Wine Cunterfeiting: Development of fast, non-destructive and multifactorial laser-based spectrochemical methods for authentication of bottled wine

378 p.La presente Tesis Doctoral pretende avanzar en el desarrollo de una herramienta analítica que permita certificar la autenticidad de un vino de forma inequívoca mediante técnicas analíticas no invasivas (es decir, prácticamente inapreciable a simple vista) como son la ablación laser con plasma de acoplamiento inductivo-espectrometría de masas (LA-ICPMS) y las espectroscopias Raman e Infrarroja, que permiten el análisis de una muestra sólida sin necesidad de procesarla y sin inducir degradación o alteración apreciable alguna. Mediante la metodología desarrollada se pretende establecer el perfil elemental y molecular del vidrio, el papel, la tinta y la cápsula de las botellas de vino

Wine Cunterfeiting: Development of fast, non-destructive and multifactorial laser-based spectrochemical methods for authentication of bottled wine

378 p.La presente Tesis Doctoral pretende avanzar en el desarrollo de una herramienta analítica que permita certificar la autenticidad de un vino de forma inequívoca mediante técnicas analíticas no invasivas (es decir, prácticamente inapreciable a simple vista) como son la ablación laser con plasma de acoplamiento inductivo-espectrometría de masas (LA-ICPMS) y las espectroscopias Raman e Infrarroja, que permiten el análisis de una muestra sólida sin necesidad de procesarla y sin inducir degradación o alteración apreciable alguna. Mediante la metodología desarrollada se pretende establecer el perfil elemental y molecular del vidrio, el papel, la tinta y la cápsula de las botellas de vino

Wine counterfeiting : development of fast, non-destructive and multifactorial laser-based spectrochemical methods for authentification of bottled wine.

La connaissance du raisin et du vin est aussi vieille que l’histoire culturelle de l’humanité. Il est bien connu depuis l'ancienne civilisation l'influence du «terroir» sur le vin, c'est-à-dire un espace géographique délimité où une communauté humaine construit au cours de l’histoire un savoir collectif de production qui confère une typicité et engendrent une réputation pour un produit originaire de cet espace géographique. Les grands vins, tout comme les vins de moindre renommée, représentent une cible privilégiée des faussaires. La contrefaçon s’intensifie et se développe en grande partie en Chine. Selon la comission du vin et spiritueux du Comité National des Conseillers du Commerce Extérieur de la France, il existe au moins une bouteille de vin forgé pour chaque bouteille de vin français original. Bien que la Chine ne soit pas le seul fournisseur de vins contrefaits, la croissance rapide du marché du vin dans ce pays et l'absence de lois protégeant la propriété intellectuelle ont déclenché le marché noir. On estime que 20% des vins consommés dans le monde sont contrefaits. Selon l’Office de l’Union Européenne pour la propriété intellectuelle, l’industrie des vins et spiritueux européenne perd environ 1,3 milliard d’euros chaque année du fait de la contrefaçon sur le marché de l’UE, ce que correspond à 3,3% de ventes de ces secteurs, ce qui se traduisent en une perte directe d’environ 4800 emplois. La contrefaçon des vins peut revêtir plusieurs formes et les mesures de lutte contre la contrefaçon en vigueur ont montré leur manque d’efficacité. Ce sont des techniques invasives qui sont utilisés lors de la vérification des vins. Elles sont basées principalement sur une analyse du contenu et nécessitent donc l’ouverture de la bouteille, ce qui est dommageable lorsqu’il s’agit de vins de grande valeur. Le travail présenté ici, présente un nouvel outil de diagnostic non ambigu basé sur l'analyse ultra-trace des matériaux constituant l’emballage (verre, papier et encres, capsule) par ablation laser femtoseconde ICPMS. Cette technique non invasive est rapide (5 minutes environ), permet de détecter des traces élémentaires inférieures au ng/g et n’a pas d’équivalent en terme de performance à ce jour. Dans une première étape, nous avons designée et développé une nouvelle cellule d’ablation qui permet de réaliser l’analyse multiélémentaire direct en n’induisant aucune dégradation visible sur la bouteille. Dans une deuxième étape, la nouvelle cellule d’ablation a été apliquée a l’analyse direct de l’emballage. Pour l’analyse du papier et des encres, en raison du manque de matériaux de référence certifiés, représente un véritable challenge analytique. Nous avons mis au point une approche quantitative en développant nos propres standards par impression jet d’encre de papier à partir de solutions dopées. Finalement, un nouvel outil de diagnostic non ambigu basé sur l’espectroscopie Raman et Infrarouge a été développée pour l’analyse moleculaire qualitatif et direct du papier et des encres afin de compléter les résultats obtenus avec le fsLA-ICPMS. L’instrumentation et ces méthodes de caractérisation des emballages ont été appliquées avec succès à l’analyse d’un grand nombre de bouteilles (n>200) d’origine contrôlée et de bouteilles originaires d’autres pays. Les traitements statistiques des données basés sur une analyse multivariée (PCA, PLS, classification hiérarchique) montrent clairement la distinction entre les bouteilles d’origines et les bouteilles contrefaites en isolant et hiérarchisant les éléments traces à l’origine de cette discrimination. Il a par ailleurs été possible de différencier la signature chimique des bouteilles selon leur origine géographique et le millésime.The knowledge of grape and wine is as old as the cultural history of humankind. It is well known since the ancient civilizations the influence of the "terroir" on wine, which is a limited geographical space where a human community constructs a collective knowledge of production, which gives wine grapes their distinctive character and generate a reputation for a product originating from this geographical area. The great wines are a prime target for counterfeiters because of their brand value, mostly originating from the Asian market. According to the National Committee of Foreign Trade Advisers of France (Comité National des Conseillers du Commerce Extérieur de la France, CNCCEF) the wine fraud is not just a matter of a few bottles but also includes an entire clandestine industry. According to the Wine and Spirits Commission of the CNCCEF, there is at least one bottle of forged wine for each bottle of original French wine in China. Although China is not the only supplier of counterfeited wines, the rapid growth of the wine market in this country and the absence of laws protecting intellectual property have triggered the counterfeit market. It is estimated that 20% of the wines consumed in the world are counterfeit. In fact, according to the European Union Intellectual Property Office, it is estimated that the legitimate industries losses approximately €1.3 billion of revenue annually due to the presence of counterfeit spirits (€740 million) and wine (€530 million) in the EU market, 3.3% of the sector’s sales, which results in a direct loss of about 4,800 jobs. Wine fraud may be categorized in several forms and anti-counterfeiting measures have shown lack of effectiveness. Unfortunately, invasive techniques are used for wine verification purposes, which are mainly based on liquid sampling, requiring opening the bottle that can be fateful when it comes to great value wines. This work presents a new unambiguous diagnostic tool based on the ultra-trace analysis of the wine packaging (glass, paper and inks, capsule) by femtosecond laser ablation coupled to ICPMS. This is a fast (about 5 minutes) and non-invasive technique, which allows detecting trace elements below ng/g and has no equivalent in terms of performance to date. In a first step, we have designed and developed a new ablation cell that allows direct and multi-elemental analysis of the packaging without causing any visible degradation on the bottle. In a second step, the new ablation cell has been applied to the direct analysis of the packaging components. For the analysis of paper and inks, as the lack of certified reference materials represents a real analytical challenge, we have developed a quantitative approach by developing our own standards by printing spiked solution with an inkjet printer. Finally, in order to complement the results obtained with fsLA-ICPMS, a new unambiguous diagnostic tool based on Raman spectroscopy and Infrared spectroscopy has been developed for the qualitative and direct molecular analysis of paper and inks. The instrumentation and packaging characterization methods have been applied to the analysis of a large number of bottles (n> 200) of controlled origin and bottles originating from other countries. The statistical processing of data based on multivariate analysis (PCA, PLS, hierarchical classification) clearly shows the distinction between authentic and counterfeited bottles by isolating and prioritizing the trace elements responsible for this discrimination. It was also possible to distinguish the chemical signature of the bottles according to their geographical origin and the vintage

LOCALISATION ET QUANTIFICATION DE L'URANIUM DANS LES STRUCTURES RENALES DE RONGEURS EXPOSES AU NITRATE D'URANYLE PAR LA TECHNIQUE LA-ICP-MS

International audienceLa surexposition à l'uranium entraîne un dysfonctionnement rénal suite à son effet toxique par des actions chimique et radiologique. De plus, la distribution tissulaire de l’uranium est hétérogène, s'accumulant et induisant principalement des lésions pathologiques dans les segments S2 et S3 du tubule proximal situés dans la zone corticale (100 fois la concentration rénale moyenne). Ce travail présente le développement d'une méthodologie analytique basée sur la spectrométrie de masse à couplage inductif et la technique d’ablation laser (LA-ICP-MS) pour la cartographie et la quantification de l'uranium dans des coupes de tissus histologiques de reins de souris. À ce jour, une seule équipe a récemment publié une analyse de l’uranium dans les reins de souris qui reste semi-quantitative à cause de l’absence d’un étalon interne approprié. Afin de réaliser des analyses quantitatives de bio-imagerie LA-ICPMS, nous avons développé des standards de laboratoire adaptés à la matrice rénale et une stratégie de normalisation basée sur la gélatine dopée avec un standard interne. Les premiers résultats quantitatifs obtenus à partir d’images préliminaires de cryo-sections de rein ont mis en évidence une distribution hétérogène de l'uranium dans le tissu rénal, avec une concentration corticale 60 fois supérieure à la concentration médullaire

Renal localization and quantification of uranium in rodent exposed to uranyl nitrate by LA-ICP-MS

International audienceThe over-exposure to uranium results in renal toxicity, which is derived form an excessive accumulation of the element in the kidney, characterized by reduced glomerular filtration, exerting its toxic effect by chemical and radiological action [1-3]. In addition, its tissue distribution is heterogeneous mostly accumulating and producing pathological lesions in the S2 and S3 segments of the proximal tubule located in the cortical zone (100-fold above mean renal concentration) [4-6]. Chronic exposure (occupational exposure) to uranium, is linked to its bioaccumulation in kidney and could be associated with renal dysfunction, an increased risk of cancer mortality and kidney failure [7-9]. Up to day, few quantitative studies have been carried out employing high-energy synchrotron radiation X-ray fluorescence analysis (SR-XRF) and X-ray absorption fine structure (XAFS) [10, 11]. Unfortunately, the limited access to these analytical techniques limits considerably its daily use for routine analysis. Therefore, this works presents the development of an analytical methodology based on mass spectrometry imaging (MSI) using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) for mapping and quantifying uranium in histological tissue sections of mouse kidney. To the author’s knowledge a single work has been published recently for the semi-quantitative analysis of uranium in mice kidneys due to the lack of an appropriate internal standard [12]. In this study, the uranium exposure of mice was performed using a direct nasal instillation of few µL of uranyl nitrate solutions at different uranium concentrations. Total uranium analysis was done by conventional liquid ICP-MS after acid digestion using one kidney from each pair. In parallel, the other kidney was employed for LA-ICP-MS analysis. In order to perform quantitative LA-ICPMS bio-imaging analysis, synthetic matrix-matched laboratory standards and a normalisation strategy based on internal standard spiked gelatine were developed. Preliminary quantitative images of cryo-sections revealed heterogeneous distribution of uranium within the renal tissue, being the cortical concentration 60-fold higher than the medullary concentration

A novel calibration strategy based on internal standard spiked gelatine for quantitative bio-imaging by LA-ICP-MS:Application to renal localization and quantification of uranium

International audienceMass spectrometry imaging (MSI) using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) has been employed for the elemental bio-distribution and quantification of uranium (U) in histological tissue sections of rodent kidneys. Samples were immediately immersed into 4% paraformaldehyde (PFA) solution during 24h, Tissue Tek OCT embedded and stored at -80°C until cutting in cryostat and mounting in gel covered glass slides. Sample preparation and laser conditions were carefully optimized to assure the complete ablation of the sample matrix. This works presents the development of internal standard correction methodology based on doped gelatine. In order to correct matrix effects, lack of tissue homogeneity and instrumental drift, a thulium (Tm, internal standard) spiked 10% (m/v) gel was prepared and deposited on the top of glass slides. For quantification purposes, matrix-matched laboratory standards were prepared from a pool of rat kidneys by dosing each level with different concentrations of uranium. The quantitative images of cryo-sections revealed heterogeneous distribution of uranium within the renal tissue, being the cortical concentration up to 120-fold higher than the medullary concentration

LOCALISATION ET QUANTIFICATION DE L'URANIUM DANS LES STRUCTURES RENALES DE RONGEURS EXPOSES AU NITRATE D'URANYLE PAR LA TECHNIQUE LA-ICP-MS

International audienceLa surexposition à l'uranium entraîne un dysfonctionnement rénal suite à son effet toxique par des actions chimique et radiologique. De plus, la distribution tissulaire de l’uranium est hétérogène, s'accumulant et induisant principalement des lésions pathologiques dans les segments S2 et S3 du tubule proximal situés dans la zone corticale (100 fois la concentration rénale moyenne). Ce travail présente le développement d'une méthodologie analytique basée sur la spectrométrie de masse à couplage inductif et la technique d’ablation laser (LA-ICP-MS) pour la cartographie et la quantification de l'uranium dans des coupes de tissus histologiques de reins de souris. À ce jour, une seule équipe a récemment publié une analyse de l’uranium dans les reins de souris qui reste semi-quantitative à cause de l’absence d’un étalon interne approprié. Afin de réaliser des analyses quantitatives de bio-imagerie LA-ICPMS, nous avons développé des standards de laboratoire adaptés à la matrice rénale et une stratégie de normalisation basée sur la gélatine dopée avec un standard interne. Les premiers résultats quantitatifs obtenus à partir d’images préliminaires de cryo-sections de rein ont mis en évidence une distribution hétérogène de l'uranium dans le tissu rénal, avec une concentration corticale 60 fois supérieure à la concentration médullaire

Renal localization and quantification of uranium in rodent exposed to uranyl nitrate by LA-ICP-MS

International audienceThe over-exposure to uranium results in renal toxicity, which is derived form an excessive accumulation of the element in the kidney, characterized by reduced glomerular filtration, exerting its toxic effect by chemical and radiological action [1-3]. In addition, its tissue distribution is heterogeneous mostly accumulating and producing pathological lesions in the S2 and S3 segments of the proximal tubule located in the cortical zone (100-fold above mean renal concentration) [4-6]. Chronic exposure (occupational exposure) to uranium, is linked to its bioaccumulation in kidney and could be associated with renal dysfunction, an increased risk of cancer mortality and kidney failure [7-9]. Up to day, few quantitative studies have been carried out employing high-energy synchrotron radiation X-ray fluorescence analysis (SR-XRF) and X-ray absorption fine structure (XAFS) [10, 11]. Unfortunately, the limited access to these analytical techniques limits considerably its daily use for routine analysis. Therefore, this works presents the development of an analytical methodology based on mass spectrometry imaging (MSI) using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) for mapping and quantifying uranium in histological tissue sections of mouse kidney. To the author’s knowledge a single work has been published recently for the semi-quantitative analysis of uranium in mice kidneys due to the lack of an appropriate internal standard [12]. In this study, the uranium exposure of mice was performed using a direct nasal instillation of few µL of uranyl nitrate solutions at different uranium concentrations. Total uranium analysis was done by conventional liquid ICP-MS after acid digestion using one kidney from each pair. In parallel, the other kidney was employed for LA-ICP-MS analysis. In order to perform quantitative LA-ICPMS bio-imaging analysis, synthetic matrix-matched laboratory standards and a normalisation strategy based on internal standard spiked gelatine were developed. Preliminary quantitative images of cryo-sections revealed heterogeneous distribution of uranium within the renal tissue, being the cortical concentration 60-fold higher than the medullary concentration

Thulium spiked gel for internal standardisation in LA-ICP-MS bio-imaging: quantitative elemental distribution of uranium in kidney tissue

International audienceThe quantitative analysis of trace metals in different organs or cellular structures is a topic of emerging interest for the assessment of toxicological risk. The kidney is recognized as a major site for uranium accumulation able to induce renal toxicity. Due to its heterogeneous distribution within the tissue, the quantification appears to be of significant interest. Mass spectrometry imaging (MSI) using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) has been employed for mapping and quantifying uranium in histological tissue sections of mouse kidney. Samples were immediately immersed into a PFA solution during 24h, OCT embedded and stored at -80°C until cutting in cryostat and mounting in gel covered glass slides. Sample preparation (tissue section thickness) and laser conditions were carefully optimized to assure the complete ablation of the sample matrix. This works presents the development of internal standard correction methodology based on doped gelatine. In order to correct matrix effects, lack of tissue homogeneity and instrumental drift, a thulium (Tm, internal standard) spiked 10% (m/v) gel was prepared and deposited on the top of glass microscope slides. The reproducibility and homogeneity of the deposited gel was assessed by ablating several areas (0.5 x 0.5 mm, n=20) in which Tm was recorded. For quantification purposes, matrix-matched laboratory standards were prepared from a pool of mouse kidneys by dosing each level with different concentration of uranium. In the same way, several quality control (QC) samples were synthetized to prove the accuracy and precision of the analytical method. The unspiked tissue was used for blank control. The concentrations were verified by conventional liquid ICP-MS after acid digestion. These standards were cut and mounted onto glass slides in the same way as the samples.Thulium spiked gel was demonstrated to be adequate for compensation of instrumental drifts during measuring time and matrix effects, which improves the quantification of elemental distributions and allows a trustworthy comparison of experiments performed at different times. The proposed analytical bio-imaging approach was successfully applied for quantification of uranium of kidney samples. The comparison of the calculated average concentration obtained by LA-ICP-MS and the results obtained after liquid ICP-MS analysis were in good accordance

DEVELOPPEMENT D’UNE TECHNIQUE DE CALIBRATION POUR L’IMAGERIE QUANTITATIVE D'ECHANTILLONS BIOLOGIQUES PAR ABLATION AU LASER COMPATIBLE AVEC L’ANALYSE SIMS : APPLICATION A LA LOCALISATION DE L'URANIUM DANS LE TISSU RENAL

International audienceLa spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif par ablation laser a évolué pour devenir une technique analytique performante pour l'analyse quantitative in situ d'échantillons solides. Cependant, les progrès dans les applications des sciences biologiques sont toujours dépendants de la disponibilité d’étalons externes et internes appropriés. En outre, il serait intéressant que les échantillons et les étalons soient compatibles entre différentes techniques d'imagerie. Le but de ce travail est donc de trouver une méthodologie de préparation d’échantillons / étalons compatible avec les analyses par LA-ICP-MS et SIMS afin de rendre ces deux techniques complémentaires pour l’étude de la distribution de l’uranium dans les reins. D'une part, des étalons solides internes ont été préparés à partir d'homogénat de rein enrichi d'uranium. D’autre part, une nouvelle approche basée sur une résine dopée au nitrate d’uranyle (en poudre) a également été testée. De plus un standard interne (thulium) est incorporé directement dans la résine dopée. L'homogénéité de l'étalon interne et de l’uranium a été évaluée. Les avantages de cette méthodologie sont 1) pas besoin des homogénats, 2) une préparation d’échantillon compatible avec plusieurs techniques d’imagerie, 3) la facilité de préparation et 4) la conservation des étalons à température ambiante