afin de statuer sur le niveau de pollution éventuel en fonction de l usage futur du site. Les laboratoires environnementaux dosent généralement ces éléments en utilisant deux techniques analytiques différentes, l une pour les sept premiers métaux et une seconde dédiée au mercure. Le but de cette étude était de mettre en place le dosage de l ensemble des huit éléments par une seule technique (ICP-MS) pour une application en routine. Préalablement à l analyse, les échantillons de sol subissent un prétraitement (séchage, tamisage, broyage) puis une minéralisation à l eau régale. Le minéralisat peut ensuite être dilué avant analyse. Cette dilution permet de réduire les interférences dues aux acides ou à la matrice elle-même mais doit permettre de garder une sensibilité suffisante vis-à-vis des valeurs guides à atteindre. Une chambre de collision (CCT) a été utilisée pour le dosage de certains éléments (As, Cr, Cu et Zn). Le mercure qui possède un effet mémoire important doit faire l objet d un traitement spécifique pour permettre de le doser sans arriver à des temps de rinçage excessifs ou risquer des contaminations croisées. Nous avons pour cela utilisé des dopages en or provoquant la complexation du mercure pour ramener ce phénomène à un niveau acceptable. Dans la mesure du possible, plusieurs isotopes ont été étudiés afin de pouvoir visualiser les interférences possibles. Une fois l ensemble des paramètres fixés, la validation de la méthode a été réalisée en particulier sur les éléments de limite de quantification, de spécificité, de répétabilité et de justesse pour chaque élément. Cette méthode s avère compatible avec le domaine d application concerné et facile à utiliser en routine. Analysis of heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn et Hg) in soils by ICP-MS Nicolas ALSAC In the case of studies of contaminated sites, arsenic, cadmium, chromium, copper, lead, zinc and mercury are almost always analyzed. Guide values are used to express the level of pollution depending on the future use of the site. Environmental laboratories usually quantify those elements using two different analytical methods. One for the first seven metals, the second one dedicated to mercury. The aim of this study was to set up the analysis of the eight elements by only one method (ICP-MS) for a routine use. Previously to the analysis, soil samples are pre treated (drying, milling, grinding) and digested with aqua regia. The digestate can be diluted before analysis. This dilution helps to reduce interferences due to acids but must remain sensitive enough compared to the guide values. A collision chamber (CCT) was used to analyse some elements (As, Cr, Cu and Zn). The analysis of mercury which has an important memory effect must be specifically treated to prevent a long rinsing time or a cross contamination. We used gold spiking to aggregate mercury and reduce the phenomenon to an acceptable level. When it was possible, many isotopes were studied to be able to observe interferences. After all the parameters were established, the validation was particularly focused on the limits of quantification, the specificity, the repeatability and the accuracy of each element. This method fulfils the scope of application needed and is easy to use in routine. 7

8 8 Valeurs usuelles des métaux et métalloïdes dans le sang total et les urines par ICP-MS chez cinquante quatre sujets décédés. Jean-Pierre GOULLÉ, Loïc MAHIEU, Valérie MAIGNANT, Daniel BOUIGE, Elodie SAUSSEREAU, Christian LACROIX Chez un quart des sujets pour lesquels une autopsie médico-légale est demandée, une cause toxique de décès est identifiée. La recherche des causes toxiques de la mort fait appel à des techniques chromatographiques couplées : barrette de diodes, spectrométrie de masse. Il s agit de méthodes très performantes pour de nombreux xénobiotiques organiques (médicaments, pesticides, substances variées), mais elles ne permettent pas de mettre en évidence des poisons minéraux. Pour ces derniers, un certain nombre d analyses spécifiques, longues et fastidieuses sont nécessaires avec au minimum les dosages des cyanures et du lithium dans le cadre de l expertise toxicologique de référence. Parmi les investigations complémentaires, la mesure des métaux et des métalloïdes est le plus souvent effectuée par spectrométrie d absorption atomique en mode monoélémentaire. Aussi nous proposons le dosage simultané d une trentaine de métaux et métalloïdes dans les prélèvements autopsiques sanguins et urinaires par plasma à couplage inductif relié à un spectromètre de masse (ICP-MS) pour rechercher une exposition à l un de ces éléments. Les mesures sont réalisées sur spectromètre X7CCT Thermo Elemental (ThermoOptek, Courtaboeuf, France), équipé d un passeur d échantillon et du logiciel PlasmaLab selon une technique déjà décrite. Trente et un éléments sont quantifiés simultanément dans du sang prélevé sur fluorure et dans les urines : Li, Be, B, A1, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Te, Ba, W, Pt, Hg, Tl, Pb, Bi, U. Le vanadium est le trente deuxième élément mesuré dans les urines. La détermination du brome est effectuée de manière semi-quantitative. Les dosages sont réalisés dans le sang total et les urines selon la méthode des ajouts dosés par dilution des échantillons en milieu acide en présence de butanol et de triton. Des valeurs fréquentes dans nos conditions de recueil sont établies chez des sujets dont le décès n est pas imputable à l un de ces minéraux. L impact des contenants sur les résultats obtenus a également été évalué. La validité des résultats est garantie par la participation de notre laboratoire au contrôle de la qualité par ICP-MS dans le sang total, les urines et les cheveux, organisé par l institut National de Santé Publique du Québec (Sainte-Foy, Canada). Les limites de détection et de quantification calculées sont excellentes et les scores obtenus au contrôle de qualité sont bons. Les valeurs fréquentes dans le sang total et les urines de 54 sujets décédés sont établies pour l ensemble des éléments. Les applications sont nombreuses : le dosage multiélémentaire permet au cours d une même analyse de rechercher une exposition à des poisons métalloïdiques ou métalliques (As, Tl), à des métaux lourds (Pb, Cd, Hg), à des métaux variés (Al, Co, Ni, Mo, W), à des médicaments (Li, Pt, Bi, Al), à des pesticides (As, Pb, Br, Al, Ba, Hg, Se, Cu), à des bombes fumigènes (Zn, Al), à des halogénures (Br, I), à des lanthanides (Ce, La, Gd), ou à des uranides (Th, U). L intérêt de la détermination du strontium et du brome dans le diagnostic de noyade en milieu contaminé par ces éléments est rappelé. La technique est également applicable à d autres matrices biologiques : cheveux et ongles en particulier. L ICP-MS offre ainsi des perspectives réellement nouvelles en toxicologie médico-légale. Le dosage multiélémentaire des métaux et métalloïdes devrait donc être réalisé dans tous les cas de décès inexpliqués par l autopsie et pour lesquels l expertise toxicologique de référence s avère négative. Whole blood and urine ICP-MS metal and metalloid determination: usual values found in fifty-four cadavers Jean-Pierre GOULLÉ, Loïc MAHIEU, Valérie MAIGNANT, Daniel BOUIGE, Elodie SAUSSEREAU, Christian LACROIX 8

9 9 Toxicology is considered a major topic in the field of forensic sciences. Toxicological analysis has made significant advances using chromatographic techniques, i.e. gas and liquid chromatography coupled to mass spectrometry, or liquid chromatography with diode array detector. These methods are excellent for many organic xenobiotics (drugs, pesticides, other organic substances), but are not suitable for minerals like cyanide or lithium. The standard atomic absorption spectrophotometry techniques are tedious to use, particularly when a vast number of elements are concerned. In recent years, the ICP-MS method has been extensively developed due to new high performance equipment. A thirty-two multi-elementary ICP-MS method is proposed for forensic blood and urine samples to detect pathologic exposure to these elements. The ICP-MS measurements were performed using a thermo Elemental X7CCT series and PlasmaLab software. In this procedure thirty-one elements are simultaneously quantified in fluoride whole blood and urine: Li, Be, B, A1, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Te, Ba, W, Pt, Hg, Tl, Pb, Bi, U. Semiquantitative bromide analysis is also assessed and vanadium determination is added to urine. Whole blood and urine analysis were performed using a standard addition procedure after acid dilution with butanol and triton. Frequent values were established in fifty four deceased biological fluids. As regards the urine samples, the results were corrected after enzymatic creatinine determination. Various types of blood collections were tested. Global performance was evaluated by a specific quality control program. Our laboratory is a registered participant of the National Institute of Public Health of Quebec (Institut National de Santé Publique du Quebec) Sainte-Foy, Canada, interlaboratory comparison program for whole blood, urine and hair. The limits of detection and the limits of quantitation were considered excellent and the quality control scores good. Usual values for the 54 deceased are presented. Multi-elementary analysis in a single run is most useful for exposure evaluation to poisons (As, Tl), heavy metals (Pb, Cd, Hg), various metals (Al, Co, Ni, Mo, W), drugs (Li, Pt, Bi, Al), pesticides (As, Pb, Br, Al, Ba, Hg, Se, Cu), fumigant bombs (Zn, Al) or halogens (Br, I), lanthanides (Ce, La, Gd) or uranides (Th, U). The interest of strontium and bromide determinations for death by drowning is mentioned. This multi-elementary procedure is applicable to other matrix like hair or nails. ICP-MS multi-elementary biological matrices should be routinely performed for all unexplained death. 9

10 Intoxication massive au lithium associée à une alopécie télogène diffuse Elodie SAUSSEREAU, Christian LACROIX, Pierre BRAVARD, Jean NOUVEAU, Jean- Pierre GOULLE 10 L observation rapportée concerne un cas d intoxication massive au lithium chez une femme de 38 ans, ayant ingéré jusqu à 120 comprimés de Teralithe LP 400 mg. Cette patiente, présentant des troubles de l humeur bipolaires, avait arrêté son traitement au lithium un mois avant l intoxication. La malade a présenté des troubles de la vigilance ainsi qu une défaillance multi-viscérale et hémodynamique. Au 15 ème jour de l intoxication, à l extubation, une zone d alopécie occipitale avec atteinte diffuse du cuir chevelu a été observée. L évolution des concentrations du lithium a été étudiée à partir de prélèvements sanguins. Les dosages plasmatiques et érythrocytaires ont été effectués par photométrie de flamme. Un prélèvement capillaire, effectué au 30 ème jour de l intoxication, a permis l étude des cheveux en microscopie optique et le dosage du lithium avec une torche à plasma couplée à un spectromètre de masse. Quarante huit heures après l ingestion du lithium sous forme à libération prolongée, les concentrations plasmatiques et intra-érythrocytaires étaient respectivement de 14,90 et 12,10 mmol/l. L épuration du lithium a été effectuée par hémodiafiltration veino-veineuse continue pendant 3 jours. L obtention de concentrations plasmatiques et globulaires inférieures à 0,05 mmol/l a nécessité 8 jours. Dans les cheveux, la teneur en lithium était respectivement au niveau des racines et des pointes, de 1,83 et 2,17 ng/mg. L examen en microscopie optique a mis en évidence 60% de cheveux télogènes. La malade, précédemment traitée avec du Teralithe LP 400 mg, a survécu à cette intoxication massive malgré des concentrations plasmatiques et intra-érythrocytaires considérables, jamais rapportées chez un sujet vivant. Acute lithium intoxication with diffuse telogen effluvium Elodie SAUSSEREAU, Christian LACROIX, Pierre BRAVARD, Jean NOUVEAU, Jean- Pierre GOULLE In the presented case, a 38 year old woman had taken until 120 tablets of Teralithe LP 400 mg. This woman who presented bipolar affective disorders had stopped her treatment with lithium one month before the intoxication. The patient was initially confused, and developed afterwards general and hemodynamic seizures. Fifteen days later, at the time of extubation, a diffuse effluvium was observed in the occipital region. The lithium pharmacokinetic was studied in blood samples. Quantitative determination in plasma and erythrocytes was done by flame photometry. Hair samples obtained from occipital site one month after the intoxication, were observed in optic microscopy and the lithium concentration was measured by ICP-MS. Forty eight hours after the massive ingestion of sustained-release lithium preparation, plasmatic and intraerythrocytic levels were respectively 14,90 and 12,10 mmol/l. Continuous venovenous haemodialysis was performed for 3 days. Plasmatic and intraerythrocytic concentrations were below the limit of detection after 8 days. The hair lithium concentrations were respectively in roots and tips, 1,83 and 2,17 ng/mg. The trichogram revealed 60% of telogen hairs. This patient, treated with Teralithe LP 400 mg, has lived through this acute intoxication despite very high plasmatic and intraerythrocytic levels of lithium, never described in medical literature in a survived patient. 10

11 Les métaux marqueurs de la noyade Marc DEVEAUX, Gilbert PÉPIN 11 Le diagnostic médico-légal de noyade dans l eau est rendu complexe du fait de trois mécanismes de décès possibles : noyade vraie, résultant de la pénétration de liquide dans les voies aériennes ; hydrocution, sans pénétration hydrique ; mort subite en situation immergée. Deux questions se posent habituellement : la mort est-elle survenue antérieurement à l immersion? la noyade est-elle la cause de la mort? Les examens classiques macroscopiques et microscopiques peuvent révéler des lésions évocatrices de noyade, mais ces critères manquent de spécificité ; ceci a conduit à la description et à l utilisation de marqueurs caractéristiques du passage de l eau dans la circulation sanguine. Les variations des électrolytes (calcium, sodium, potassium, magnésium, chlore) ont été particulièrement suivies, mais sont difficiles à interpréter. C est pourquoi deux métaux, le strontium (Sr) et le fer (Fe), ont été étudiés durant la dernière décennie. Les évolutions récentes de l ICP-MS représentent un apport intéressant pour ces dosages, qui peuvent être fait en routine. Nous présentons une méthode simple et rapide pour le dosage du Sr dans le sang et l eau de noyade ou de découverte du cadavre. Les concentrations normales de Sr dans le sang varient de 10 à 50 µg/l. Ce métal existe en quantités importantes, mais variables, dans les eaux douces. La concentration de Sr dans l eau de mer est toujours très élevée. Lors d une noyade par submersion, la pénétration d eau dans le sang veineux pulmonaire se traduira par une hémodilution dans la petite circulation et une augmentation du Sr dans le sang du cœur gauche. Il faut comparer ce résultat avec la concentration dans l eau où a été retrouvé le cadavre. L utilisation des concentrations sanguines en Fe reste limitée aux noyades en eau douce. On compare alors les teneurs en Fe du sang des cavités cardiaques droites et gauches : elle est plus importante à droite qu à gauche. Quoiqu il en soit, le dosage par ICP-MS de métaux et de métalloïdes dans le sang et l eau de noyade ne peut être qu un élément du faisceau d arguments médico-légaux permettant de conclure à une noyade vitale. Metals and drowning Marc DEVEAUX, Gilbert PÉPIN The medico-legal diagnosis of drowning is difficult because of three possible mechanisms of death : true drowning, due to water aspiration ; hydrocution, without water aspiration ; sudden death while immersion. Two questions are often asked: does death occurred before immersion? is drowning the cause of death? Classical autopsy and microscopical findings could be helpful for the diagnosis of drowning, but these criterions are not totaly specific. Various thanatochemical parameters were studied (electrolytes and minerals including calcium, sodium, magnesium and chloride) in order to proof water aspiration. Unfortunately the interpretation of the result is difficult. Two metals, strontium (Sr) and iron (Fe) where also studied during the past ten years, and recent evolutions of ICP-MS appear to be very helpful for the simultaneous determination of these metals. We present here a fast and easy-to-use method for blood and water Sr determination. Noraml blood concentration of Sr ranged from 10 to 50 µg/l. Strontium concentration is much more important in fresh water (at various concentrations) and is very high in sea water. In case of water aspiration, there is an hemodilution and Sr concentration in the left heart will rise with a significant difference. This value has to be compared with the Sr concentration in the water where the body was found. This can be used in both fresh and sea water. Iron concentrations measured in left and right heart are only useful for fresh water drowning. However, ICP-MS metals and metalloids determinations in blood and water are only a part of the combination of others findings, which appear to be a good compromise in arriving at a drowning conclusion. 11

12 Carences nutritionnelles, oligo-éléments et cheveux. Place de l'icp-ms Pascal KINTZ 12 La beauté physique des cheveux (aspect, couleur, brillance...) a longtemps été interprété comme un reflet de l'état général d'un individu, et en particulier de son régime alimentaire. À l'inverse, plus récemment et lié au développement d'appareillage sensible et spécifique, de type ICP-MS, il a été proposé d'établir un diagnostic en oligo-éléments à partir des cheveux. Les aliments sont alors considérés comme des signaux chimiques qui peuvent être dépistés à long terme dans les cheveux. L'analyse de la littérature permet de distinguer deux situations où le dosage des oligo-éléments dans les cheveux peut être mis en oeuvre. L'évaluation du régime alimentaire et la mesure des carences nutritionnelles sont néanmoins des approches très différentes. Le régime alimentaire correspond à ce qui a été volontairement consommé par l'intéressé (eau, nourriture). Les éventuelles carences nutritionnelles sont liées aux concentrations en oligo-éléments nécessaires pour un métabolisme optimal. L'alimentation peut être très variée et conduire au même état nutritionnel. La méthode de criblage et les concentrations physiologiques établies au laboratoire ChemTox de 32 éléments sur une population de 65 personnes âgées de 4 à 73 ans ont été établies et il semble important que chaque laboratoire dispose de ses propres valeurs de référence. Le criblage et le dosage des oligoéléments dans les cheveux n'ont pas encore montré à la communauté scientifique un intérêt diagnostic majeur, comme cela est le cas pour les molécules organiques. L'absence de qualificatif adéquat provient essentiellement des trop nombreuses limitations de cette approche. Si la phase analytique est aujourd'hui totalement maîtrisée par l'utilisation en routine de l'icp-ms, les difficultés majeures sont au niveau de l'interprétation des résultats et à l'absence d'homogénéité dans les conclusions rendus à partir du même échantillon Dans ces conditions, et en particulier du fait de la facilité de prélèvement et de conservation des cheveux, ce type d'investigation pourrait au mieux permettre des étude épidémiologique sur une population large. Hair and diet assessment. Testing for trace elements by ICP-MS Pascal KINTZ The appearance of an individual's hair has long been known to reflect his diet and nutritional status. More recently, due to very sensitive and specific apparatus such as ICP/MS, it has been possible to accurately determine trace elements using hair. Metals detectable in hair can be considered to be either nutritionally necessary or toxic, and can be related to both dietary and non-dietary exposure. The assessment of dietary intake (food and water intentionally consumed by an individual) and the assessment of nutritional status (degree to which an individual has a certain level of nutrients for optimal metabolic function) are two very different issues and it is essential to distinguish between them. At ChemTox, the analytical approach to test for 32 elements includes decontamination with water and acetone, hydrolysis with nitric acid and analysis using ICP/MS. It is critical that each laboratory establishes its own reference data. Hair analysis has not yet proved itself as useful a tool for diet and nutrient assessment as it has for toxicity studies. However, if one acknowledges the limitations of current interpretations, these analyses can still yield valuable information. Its advantages, in terms of availability and ease of sampling, ensure that many will continue to investigate how far we can reconstruct an individual's dietary and nutritional history from studying the hair. 12

13 Méthodologies analytiques pour la spéciation des métaux dans les produits de la mer dans le cadre d'une approche bénéfice/risque (étude CALIPSO) Hervé GARRAUD, Véronique VACCHINA, Fabienne SEBY, Jean DUMONT, Véronique SIROT, Thierry GUERIN, Jean-Charles LEBLANC Dans le cadre de l étude CALIPSO ayant pour objectif de cerner les niveaux d imprégnation de certains polluants pour de forts consommateurs de produits de la mer, des analyses des teneurs en arsenic, cadmium, mercure et plomb ont été réalisées sur des échantillons de poissons, de crustacés, de mollusques et de produits élaborés ainsi que sur des échantillons de sang humain. L originalité de l approche repose en partie sur des analyses de spéciation préalablement développées au laboratoire telles que pour l arsenic et le mercure. Pour se faire, les méthodologies ont dû être encadrées par des contrôles de qualité internes avant d être appliquées sur un grand nombre d échantillons. Ainsi lorsque cela a été possible, des échantillons de référence certifiés (CRM) avec une matrice proche de celles étudiées ont été utilisés (détermination des teneurs totales en As, Cd, Hg et Pb et teneurs des formes organiques de l arsenic et du mercure). Dans le cas du mercure, une approche de la dilution isotopique a été mise en œuvre afin d améliorer les performances analytiques et de pallier certains artefacts analytiques (conversion, correction de rendement d extraction du méthylmercure). Les paramètres de justesse, de fidélité et les seuils de détection ont été déterminés dans les produits de la mer et le sang humain. 13 Analytical methodologies for speciation of trace metals in seafood samples in a benefit / risk approach (CALIPSO Study) Hervé GARRAUD, Véronique VACCHINA, Fabienne SEBY, Jean DUMONT, Véronique SIROT, Thierry GUERIN, Jean-Charles LEBLANC In the frame of the CALIPSO study concerning the determination of impregnation levels of some pollutants for seafood consumers, analyses of arsenic, cadmium, mercury and lead were performed on seafood samples and human whole blood. The originality of this approach is partly based on speciation analyses for arsenic and mercury. Analytical methodologies were fully validated and applied to a significative number of samples. Thus, certified reference materials closed to sample matrices were used when possible (As, Cd, Hg and Pb total content, and arsenic and mercury organic species). In case of mercury speciation analyses, the isotopic dilution was used in order to correct analytical artefacts such conversion and reaction yield correction. Accuracy, reproducibility and detection limits were the determined in seafood and whole blood samples. 13

14 Spéciation de l'arsenic par couplage LC-ICP-MS : avantages et inconvénients en biologie médicale. Anne LE BOUIL La toxicité de l'arsenic dépendant de la forme chimique sous laquelle il se trouve, le dosage de l'arsenic total seul ne permet pas une interprétation correcte en biologie médicale. Il peut, tout au plus, être utilisé comme analyse de dépistage afin d'écarter une éventuelle intoxication. La spéciation s'impose. De nombreuses techniques permettent aujourd'hui de quantifier les différentes espèces d'arsenic. Le couplage de la chromatographie en phase liquide à la spectrométrie de masse couplée à un plasma induit par haute fréquence (LC-ICP-MS) est l'une des plus utilisées. L'avantage principal de ce couplage réside dans les qualités de l'icp-ms en tant que détecteur, à savoir sensibilité, spécificité, gamme de mesure étendue (dynamic range). Les limites de détection obtenues en LC- ICP-MS varient selon les auteurs et les formes d'arsenic de 0,5 µg/l à 10 µg/l dans l'urine ce qui permet d'atteindre des niveaux de concentration rencontrés chez les sujets non exposés. L'autre avantage est la facilité dans la mise en œuvre du couplage entre le système chromatographique et l'icp-ms. En effet, il suffit de raccorder la sortie de la colonne par un tuyau (type tube en PEEK ) au nébuliseur de la torche. Les débits classiquement utilisés en chromatographie liquide ( 1 ml/min) sont compatibles avec le fonctionnement de la torche à plasma.les inconvénients sont d'ordre économique et chromatographique. Le coût d'achat et de fonctionnement lié à la consommation d'argon (15 L/min) n'est pas à la portée de tous les laboratoires. La consommation d'argon est un paramètre à prendre en compte en LC-ICP-MS car si la durée moyenne d'une analyse en mode de fonctionnement ICP-MS normal est de deux minutes, la durée de l'analyse chromatographique est plutôt de l'ordre d'une dizaine de minutes. L'utilisation de l'icp-ms comme détecteur impose des contraintes dans le choix de la phase mobile. Une quantité trop importante de solvant organique déstabilise le plasma, limitant celle-ci à des concentrations généralement inférieures à 5%. D'autre part, des concentrations de tampon supérieures à 50 mm peuvent être à l'origine de dépôts de sels au niveau du nébuliseur et du cône échantillonneur. En conclusion, si la LC-ICP-MS est une technique répondant aux besoins en biologie médicale en termes de performances analytiques, elle n'en demeure pas moins une technique coûteuse. Arsenic speciation by LC-ICP-MS : advantages and disadvantages in clinical chemistry. Anne LE BOUIL The toxicity of arsenic depends on its chemical form, therefore determination of total arsenic concentration is not sufficient in clinical chemistry. Total arsenic determination can be used as a screening test to rule out an intoxication. It is necessary to measure individual concentration of every arsenical species. Today, arsenic speciation can be carried out using several hyphenated techniques. High performance liquid chromatography coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry (LC-ICP-MS) is one of the most commonly used methods. The principal advantages of this method are the qualities of ICP-MS : high sensitivity, large dynamic range and selectivity. The detection limits achieved by LC-ICP-MS are between 0,5 and 10 µg/l according to the arsenical species and the authors, which permits the speciation in biological samples from unexposed persons. Another advantage is the simplicity of the interface. The outlet from the HPLC column is directly connected to the ICP-MS nebulizer with a capillary tube (PEEK tubing). Usual chromatographic flows ( 1 ml/min) are compatible with the nebulizer uptake rate of the ICP-MS instrument. The main inconvenience is the cost of investment and running. The consumption of argon (15 L/min) must be taken into account because the times of analysis by LC-ICP-MS are often more than ten minutes. The use of ICP-MS imposes some limitations on the composition of the mobile phase. The introduction of organic solvents can destabilize the plasma, so only percentages less than 5% are commonly used. In addition, buffer concentrations more than 30 mm lead to salt deposition at the 14 14

15 nebulizer tip and MS sampling cone. In conclusion, LC-ICP-MS has the analytical performances needed for the speciation of arsenic in clinical chemistry but is expensive

16 16 Apport de la Technique ICP-MS à l analyse toxicologique : la spéciation des métaux. Hugues PAUCOT, Hervé GARRAUD La détermination des états physico-chimiques d un élément, que l on appelle la spéciation d un élément, constitue une source d intérêt croissant au cours de ces dernières années. L amélioration de la compréhension des processus physico-chimiques conduisant à l assimilation d un élément, ou la mise en évidence de sa toxicité a entraîné une multiplication des développements analytiques en vue de l analyse des différentes espèces. Ce type d analyse comporte, tout d abord, une phase de séparation réalisée par chromatographie liquide haute performance, chromatographie en phase gazeuse ou encore électrophorèse capillaire. Une fois cette séparation réalisée, la détermination des concentrations est réalisée par un système de détection. A ce jour, l ICP-MS, du fait de sa sensibilité, de sa multi-élémentarité et de sa rapidité constitue la technique la plus utilisée à cette fin. L objet de cet article est donc de faire le point sur les possibilités offertes par l ICP-MS utilisé en couplage avec un système de séparation chromatographique, dans l analyse de la spéciation des éléments traces dans les matrices biologiques. ICP-MS technique contribution to toxicological analysis: Metal speciation Hugues PAUCOT, Hervé GARRAUD Determination of the physico-chemical species of an element, called speciation analysis, has constituted an increasing source of interest during the last years. The improvement of the understanding of the physico-chemical processes driving to the assimilation of an element, or to the display of the toxicity has involved a multiplication of the analytical developments regarding the analysis of the various species. This kind of analysis comprises, at first, a separation realized by High Performance Liquid Chromatography, Gas chromatography or Capillary Electrophoresis. Once this separation made, the determination of the concentrations is realized by a detector. ICP-MS is actually the most used technique for this goal due to its sensitivity, multi-elementarity and speed of analysis. The goal of this publication is to strike the balance on the possibilities offered by ICP-MS used in hyphenation with a system of chromatographic separation, in the frame of speciation analyses of trace elements in biological matrices. 16

17 Concept innovant de l Interface à Collision et Réaction (CRI) pour la gestion des interférences polyatomiques en ICP-MS. Application au dosage multi élémentaire dans les matrices biologiques. Yolande ABDELNOUR L analyse d éléments à l état de traces dans les fluides biologiques par ICP-MS s est largement développée au cours des dernières années. Cette technique offre plusieurs avantages par rapport à l absorption atomique utilisée traditionnellement, notamment la possibilité d analyse multi élémentaire, la préparation simplifiée des échantillons et l amélioration des limites de détection. Cependant, les performances d un analyseur de masse quadripolaire peuvent être compromises par la présence d interférences spectroscopiques qui empêchent le dosage de certains éléments «difficiles» comme le chrome, l arsenic, le sélénium à faibles teneurs. Le présent article décrit le concept innovant de gestion des interférences à travers l Interface à Réaction et à Collision CRI* (brevet Varian) intégré au modèle 820-MS CRI-ICP-MS VARIAN ainsi que son utilisation dans l analyse simultanée d éléments traces et majeurs dans les matrices biologiques comme le sang et l urine. Innovative concept of the Collison Reaction Interface (CRI) for polyatomic Interferences management by ICP-MS. Application to multi-elemental analysis in biological matrices. Yolande ABDELNOUR Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) has been extensively used over the past few years for the determination of trace and ultra-trace elements in biological samples. This technique offers multi-elemental capabilities, ease of use, simplified sample preparation and improved detection limits over traditional atomic spectroscopy techniques. However, the performances of traditional quadrupole mass analyzers can be compromised by the presence of several spectral interferences which deteriorates the detection capability for some critical elements like chromium, arsenic, selenium. This paper describes a novel approach for interference removal via the use of patented collision reaction interface (CRI) integrated in the Varian 820-MS CRI-ICP- MS and applying it to the simultaneous analysis of trace and major elements in biological matrices such as whole blood and urine

18 18 Spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) à cellule de collision/réaction (CC/R) pour l analyse clinique Performances et applications à l analyse élémentaire et à la spéciation Jérôme DARROUZÈS Rapide, multiélémentaire, combinant à la fois de faibles limites de détection et une linéarité sur plusieurs ordres de grandeur jusqu à 9 selon les appareils le spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) se révèle un outil analytique particulièrement performant pour les analyses inorganiques. Un seul instrument permet de remplacer avantageusement l absorption atomique flamme et four ainsi que le spectromètre de masse à couple inductif et détecteur optique (ICP-OES ou ICP-AES). Ainsi, la capacité de l ICP-MS à tolérer l introduction de matrices chargées tout en conservant de très basses limites de détection en fait un instrument de choix dans les applications cliniques. Au travers de différents exemples d analyse d échantillons de sang, de sérum et d urine, les performances analytiques de l ICP-MS en termes de limites de détection, de justesse et de stabilité seront présentées. De plus, l apport de la dernière génération d appareil à cellule de collision/réaction (CC/R) utilisant un gaz inerte comme l hélium permettant de supprimer l ensemble des interférences polyatomiques avec un seul jeu de conditions quelle que soit la matrice sera souligné. Enfin, les capacités à coupler l ICP-MS avec une technique séparative seront illustrées par la spéciation de l arsenic dans l urine. Inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) equipped with Collision/Reaction Cell (C/RC) for clinical analysis. Performances and applications for elemental and speciation analysis Jérôme DARROUZES Fast, multielemental, associating low detection limits and linearity on several orders of magnitude up to 9 depending on the instruments the inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) is a powerful analytical tool for the inorganic analysis. An unique instrument is able to replace atomic absorption and optical inductively coupled plasma (ICP-OES, ICP-AES). In addition, due to its tolerance to high sample matrix, the ICP-MS is a tool of interest for the clinical analysis. Different examples of blood, serum and urine analysis will highlight the analytical figures of merit in terms of detection limits, accuracy and stability. The interest of the last generation of the instrument equipped with collision/reaction cell (C/RC) using helium to suppress all the polyatomic interferences created into the plasma with only one set of conditions whatever the matrix will be underlined. Finally, the capabilities of coupling the ICP-MS with a separative technique will be presented using the example of arsenic speciation in urine. 18

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