La tesi està basada en la fabricació de nous sensors i biosensors per a la detecció de contaminants. Els micro i nanomateials basats en bismut semblen ser materials molt apropiats per aconseguir aquest objectiu, tanmateix també s’han proposat altres plataformes sensores. En el primer capítol es descriuen detalladament els principals objectius d’aquesta tesi. La introducció d’aquesta tesi descriu les aplicacions més recents i rellevants basades en la utilització de nanomaterials de bismut, com ara en els camps de la medicina, la fotodegradació de contaminants orgànics, la cosmètica, els pigments o els aliatges. Aquesta part precedeix la descripció dels mètodes de síntesi més innovadors, dels sensors més eficients, bàsicament de metalls pesants, i de les aplicacions en el camp dels biosensors. Aquest recull es pot trobar al capítol 2. Les nanopartícules de bismut són una bona plataforma per a sensors i biosensors. En aquest sentit s’ha estudiat la modificació d’elèctrodes serigrafiats amb nanopartícules de bismut. En el capítol 3, s’avaluen diferents mètodes de síntesi de nanopartícules de bismut amb l’objectiu d’obtenir les nanopartícules més eficients en la detecció de metalls pesants; en aquest cas centrat en la detecció de cadmi i plom. Al capítol 4 es presenta una nova estratègia de modificació d’elèctrodes. Aquesta estratègia es basa en la utilització de nanopartícules core-shell. Tenint en compte l’avantatge que dóna el recobriment de bismut, aquestes nanopartícules s’han utilitzat en la detecció de metalls pesants en diferents plataformes sensores. La bona modificació d’aquests elèctrodes es demostra clarament fent cicles de modificat i neteja; el comportament d’aquests elèctrodes modificat es podria considerar com a una resposta digital. L’última plataforma sensora per a metalls pesants proposada es basa en xips de paper. El capítol 5 descriu la fabricació i optimització d’aquests dispositius. Aprofitant la capacitat de filtrar del substrat de paper de filtre, aquestes simples plataformes són capaces de detectar plom i cadmi en diferents matrius, com ara solució tampó, aigua de mar o fangs. En aquest últim capítol es mostra la integració de les nanopartícules de bismut en un biosensor de fenol, basat en l’activitat enzimàtica de la tirosinasa. El capítol 6 inclou la caracterització morfològica i electroquímica del sensor. Aquests elèctrodes modificats amb nanopartícules de bismut i tirosinasa tenen una molt bona resposta en la detecció de fenol i catecol i un baix efecte de les interferències. Finalment al capítol 7 hi ha les conclusions generals i les futures perspectives que obre aquest treball. En els annexos s’hi pot trobar una descripció dels mètodes de fabricació de les diferents plataformes sensores, les abreviatures utilitzades i la producció científica derivada d’aquest treball. / The thesis is focused on the fabrication of new sensing and biosensing platforms for pollutants detection. Although bismuth-based micro and nanomaterials seem to be the appropriated materials to achieve this objective nevertheless new platforms including for example those based on paper are also proposed. In the first chapter the main objectives of this thesis are described in detail. The introduction part (chapter 2) of this thesis is dedicated to the revision of the recent reports / achievements on bismuth-based nanomaterials in different application fields that include medicine, photodegradation of organic pollutants, cosmetics, pigments and alloys. An important section of this part is focused on the description of the effect of bismuth-based materials in heavy metals and biosensing applications. Bismuth nanoparticles are found as an innovative material in heavy metals sensing and biosensing applications. A study on the effect of the modification of screen-printed electrodes with bismuth nanoparticles and its use for the heavy metal detection is shown (chapter 3). Different modifications of polyol based bismuth nanoparticles synthesis have been evaluated in aim to obtain the more efficient nanoparticles with interest in heavy metal sensing. In addition the results obtained for the detection of lead and cadmium is also shown in the same chapter. In the chapter 4 a new electrode modification strategy is presented. This new strategy is based on the use of magnetic core/shell bismuth nanoparticles. Taking advantages of the bismuth oxide presence onto the shell of these nanoparticles, heavy metal detection in different On-Off sensing platforms is shown. The modification of electrodes is clearly demonstrated by doing cycles with both modification and cleaning of the electrodes obtaining a kind of digital (On-Off) response of heavy metals. To solve sampling and sample pretreatment issues a heavy metal sensing platform that uses a paper-based lateral flow chip is also developed and described at chapter 5. Fabrication and the optimization of this new heavy metal sensor are shown; it takes advantage of the use of a filter paper substrate. This new platform is capable to detect lead and cadmium in different matrixes including mud. In the last chapter (chapter 6), the integration of bismuth nanoparticles into a phenol biosensing system is shown. It takes advantages of the use of tyrosinase enzyme which brings certain selectivity in phenolic compounds detection. Morphological and electrochemical characterizations of the developed biosensor also are shown in this chapter. The developed biosensor shows good performance in catechol detection. Finally in the chapter 7 the general conclusions and some future perspectives are given.

La Tesi "Intramolecular Electron Transfer in Phenoxylate and Catecholate Based Molecular Systems" es situa entre el camp de la química inorgànica i la química física. L'objectiu principal és l'estudi dels diversos mecanismes de transferència electrònica intramolecular (TEI), degut al seu interès en camps emergents com l'electrònica molecular. Els complexes de valència-mixte (VM) formats per un lligand orgànic electro-actiu i un ió metàl·lic amb almenys dos estats d'oxidació possibles, han resultat ser candidats excel·lents per realitzar aquests estudis. Coneguts dins el camp del magnetisme molecular amb el nom comú de Tautòmers de València (TV), aquests sistemes ofereixen unes característiques úniques pel seu estudi. Per una banda, ofereixen la possibilitat d'estudiar la interacció entre un lligand orgànic i un ió metàl·lic. La segona característica es deu al fet que no sols presenten biestabilitat (magnètica, òptica, electrònica i química) sinó que els dos tautòmers es diferencien d'una manera molt clara. Aquest fet els fa assequibles a estudiar-ne les propietats físiques a través de tècniques senzilles com l'espectroscòpia o el magnetisme alhora que els converteix en candidats idonis per la construcció de dispositius com ara interruptors moleculars. Dins d'aquesta tesi doctoral s'ha realitzat un estudi sistemàtic de l'efecte del metall, el qual està directament relacionat amb la TEI. La família de compostos derivats del lligand bis(fenolat) [M(cat-N-SQ)(Cat-N-BQ) ha permès variar el metall entre el ferro, el cobalt i el níquel. L'estudi a través de diverses tècniques que van des de la espectroscòpia UV-Visible han ajudat a determinar l'efecte del metall en aquests sistemes S'ha observat que l'augment del potencial d'ionització a mesura que variem el metall, juntament amb l'efecte d'omplir les capes orbitàl·liques del metall, fa que s'estabilitzi el tautòmer d'alt espín. Per altre banda s'ha realitzat un estudi sistemàtic en dues famílies diferents de compostos [Co(Cat-N-SQ)(Cat-N-BQ) i [Co(Cat)(SQ)N-N], (derivats del catecol), on es variarà la matriu en la qual es troba el compost. L'efecte de la matriu pot arribar a modular la temperatura d'equilibri entre els dos tautòmers (TC). Malgrat s'ha observat l'efecte dels dissolvents o de les diferents estructures cristal·lines obtingudes en l'equilibri, aquest estudi no s'ha pogut racionalitzar. Seria necessari l'ús d'estudis com ara el "Linear Solvation Energy Relationships (LSER)" per tal de poder concloure quines són les propietats tant dels dissolvents com de cada família que indueixen a un desplaçament d'aquesta TC.Per altre banda s'ha demostrat la coexistència de més d'una TEI dins de cadascuna d'aquestes famílies. Un cop demostrat el TV, i de nou a travès de tècniques espectroscòpiques, s'ha observat l'existència d'una TEI lligand-lligand. Això ens porta a mirar-nos aquests sistemes com als reversos dels sistemes de VM metall-metall, on ara un ió metàl·lic és el mediador d'aquesta TEI. Aquest resultat obre la porta a futurs estudis on puguem ser capaços de trobar fenòmens de sinergisme entre ambdues TEI o bé a modular-les a voluntatLa tercera part del treball s'ha basat en la síntesi i caracterització de dues noves famílies de lligands derivats dels sistemes catecol i bis(fenol), els quals presenten interessants propietats fluorescents i cromofòriques. Hem demostrat que el sistema derivat del catecol pot actuar com un sensor químic fluorescent per un ampli rang de pH. Per tal de demostrar-ho, s'ha utilitzat un tècnica innovadora basada en la detecció d'emissió a dues longituds d'ona diferents, combinant els perfils d'emissió "off-on-off" i "on-off-on" que mostra la molècula segons la variació de pH. El lligand azo bis(fenolat) ha estat emprat per crear una matriu de tres estats amb diferents propietats òptiques. Els tres estats poden interconvertir d'una manera reversible segons l'efecte del pH o bé per reacció de coordinació.Finalment el lligand azo bis(fenolat) ens ha permès la síntesi de complexes de cobalt amb diferents contra-lligands basats en nitrògen (py, phen, terpy, i tppz). En aquesta família de complexes s'ha demostrat l'existència d'un sistema de VM que exhibeix TEI intra-lligand (IETIL). Finalment, aquesta IETIL observada en un darrer complex, on ara dos lligands azo bis(fenolat) estan units al cobalt, pot ser modulada per la presència d'una TEI entre els dos lligands (IETLL). Aquests resultats obren la porta al desenvolupament de sistemes moleculars on la TEI pot ser modulada a voluntat, amb les respectives implicacions tecnològiques que poden derivar d'aquest control. / The Thesis "Intramolecular Electron Transfer in Phenoxylate and Catecholate Based Molecular Systems" is embraced within the fields of Inorganic Chemistry and Physical Chemistry. His main objective is the study of different Intramolecular electron transfer (IET) mechanisms due to their interest in emergent fields as molecular electronics. Mixed-valence (MV) complexes bearing an electroactive ligand and a metal ion that can exist in two or more oxidation states are excellent candidates for such studies. Commonly known within the molecular magnetism community as valence tautomers (VT), these systems offer unique characteristics for their study. On one hand, these systems open the possibility to study the interaction between an organic ligand and an inorganic metal ion. Moreover, the significant variations on the physical properties (magnetic, optic, electronic and chemical) that follow the VT interconversion favour its study by simple techniques such as spectroscopy or magnetic measurements. And finally, these systems open the door to their potential use as information storage on integrated molecular-sized devices.In this Thesis a systematic study of the metal ion on the VT phenomena has been developed. For this, the family of complexes [M(Cat-N-SQ)(Cat-N-BQ)] allowed us to vary systematically the M between iron, cobalt and nickel. The ionization potential and the filling orbital effect have been show to clearly modulate VT. In addition to the metal ion, a systematic study of the matrix effect on two different families: [Co(Cat-N-SQ)(Cat-N-BQ)] and [Co(Cat)(SQ)N-N] (catechol derivatives) has been performed. This effect modulates the transition temperature between both tautomers though a full correlation of the results is not possible at this moment. A LSER (liner salvation energy relationship) study is highly required in order to shed more light before a conclusion can be reached.In the second part of the Thesis, the coexistence of more than one IET is demonstrated. In addition to VT, the spectroscopic characterisation allowed us to show the existence of an IET ligand-to-ligand. Both families of complexes [Co(Cat-N-SQ)(Cat-N-BQ)] and [Co(Cat)(SQ)N-N]) were presented as the scarce examples so far described in the literature where an electron transfer between two organic units is mediated through a metal ion instead of an organic bridge. Therefore, they can be considered as a reversal of the classical ligand-bridged MV metal complexes, opening a completely new phenomenological challenge within the field of IET. These interesting results open new scientific challenges on the quest to control multielectron transfer systems and the corresponding new phenomenologies and synergies that can be extracted out of them. Further work has to be developed on the quest for possible synergies between both IET processesIn the third part of the work, two new families of catecholate and phenoxylate-based ligands with interesting optical properties (fluorescence and chromophoric properties) have been described and the synthetic methodologies optimized. The catechol-derivative has been shown to behave as a fluorescent chemosensor for wide pH range detection. For this, an innovative dual-wavelength detection technique, combining both "off-on-off" and "on-off-on" emission profiles upon pH variation by detection at two different wavelengths has been established. The azo bisphenolate ligand has been used to create a chromophoric array of three states with significantly different colours. The three states can interconvert reversibly between them by means of acid/base and complexation reactions. Finally, the azo ligand has been used to obtain a series of cobalt complexes bearing different nitrogen-based counter-ligands (py, phen, terpy, and tppz). In this family of complexes a ligand-centred MV system exhibiting IETILhas been found. Moreover, the same ligand-centred IETIL in a bisphenolate complex can be modulated by the presence of an additional IETLL between the two azo bisphenolate ligands. These results open the door to the development of molecular systems where IET can be controlled (gated) at will, and the important technological implications that could be derived from there.

Una molècula està activada quan, per acció d'un agent extern, mostra una reactivitat diferent que en el seu estat normal. Vies d'activació freqüents són per interacció amb cations metàl·lics, per absorció de radiació ionitzant o ultraviolada com també per adsorció en superfícies sòlides. Aquest treball tracta sobre l'activació de petites biomolècules, en concret d'aminoàcids i pèptids, per interacció amb cations de coure i aluminosilicats. Avui en dia es poden generar sistemes metall-lligand en fase gas i estudiar-ne la reactivitat induïda per la interacció amb els cations metàl·lics gràcies a les tècniques d'espectrometria de masses, les quals són rellevants en àrees com la proteòmica o la bioquímica. Aquesta tesi, doncs, es centra en el context de la química metal·loiònica en fase gas on es combinen càlculs teòrics amb experiments d'espectrometria de masses. No obstant, també tracta des d'un punt de vista mecanoquàntic l'activació de biomolècules per interacció amb superfícies de minerals degut a la seva importància en la química prebiòtica. / A molecule is activated when, owing to an external agent, it displays different reactivity than in its normal state. The activation can be given by interaction with metal cations, by absorption of ionizing or UV radiation as well as by adsorption on solid surfaces. This work addresses the activation of small biomolecules, in particular amino acids and peptides, by the interaction with copper cations and aluminosilicates. Nowadays generating metal-ligand systems in the gas phase and studying the reactivity induced by the metal cations is feasible by means of recent mass spectrometry techniques, which are relevant in the areas of proteomics and biochemistry. This thesis, thus, is focused on the gas phase metal ion chemistry, in which theoretical calculations are combined with mass spectrometry experiments. Nevertheless, the activation of biomolecules by interaction with mineral surfaces has also been addressed from a quantum mechanic point of view, since its importance in the prebiotic chemistry.

En aquest treball hem investigat una metodologia d'aproximació baix-cap dalt i baix cost per la generació de nanoestructures oxides interficials autoassemblades preparades mitjançant la deposició de soluciones químiques. La innovació del treball rau en l'aplicació dels processos d'autoassemblatge i autoorganització en materials òxids, i en l'ús de solucions químiques pel creixement d'illes interficials. Estudis sistemàtics basats en la modificació de les condicions de creixement mostren la capacitat i versatilitat de la metodologia usada per ajustar la morfologia, mida, densitat i distribució de les nanoilles interficials. Concretament, hem estudiat el creixement de nanoestructures de les fases òxides BaZrO3, CeO2, Ce0.9Gd0.1O2-y (CGO) y La2O3, resultant el l'obtenció de plantilles amb nanoilles amb estretes distribucions de mida i notable tendència a ordenar-se espontàniament sobre substrats monocristal·lins de SrTiO3 i LaAlO3 (LAO). Hem determinat un rang de paràmetres (concentració de la solució precursora, temperatura, etc.) que estableixen un conjunt de condicions inicials per la generació de nanoilles interficials d'altres fases òxides. S'ha analitzat detalladament el sistema d'estructures dissemblants CGO/LAO (fluorita/perovskita) com a model per estudiar la formació i creixement de nanoilles induïdes per tensions elàstiques. La capacitat de seleccionar l'orientació cristal·logràfica de la nanoilles de CGO a partir del control de les condicions de creixement ens ha permès seleccionar l'anisotropia de tensions i d'energies de superfície de les nanoilles, resultant en la formació d'illes de CGO amb trets morfològics i cinètics molt distints. Tensions isotròpiques comporten la formació d'illes isomòrfiques de base quadrada, uniformes i estables. Aquests nanopunts creixen epitaxialment (001)CGO[110]||(001)LAO[100], tenen un diàmetre mig de ~45 nm, alçada ~7 nm i densitat 60 punts/&#956;m2 i s'autoorganitzen en files al llarg dels esglaons del substrat. En canvi, tensions anisotròpiques indueixen la formació de nanoestructures rectangulars (nanofils) d'acord amb la relació epitaxial (011)CGO[100]||(001)LAO[100]. L'eix llarg dels nanofils pot arribar a mesurar 2 &#956;m de longitud en menys de 30 minuts de tractament tèrmic a 1000oC en Ar-H2 mentre que l'eix curt roman <50 nm, fet que resulta en illes amb elevat índexs d'aspecte lateral (eix llarg/eix curt ~ 40). Els nanofils s'alineen al llarg dels eixos fàcils del substrat, i contínuament s'uneixen formant laberints de fils ortogonals que ràpidament es reconstrueixen en fils més llargs. L'existència d'atracció atractiva sembla ser la responsable la cinètica ultraràpida d'aquestes nanoilles tensades anisotròpicament. La dinàmica ultraràpida d'aquest sistema és una eina molt valuosa per estudiar l'evolució de nanoilles interficials; concretament, s'han identificat diferents mecanismes de coarsening actuant simultàniament (maduració Ostwald, coalescència dinàmica, coalescència estàtica, etc.). Simulacions basades en models termodinàmics ens han permès confirmar la morfologia i dimensió d'equilibri de cada tipus d'illa de CGO d'acord amb el seu estat de tensió elàstic i energies de superfícies. La combinació dels anàlisis experimentals amb els estudis termodinàmics ha permès establir una llista de les condicions necessàries per la formació de nanofils interficials extremadament llargs. Aquestes estratègies no es limiten a materials òxids i de fet poden ser usades per generació de nanoilles anisotròpiques en una gran varietat de sistemes, provant així la generalitat del treball fet. Finalment, es mostra una aplicació pràctica de les plantilles nanoestructurades òxides per induir centres artificials d'ancoratge de vòrtexs en capes primes de YBa2Cu3O7 (YBCO) també preparades mitjançant solucions químiques. Anàlisis metodològics basats en mesures angulars elèctriques de transport han evidenciat una important millora de la contribució anisotròpica-forta de la densitat de corrent crític per H||c en les capes primes de YBCO nanoestructurades respecte les mostres estàndard, indicant que la nanoestructuració interficial és una estratègia possible i prometedora per millorar la actuació de les capes primes de YBCO. També s'han realitzat anàlisis de les propietats superconductores en funció del gruix de YBCO. / In this work we have investigated a bottom-up high throughput methodology to generate interfacial self-assembled oxide nanostructures through the deposition of chemical solutions. The innovation of this work is two-fold, since we have studied the application of self-assembling and self-organizing processes to oxide materials and because the study of the formation of interfacial islands from solutions. Systematic studies based on the modification of growth conditions show the capabilities and versatility of the methodology used to tune the shape, size, density and distribution of the resulting oxide interfacial nanoislands. Specifically, we have studied the growth of nanostructures of the oxides phases BaZrO3, CeO2, Ce0.9Gd0.1O2-y (CGO) y La2O3, leading to the generation of templates with interfacial nanoislands with narrow distribution of sizes and notable tendency to form ordered arrays on top of the single-crystal substrates SrTiO3 y LaAlO3 (LAO). We have determined a range of parameters (precursor solution concentration, temperature, etc.) which establish a set of initial conditions for the generation of interfacial nanoislands of other oxide phases. The system of dissimilar structures CGO/LAO (fluorite/perovskite) is analyzed in great detail as a model to study the formation and growth of strain-induced nanoislands. The capacity to select the crystallographic orientation of CGO nanoislands through tuning of growth conditions enables us to control the anisotropy of strains and surface energies of the nanoislands, leading to the formation of CGO nanostructures with highly different morphological and kinetic characteristics. Square-based isomorphic nanoislands, uniform and stable, form under isotropic strains. These nanodots grow epitaxially accordingly to (001)CGO[110]||(001)LAO[100], and have mean lateral size ~45 nm and ~7 nm height, and density of ~60 dots/&#956;m2. They order into rows along lattice steps of the substrate, resulting into highly self-organized templates. Instead, highly elongated rectangular nanostructures (nanowires) grow induced by anisotropic strains and anisotropic surface energies in the epitaxial relation (011)CGO[100]||(001)LAO[100]. The long axis of these wires can reach lengths of 2 &#956;m in less than 30 minutes of heat treatment at 1000oC in Ar-H2 whereas short axes remain <50 nm, resulting in high lateral aspect ratios (long axis/short axis ~ 40). Wires are aligned along substrate soft axes and continuously join into intricate clusters of orthogonal wires which rapidly reconstruct into larger wires. The attractive interaction between wires seems to be the driving force of the ultrafast kinetics of these islands biaxially anisotropic strained. This ultrarapid dynamics is a powerful tool to study the evolution of interfacial nanoislands; particularly, several coarsening mechanisms simultaneously acting have been identified (Ostwald ripening, dynamic coalescence, static coalescence, etc.).Simulations based on thermodynamic models have enabled to confirm the equilibrium shape and size of each sort of CGO island in relation to its misfit strain and surface energies. The combined analyses of the experimental results and thermodynamic studies have allowed us to establish a list of the requirements for the formation of extremely long interfacial nanowires. These strategies are not limited to oxides and can be extended to the generation of anisotropic nanoislands in a large variety of systems, proving the generality of the work done. Finally, we have showed a practical application of oxide nanostructured templates to induce artificial vortex pinning centres in YBa2Cu3O7 (YBCO) thin films also prepared from chemical solutions. Methodological analyses based on electrical transport angular measurements have evidenced a strong improvement of the anisotropic-strong contribution to the critical current density for H||c in interfacial nanostructured YBCO thin films as compared to standard ones, proving that interfacial nanostructuration is a possible and promising strategy to improve the performance of YBCO thin films. Analyses of the superconducting properties as function of YBCO thickness have also been carried out.

Al llarg d'aquesta tesi com a part del esforç general per tal d'extendre el nombre de materials moleculars que combinin dues o més propietats en la mateixa molècula, s'ha desenvolupat la síntesi i caracterització d'una nova sèrie de metal.locens (ferrocens i rutenocens) connectats a mono-bi- i tri- radicals polyclorotrifienilmetílics els quals han provat que realment és possible de modular les seves propietats mitjançant el canvi de capacitats donadores dels metalocens, de capacitats acceptores de les unitats radicalàries així com també el canvi del pont. S'han estudiat les propietats magnètiques dels diferents mono- bi- i tri- radicals mitjançant les tècniques d'EPR i SQUID. A partir de les dades obtingudes pels biradicals estudiats, es pot concloure que el pont 1,1'-ferrocenilè actua com a acoblador ferromagnètic entre les dues unitats radicalàries connectades a ell. Quan el ferrocè és substituït amb grups metílics o bé és substituït per un rutenocè, l'acoblament magnètic entre les dues unitats radicalàries desapareix mostrant-se un comportament paramagnètic al llarg de tot el rang de temperatures mesurat. A partir de les dades de susceptibilitat magnètica dels monoradicals s'obtenen valors de magnetització molt alts a temperatura ambient els quals són un indici de la significant contribució orbitàlica de la fracció de Fe (III) per sobre del valor del spin orgànic sol. Aquest resultat suggereix un fenomen de transferència electrònica intramolecular entre el ferrocè i la unitat radicalària. A més a més, per un dels monoradicals sintetitzats, també se n'ha estudiat la isomerització trans - cis tant tèrmica com fotoinduïda mitjançant la tècnica de UV/Vis, ESR spectrosocopy així com també de cromatografia d'HPLC. Aquesta isomerització genera un procés d'autoassemblatge induït tan tèrmica- com fotoquímicament d'un sol sentit i representa un exemple molt interessant d'un sistema fotomagnètic basat en un fenomen supramolecular en el qual una espècie doblet es convertida a una espècie singlet. Aquesta família de radicals policlorotrifenilmetílics units a un ferrocè també presenten un fenomen de transferència electrònica intramolecular del qual se'n pot modular la seva energia fàcilment mitjançant el canvi de substituents de la unitat donadora, acceptora o fins i tot canviant la naturalesa del dissolvent. Mesures d'absorció espectroscòpiques de temps de resolució de pico-segons ens han permès observar i monitoritzar per primera vegada l'espècie de càrregues separades la qual ens confirma per primera vegada el fenomen de transferència electrònica intramolecular fotoinduït. També ha estat descrit per primera vegada un nou exemple de tautomerisme de valència que combina un radical orgànic com a grup acceptor i un ferrocè com a grup donador. Finalment, també s'ha comprovat que els radicals policlorotrifenilmetílics constitueixen un sèrie de compostos de capa electrònica oberta molt atractiva que combina elevades respostes d'ONL amb bones estabilitats químiques, tèrmiques i foto-òptiques, gràcies al seu caràcter octupolar. Els sistemes de ferrocens connectats a unitats radicalàries policlorotrifenilmetíliques també exhibeixen intenses respostes d'ONL les quals poden ser modulades mitjançant el canvi de capacitat donadora del metal.locè o accpetora del radical. / This thesis as part of a general effort aimed at extending the range of molecular materials combining two properties in the same molecule, has developed the synthesis and characterization of new series of metallocene (ferrocene and ruthenocene) based polychlorotriphenylmethyl mono, bi- and tri- radicals proving that it is possible their tuning by changing the donor ability of the metallocene unit, the acceptor ability of the radical unit and the nature of the bridge. The magnetic properties of different mono, bi and tri radicals have been studied by EPR and SQUID. From the magnetic data of the biradicals studied, it is conclude that the 1,1'-ferrocenylene bridge acts as a ferromagnetic coupler between the two radical units connected to it. When the ferrocene unit is substitute with methyl groups or it is changed for a ruthenocene unit, the magnetic exchange vanishes showing a paramagnetic behaviour in all the temperature range. From the magnetic susceptibility data for the monoradicals an outsized values of magnetization at room temperature is observed, which it is an indication of significant orbital contributions of the Fe(III) fraction over the spin value. This result suggests a temperature dependent intramolecular electron transfer phenomenon between the ferrocene and the radical unit. In addition, the thermal and photoinduced trans to cis isomerization of one of the monoradicals has been monitored by UV/Vis and ESR spectrosocopy and also followed by HPLC chromatography. This one-way thermal and photoinduced self-assembly process represents an interesting example of a photomagnetic system based on a supramolecular phenomenon in which a doublet species is converted into a singlet one. Such ferrocene-polychlorotriphenylmethyl radicals present intramolecular electron transfer phenomenon which energy can be easily tuned by changing the substitutents of the donor or acceptor units or even the nature of the solvent. Picosecond time resolved absorption spectroscopy measurements allow us observing and monitoring for the first time the charge separation state that confirms the photoinduced electron transfer phenomena. It has also been described for the first time a novel valence tautomeric example combining an organic radical as acceptor unit and a ferrocene unit as the donor group.Finally, it has been proved that polychlorotriphenylmethyl radicals constitute a very attractive open-shell series that combines both a high NLO response and good chemical, thermal, and photo-optical stabilities, thanks to their octupolar character. Ferrocene based polychlorotriphenylmethyl radicals systems also exhibits intense NLO responses that can be modulated at will simply tuning the donor and acceptor capabilities of the ferrocene and radical units.

A día de hoy, la nanotecnología es considerada por muchos como uno de los campos de investigación más importantes de la próxima década, ya que ésta tendrá un gran impacto dentro de los campos de la biología, farmacología y medicina. En particular, la medicina se aprovechará de la generación de nuevos vehículos de transporte de moléculas activas de tamaño nanométrico para el diagnostico y tratamiento de muchas enfermedades. Concretamente, vesículas, nanopartículas y mícelas constituidas por materiales inteligentes están siendo actualmente estudiadas para la liberación controlada de compuesto tóxicos, poco solubles en agua o agentes de contraste en sistemas biológicos. Los requerimientos necesarios para el transporte y seguridad de estos nanovehículos en el torrente sanguíneo serán que presenten una buena estabilidad química y mecánica, biocompatibilidad y biodegradabilidad.Por tanto, el desarrollo de metodologías reproducibles, eficientes, benignas con el medio ambiente y fáciles de escalar para la producción de materiales moleculares nanoparticulados uniformes en tamaño y morfología será de gran interés industrial, ya que sus propiedades farmacológicas están directamente relacionadas con su estructura. Las metodologías basadas en disolventes líquidos convencionales han mostrado tener muchos problemas relacionados con su escalado, tiempos de procesado, reproducibilidad, número de etapas de procesado, consumo energético y un control limitado sobre las características del material particulado final. Estas desventajas son originadas principalmente como consecuencia de que los procesos basados en disolventes líquidos están gobernados por cambios de temperatura y composición (descensos de temperatura, evaporación de disolventes, adición de sales, etc.), los cuales siempre se transmiten de forma lenta y poco homogénea en un medio líquido. Recientemente, los procesos basados en fluidos comprimidos (FCs) han ganado una creciente atención como medio disolvente alternativo, ya que son capaces de resolver algunas de las limitaciones relativas a los disolventes convencionales, ofreciendo ventajas adicionales sobre el producto final. Esta mejora es debida principalmente a que el poder disolvente de los FCs -en estado líquido o supercrítico- puede ser gobernado por cambios de presión, los cuales se propagan de forma mucho más rápida y uniformemente que los cambios de temperatura y composición. Por tanto, los FCs permiten un mayor control sobre las características del material final (tamaño, distribución de tamaños, porosidad, naturaleza polimórfica, morfología, etc.) que los disolventes orgánicos convencionales. De hecho, a menudo el procesado con FCs ha conducido a la obtención de materiales con características fisicoquímicas únicas, inalcanzables por metodologías convencionales de procesado. Por tanto, el objetivo de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de nuevas metodologías que empleen fluidos comprimidos como disolvente, para la preparación de materiales moleculares nanoparticulados uniformes. La primera parte de esta Tesis esta relacionada con el desarrollo del proceso DELOS-SUSP para la preparación de sistemas dispersos micro- y nanoparticulados. El proceso DELOS-SUSP ha mostrado ser eficiente para la preparación de suspensiones con tamaños de partícula microscópicos de diferentes compuestos activos, tales como el colesterol, el "solvent blue 35" e ibuprofeno, y de pequeñas vesículas unilamelares (más conocidas como SUVs) de tamaño nanoscópico, de morfología uniforme y muy estables en el tiempo, inalcanzables por metodologías convencionales de preparación. La influencia de los parámetros de operación que gobiernan el proceso DELOS-SUSP sobre las características fisicoquímicas de los sistemas dispersos obtenidos también ha sido analizada. La segunda parte de esta tesis está centrada en la preparación de microemulsiones estables empleando disolventes expandidos con CO2 y su potencial utilización como medio para llevar a cabo precipitaciones confinadas. Basándose en este concepto, una nueva metodología ha sido desarrollada para la preparación directa de materiales submicro- y nanoparticulados. Este nuevo proceso, al cual se ha denominado PIWASP (Pressure Induced Water Anti-Solvent Precipitation), ha sido utilizado para la preparación de nanopartículas de ibuprofeno esféricas muy uniformes tanto en tamaño como en morfología, y con un elevado grado de cristalinidad inalcanzables, a día de hoy, mediante otros métodos de cristalización basados en disolventes líquidos. / Nanotechnology is believed by many to be one of the most important scientific topics of the next decade with a huge impact on biology, pharmacology and medicine. In particular, medicine with its reliance on safe, potent, user-friendly, and target-specific therapies for important diseases such as cancer, infections or autoimmune disorders will profit from nanometer-sized devices for diagnostic and therapeutic applications. Specifically, vesicles, injectable nanometer-sized particles and micelles made of advanced materials are currently under investigation for targeted delivery of toxic or water-insoluble drugs or contract agents in biological systems. Necessary key elements for a secure and directed transport of such nanocarriers in the bloodstream are high chemical and mechanical stability, good biocompatibility and biodegradability, specific targeting and clearance properties, and most of all defined functionality. Therefore, the development of reproducible, efficient, environmentally friendly and easy to scale-up methodologies for the production of nanoparticulate molecular materials with controlled size and supramolecular organization is of great industrial interest, since their pharmacological features are related to their nanostructure. Conventional solvent-based methodologies have many problems associated to process scaling up, process-steps, reproducibility, processing times, consumption of energy, and limited control of particle characteristics over the final particulate material. Such drawbacks are originated because these solvent-based processes are driven by temperature and/or composition changes (temperature decrease, solvent evaporation, addition of salts, etc.), which are always slowly and non-homogeneously transmitted in liquid media.Processes based on compressed fluids (CFs) have gained increasing attention as alternative solvent media because they overcome some of the limitations related to the traditional methods, offering alternative advantages of the final product. Thus, the solvation power of CFs in their liquid or supercritical state can be tuned by pressure changes, which propagate much more quickly and uniformly than temperature and solvent composition changes. Therefore, CFs allow a much greater control and tuning of the structural characteristics of the final material (size, size distribution, porosity, polymorphic nature, morphology, etc.) than with conventional organic solvents. Indeed, processing with CFs often leads to materials with unique physicochemical characteristics, unattainable by conventional processing methodologies.Therefore, the aim of this Doctoral Thesis is the development of new methodologies using supercritical fluids as solvent, for the preparation of uniform nanoparticulate molecular materials. The first part deals with the development of the DELOS-SUSP process for the preparation of micro- and nanoparticulate dispersed systems. DELOS-SUSP process has shown to be efficient for the preparation of microscopic suspensions of different actives, such as cholesterol, "solvent blue 35" and ibuprofen, and small unilamellar vesicles (SUVs) with nanoscopic size, uniform shape and stability, unachievable by conventional procedures. The influence of the DELOS-SUSP operational parameters on the physicochemical characteristics of the obtained dispersed systems has been also deeply studied. The second part of this Thesis is focused on the preparation of stable microemulsions using CO2-expanded solvents and their use for the realization of confined precipitations. On the basis of this concept, a new method has been developed for the straightforward preparation of submicro- and nanoparticulate materials. This new process named PIWASP (Pressure Induced Water Anti-Solvent Precipitation) has been used for the preparation of uniform spherical nanosized ibuprofen particles with a high crystalline grade unachievable nowadays by conventional crystallization methods using liquid solutions.

En aquest treball s'ha dut a terme la síntesi i la caracterització química de varis complexos de doble capa de ftalocianines de terbi amb l'objectiu d'estudiar les seves propietats magnètiques en una varietat de configuracions. Es va obtenir una serie de compostos amb propietats físico-químiques distintes, com les d'autoassemblatje en superfície, d'activitat redox o de propietats mesomòrfiques.Las propietats magnètiques dels compostos sintetitzats varen ser caracteritzades via SQUID, dicroisme circular magnètic (MCD) y dicroisme circular magnètic de rajos-X (XMCD), en una varietat d'estats sòlids congelats, en submonocapes sobre grafit i en dissolució en varis estats d'oxidació.En general, es va observar que el comportament d'imant unimolecular (SMM) d'aquests compostos està qualitativament afectat por el estat d'oxidació de la molècula i la superestructura en la que estan integrats,produeixen canvis en la temperatura de bloqueig i en la forma de les histèresis de magnetització. Non obstant, es va constatar que el comportament d'imant unimolecular d'aquest complexos és molt robust ja que ni la substitució química de les ftalocianines, la hibridació amb una superfície de grafit, la oxidació o reducció del sistema o la morfologia del estat sòlid de les mostres va poder destruir aquesta propietat. / En este trabajo se ha llevado a cabo la síntesis y la caracterización química de varios complejos de doble capa de ftalocianinas de terbio con el propósito de estudiar las propiedades magnéticas de estos complejos en una variedad de configuraciones. Se obtuvo una serie de compuestos con propiedades físico-químicas distintas, como las de autoensamblaje en superficie, de actividad redox o de propiedades mesomórficas.Las propiedades magnéticas de los compuestos sintetizados fueron entonces caracterizadas vía SQUID, dicroísmo circular magnético (MCD) y dicroísmo circular magnético de rayos-X (XMCD), en una variedad de estados sólidos congelados, en submonocapas sobre grafito y en disolución en varios estados de oxidación.En general, se observó que el comportamiento de imán unimolecular (SMM) de estos compuestos está cualitativamente afectado por el estado de oxidación de la molécula y la superestructura en la que están integrados, produciendo cambios en la temperatura de bloqueo y en la forma de las hysteresis de magnetización. Non obstante, se constató que el comportamiento de imán unimolecular de estos complejos es muy robusto ya que ni la substitución química de las ftalocianinas, la hibridación con una superficie de grafito, la oxidación o reducción del sistema o la morfología del estado sólido de las muestras pudo destruir está propiedad.

The application of innovative nanotechnologies to medicine has shown a great potential to significantly benefit clinical practice, offering solutions to many of the current limitations in diagnosis, treatment and management of human diseases. Among the various approaches for exploiting developments in nanotechnology for biomedical applications, drug delivery systems (DDS) have already had an enormous impact on medical technology, improving the performance of many existing drugs and enabling the use of entirely new therapies.The fact that DDSs can protect sensitive biomolecules, such as enzymes and proteins, from degradation and the in vivo attack of the immune system providing longer blood circulation times, have been used to improve the effectiveness and delivery of these drugs. Particularly vesicles have served as convenient delivery vehicles for biologically active compounds because they are non-toxic, biodegradable and non immunogenic. Contrary to products where the active substance is in solution, the pharmacological properties of vesicle-based delivery systems, such as stability, kinetic release of the encapsulated substance and response to external stimuli, are strongly dependent on the structural characteristics of the conjugates. Indeed, a high degree of structural homogeneity regarding size, morphology and lipid organization in the membrane is crucial for their optimum performance as functional entities. Conventional methodologies to produce vesicles, usually present difficulties in controlling the self-assembling of the molecules constituting the system, leading to materials with high structural heterogeneity. Therefore additional operations are needed in order to achieve the desired structures. In order to be able to commercially exploit the enormous potential of these DDS as nanomedicines, it is necessary the development of new, efficient and environmentally respectful methodologies that allow the manufacturing of these materials with controlled nanostructures, and that are amenable to be scalable. Recently Nanomol group has developed a process called DELOS-SUSP (Depresurization of an Expanded Liquid Organic Solution-Suspension) for the preparation of dispersed systems based on the use of compressed fluids (CFs). This eco-efficient one-step methodology allows the obtaining of uniform, unilamellar and nanoscopic cholesterol-rich vesicles with large structural homogenity and great stability along time. Taken advantage of the enormous potential of CF-based technologies for the production of nanostructured materials, this PhD Thesis has been devoted to demonstrate the goodness of such methodologies for the direct, robust and scalable encapsulation of biomolecules in cholesterol-rich vesicles. Another important objective has been the development of reproducible and scalable methodologies in order to functionalize those vesicles with targeting/protective units enabling greater selectivity of the therapeutic targets and therefore more effective treatments; and finally the use of the biomolecules-vesicles conjugates prepared by DELOS-SUSP in the treatment of different diseases. Concretely, the first part of this work has been focused on the integration of different proteins such as GFP, BSA, GLA and EGF in vesicles of different compositions obtaining nanovesicle-biomolecule conjugates with good physicochemical characteristics, homogeneous morphologies and high protein loadings. Likewise RGD targeting peptides and protective units such as PEG, have been successfully incorporated into the membrane of the vesicles. Importantly is have been prove that the biomolecules activity is unaffected after processing with compressed fluids and in the case of some proteins, the biological activity is enhance when the biomolecules were associated to the vesicles. The latter reinforce the importance of the nanostructuration in the efficacy of nanomedicines. In further steps to demonstrate the potential of the nanoconjugates prepared by DELOS-SUSP to be used as nanomedicines, GLA loaded liposomes-RGD and rhEGF loaded quatsomes conjugates were prepared by DELOS-SUSP and applied for the treatment of the Fabry’s disease and complex wounds, respectively. All the physicochemical characterizations as well as the in-vitro and in-vivo biological assays carried out in the frame of this Thesis have demonstrated that both nanoconjugates can be considered as future potential nanomedicines that could provide safer, more efficacious drugs, site-specific delivery, improved patient compliance, and favorable clinical outcomes. The results obtained in this Thesis contribute to demonstrate that DELOS-SUSP methodology is a strong and robust platform for the production of nanovesicle-bioactive conjugates to be used as nanomedicine.

Durante las últimas décadas se han desarrollado muchas técnicas para estudios de estructura molecular. La Wspectroscopía Magnética Nuclear (NMS), en particular, es una técnica importante que ha alcanzado un uso generalizado para la identificación y caracterización de moléculas de interés en la química y la bioquímica. Además, la resonancia magnética (MRI) es uno de los mejores métodos clínicos no invasivos de formación de imágenes utilizados en la medicina aprovecha los principios de la NMS. Una de las principales limitaciones de la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es su intrínseca baja sensibilidad. La señal de RMN es proporcional a la polarización nuclear, P, que se rige por la distribución de Boltzmann de spines nucleares. Para superar esta limitación intrínseca han aparecido en las últimas décadas algunas mejoras instrumentales, como el desarrollo de sondas criogénicamente enfriados y la disponibilidad de mayores campos magnéticos mediante nuevos imanes superconductores. Además, varios métodos para mejorar la polarización nuclear también se han desarrollado y están en constante expansión. Entre ellos, los más extendidos son los de bombeo óptico, la polarización para-hidrógeno inducida (PHIP) y la polarización nuclear dinámica (DNP). Todos estos métodos se basan en la hiperpolarización, el cual es un término general que describe un sistema en el que la distribución de las poblaciones ha sido perturbado para crear un exceso de poblaciones en un nivel energético, aumentando así la magnetización neta del sistema. La Polarización Dinámica Nuclear (DNP) ha surgido como uno de los métodos más generales de hiperpolarización nuclear. DNP es una técnica que requiere la presencia en la muestra de un compuesto paramagnético, un agente vitrificante y el analito, el objetivo de la polarización. En esta Tesis hemos desarrollado varios compuestos paramagnéticos nuevos basados en radicales orgánicos persistentes que abarcan desde monoradicals de tres familias diferentes (TEMPO, BDPA y PTM) a birradicales que combinan dichos monoradicals. En la presente Tesis se ha sintetizado y caracterizado varios monoradicals de tres familias de compuestos (PTM, BDPA y TEMPO). La posible aplicación de los derivados de tres BDPA como agentes de polarización ha sido explorada. Los resultados obtenidos para dos de ellos son prometedores, ya que mejoran las condiciones de preparación de la muestra con respecto al BDPA no funcionalizado, reduciendo el tiempo necesario para llevar a cabo el experimento de polarización y se ha abierto la posibilidad de ser eliminadas durante el proceso de transferencia a fin de evitar una mayor pérdida de polarización. Recientemente se ha propuesto que birradicales mixtos a base de radicales tritilo y radicales nitróxido son potencialmente los mejores candidatos para la obtención de las mejores polarizaciones en DNP. Bajo la luz de estos estudios, se realizó la síntesis y caracterización de birradicales, no sólo los que unen tritilo y nitróxido sino tambien aquellos que unen radicales de la misma familia o de familias centrados en carbono. La posible aplicación de algunos de ellos como agentes polarizadores se pusieron a prueba oobteniendo buenos resultados para alguno de ellos. Otra metodología para obtener núcleos hiperpolarizados de baja constante giromagnética es el uso de Magic Angle Spinning-Dynamic Nuclear Polarizacion (MAS-DNP). En esta técnica, el compuesto hiperpolarizado por lo general son los átomos de hidrógeno del agua que transfieren su polarización a los núcleos de baja constante giromagnética por la doble resonancia realizada por la Cross-Polarization. Los compuestos paramagnéticos que se utilizan para polarizar núcleos de hidrógeno en general son birradicales TEMPO. Como hemos sintetizado un monorradical de TEMPO, se realizó la síntesis y caracterización de tres birradicales TEMPO (TEMPO=TEMPO, TEMPOesterTEMPO y TEMPOamidoTEMPO) y se llevaron a cabo las pruebas de polarización de agua en el laboratorio del Dr. Bodenhausen (Suiza). Las mejoras obtenidos indicaron que los birradicales con mayores acoplamientos genera niveles de polarización inferiores y con ellos mejora inferior. En general, MRI se limita a sistemas con una gran magnetización neta, tal como la proporcionada por el agua en los tejidos. Obtención de imágenes de otros núcleos es posible, pero difícil. Estas deficiencias son el resultado tanto de las relaciones giromagnéticas y abundancias naturales de los otros núcleos activos. Más específicamente, los protones tienen una relación giromagnética relativamente alta en comparación con otros núcleos. La relación giromagnética controla la diferencia en los niveles de energía del sistema, cuanto más grande es la diferencia de energía, mayor es la polarización que se obtiene debido a la distribución de Boltzmann. Otros núcleos tales como carbono, nitrógeno o fósforo tienen relaciones giromagnéticas más pequeñas, tienen menor diferencia de nivel de energía y por tanto más pequeñas polarizaciones netas. Si bien son posibles aplicaciones espectroscópicas de núcleos distintos de protones utilizando NMR, es casi imposible de formación de imágenes de los otros núcleos (especialmente in vivo). La baja sensibilidad de la RM de núcleos con constantes giromagnéticas bajas puede mejorarse mediante técnicas de hiperpolarización. Por otra parte, las mejoras en las imágenes de agua, aparte de las diferencias en el contenido de agua local de diferentes tejidos que genera un contraste intrínseco, el contraste básico en las imágenes de RM se debe principalmente a las diferencias en los tiempos de relajación T1 y T2, cada de los cuales se puede independientemente dominar contraste de la imagen. Sin embargo, el contraste intrínseco proporcionado por los tiempos T1 y T2 del y los cambios en sus valores introducidos por patologías del tejido son a menudo demasiado limitadas para permitir un diagnóstico sensible y específico. Por esa razón, se hace uso de agentes de contraste para MRI que alteran el contraste de la imagen después de su administración. El grado y la localización de los cambios de contraste proporcionan información de diagnóstico importantes. Ciertos agentes de contraste se utilizan predominantemente para acortar el tiempo de relajación T1 y éstos se basan principalmente en quelatos de bajo peso molecular de iones de gadolinio Gd3+. La investigación en agentes de contraste con radicales orgánicos ofrecería una alternativa a los medios de contraste basados en gadolinio altamente tóxicos. Sin embargo, la intrínsecamente baja capacidad de relajación paramagnética de nitróxidos (en parte debido a su bajo espín de 1/2) ha impedido su aplicación generalizada como un agente de contraste de MRI. El reto en el desarrollo de nuevos agentes de contraste para MRI es el diseño y la síntesis de compuestos paramagnéticos de tamaño molecular moderado que poseen una larga vida media in vivo, de alta solubilidad en agua y de alta relaxividades de 1H. El uso de dendrímeros hace posible mejorar la solubilidad en agua mediante la adición de grupos polares de superficie y aumentar el spin total por la interacción entre ellos en la superficie del dendrímero. Los dendrímeros introducen en el sistema de los agente de contraste la posibilidad de cambiar el tamaño de la molécula, siempre y cuando usamos generaciones diferentes, proporcionando una bio-específica distribución por tamaño. De esa manera, (pequeños tamaños) compuestos de bajo peso molecular se eliminan rápidamente por los riñones. Por otro lado, las moléculas más grandes de peso molecular (grandes tamaños) presentan una baja permeabilidad a través de la pared vascular y permanecen en los vasos sanguíneos durante largo tiempo. En este sentido los dendrímeros radicales son unas moléculas versátiles que permiten controlar el tamaño final del agente de contraste para garantizar la bio-distribución deseada, el control de los tiempos de vida y de la excreción. Por lo tanto, hemos sintetizado y caracterizado una serie de dendrímeros radicales. La solubilidad en agua se probó con el propósito de estudiar su comportamiento como agentes de contraste en los medios acuosos. Sólo Gc0amidoTEMPO, PROXYLLys (GCX) OLi y PROXYL-Tyr (GCX) OLi, eran solubles en agua; por lo que la medición de las capacidades de relajación de agua se realizaron sólo para ellos. Los resultados obtenidos para los dendrímeros Tirosina mostraron un efecto dendrítico en las capacidades de relajación que abre la puerta de esta familia de compuestos como un prometedor agentes de contraste sin metal. / During the last decades many techniques for molecular structure studies have been developed. Nuclear Magnetic Spectroscopy (NMS), in particular, is an important technique that has achieved a widespread use for the identification and characterization of molecules of interest in chemistry and biochemistry. Moreover, magnetic resonance imaging (MRI) is one of the best non invasive clinical imaging methods used in medicine which takes benefit of the NMS principles. One of the main limitations of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is its intrinsic low sensitivity. NMR signal is proportional to nuclear polarization, P, which is governed by the Boltzmann distribution of nuclear spins. In order to overcome this intrinsic limitation some instrumental improvements have appeared in the last few decades as the development of cryogenically cooled probes and the availability of higher magnetic field superconducting magnets. Additionally, several methods to enhance the nuclear polarization have been also developed and are in constant expansion. Among them, the most extended ones are optical pumping, para-hydrogen induced polarization (PHIP) and dynamic nuclear polarization (DNP). All these methods are based on hyperpolarization, that is a general term that describes a system in which the distribution of populations has been disturbed to create an excess of populations in one energetic level, thus boosting the net magnetization of the system. Dynamic nuclear polarization (DNP) has emerged as one of the most general methods for nuclear hyperpolarization. DNP is a technique that requires the presence in the sample of a paramagnetic compound, a glassing agent and the analyte, the target of polarization. In this Thesis we have developed several new paramagnetic compounds based on organic persistent radicals covering from monoradicals of three different families (TEMPO, BDPA and PTM) to biradicals combining such monoradicals. In the present Thesis we have been synthesized and characterized several monoradicals of three families of compounds (PTM, BDPA and TEMPO). The possible application of three BDPA derivatives as polarizing agents has been explored. The results obtained for two of them are promising as they improve the sample preparation conditions with respect the non functionalized BDPA, reducing the time necessary to perform the DNP experiment and open the possibility to be eliminated during the transference process in order to avoid a further loss of polarization. It has recently been proposed that mixed biradicals based on trityl radicals and nitroxide radicals are potentially the best biradical candidates for attaining the maximal DNP enhancements. Under the light of these studies, we performed the synthesis and characterization of a few biradicals, not only those that joins trityl and nitroxide but other that mix carbon centered radicals of the same family or the different family too. The possible application of some of them as a polarizing agents were tested obtaining good results for a some of them. Another methodology to obtain hyperpolarized nuclei of low gyromagnetic constant is the use of Magic Angle Spinning-Dynamic Nuclear Polarization (MAS-DNP). In this technique, the hyperpolarized compound usually are the hydrogen atoms of water that transfer their polarization to low gyromagnetic nuclei by the double resonance performed by the Cross Polarization. The paramagnetic compounds that are used to polarize hydrogen nuclei in general are TEMPO biradicals. As we synthesized a monoradical of TEMPO, we performed the synthesis and characterization of three TEMPO biradicals (TEMPO=TEMPO, TEMPOesterTEMPO and TEMPOamidoTEMPO),the water enhancements tests were performed in Dr. Bodenhausen laboratory (Switzerland). The enhancements obtained indicated that the biradicals with greater couplings generates lower polarization levels and with them lower enhancement. In general, MRI is limited to systems with a large bulk magnetization, such as that provided by water in tissues. Imaging of other nuclei is possible, but challenging. These shortcomings are the result of both the gyromagnetic ratios and natural abundances of the other active nuclei. More specifically, protons have a relatively high gyromagnetic ratio compared to other nuclei. The gyromagnetic ratio controls the difference in the energy levels of the system, and the larger the energy difference, the larger the polarization is obtained because of the Boltzmann distribution. Since other nuclei such as carbon, nitrogen or phosphorus have smaller gyromagnetic ratios, they have smaller energy level differences and thus smaller net polarizations. While spectroscopic applications of nuclei other than protons using NMR are possible, imaging of the other nuclei (especially in vivo) is nearly impossible. The low sensibility of MRI of low gyromagnetic constant nuclei can be improved by hyperpolarization techniques. On the other hand, the improvements on water imaging, apart from differences in the local water content of different tissues which generates an intrinsic contrast, the basic contrast in the MR images mainly results from regional differences in the intrinsic relaxation times T1 and T2, each of which can be independently chosen to dominate image contrast. However, the intrinsic contrast provided by the water T1 and T2 and changes in their values brought about by tissue pathology are often too limited to enable a sensitive and specific diagnosis. For that reason, increasing use is made of MRI contrast agents that alter the image contrast following their administration. The degree and location of the contrast changes provide substantial diagnostic information. Certain contrast agents are predominantly used to shorten the T1 relaxation time and these are mainly based on low-molecular weight chelates of gadolinium ion Gd3+. The research in organic radical contrast agents would provide an alternative to highly toxic gadolinium-based contrast agents. However, the intrinsically low paramagnetic relaxivity of nitroxides (in part due to their low spin of 1/2) has prevented their widespread application as a MRI contrast agent. The challenge in the development of new contrast agents for MRI is the design and synthesis of paramagnetic compounds of moderate molecular size that possess long in vivo lifetimes, high water solubility and high 1H water relaxivities. The use of dendrimers makes possible to enhance water solubility by addition of surface polar groups and increase the total spin by the interaction among them on the dendrimer surface. Dendrimers introduce to the contrast agent system the possibility to change the molecule size, as long as we use different generations, providing specific size-bio distribution. In that way, low molecular weight (small sizes) compounds are quickly eliminated by kidneys. On the other hand, larger molecular weight molecules (big sizes) present low permeability through the vascular wall and remain in blood vessels for long time. In this sense radical dendrimers are a versatile molecules that allow control the final size of the contrast agent to ensure the desired bio distribution, controlling the lifetimes and excretion. Thus, we have synthesized and characterized a series of radical dendrimers. The water solubility was tested with the purpose of studying their behavior as a contrast agents in water media. Only Gc0amidoTEMPO, PROXYLLys(Gcx)OLi and PROXYL-Tyr(Gcx)OLi, were water soluble; so the measurement of the water relaxivities were performed only for them. The obtained results for tyrosine dendrimers showed a dendritic effect on the relaxivities which opens the door of this family of compounds as a promising metal-free contrast agents.

La convergència de la nanotecnologia i la biotecnologia porta al desenvolupament de nous coneixements científics i tècnics que permeten millorar el benestar humà. Dins d'aquest nou camp de la nanobiotecnologia, el camp dels (bio)sensors és el més desenvolupat i el que té el major potencial per a aplicacions a curt termini. En aquest context, els (bio)sensors basats en principis electroquímics destaquen pels seus avantatges com la simplicitat, robustesa, baix cost, capacitat de miniaturització i d’integració de dispositius. Aquests sensors són cada vegada més atractius ja que permeten un diagnòstic ràpid i simple en camps com la biotecnologia, la investigació clínica i ambiental. Històricament, el carboni ha estat un material d'elèctrode molt utilitzat i pràctic per les seves propietats desitjables per a aplicacions electroquímiques. Disponible en una gran varietat d'estructures, els elèctrodes de carboni ofereixen, en general, una bona conductivitat elèctrica, alta estabilitat tèrmica i mecànica, una àmplia finestra operable de potencial amb cinètica d'oxidació lenta i, en molts casos, activitat electrocatalítica. A més d'això, se'ls reconeix com a materials de manipulació ràpida i fàcil. Cal també elogiar la seva química de superfície rica que ha estat explotada per a influir en la reactivitat superficial. Així doncs, les diferents estructures de carboni han tingut durant molt temps un paper important en el desenvolupament d'elèctrodes sòlids. Més recentment, amb l'aparició dels nanotubs de carboni (CNTs) s'han intensificat algunes d'aquestes propietats i s’ha impulsat d'una manera sense precedent les aplicacions electroquímiques i electroanalítiques. La mida nanomètrica i la alta relació d'aspecte dels nanotubs de carboni són els trets més distintius que han contribuït a les innovadores aplicacions electroquímiques i el que permet establir les diferències pel que fa als materials de carboni. En conseqüència, l'objectiu principal d'aquest treball ha estat explotar les propietats dels nanotubs de carboni per al disseny de nanodispositius. Les destacades propietats electroquímiques han impulsat el disseny de diverses configuracions d'elèctrodes. Això, combinat amb les seves propietats químiques i versatilitat de (bio)funcionalització, ha fet que aquests materials siguin molt adequats per al desenvolupament de biosensors electroquímics. La primera part de l'estudi s'ha centrat en l'ús de nanotubs de carboni com a transductors electroquímics i la relació entre la seva estructura i reactivitat electroquímica. Es va trobar que les vores dels nanotubs de carboni juguen un paper important en la resposta electroquímica; fet que es va utilitzar per al disseny i desenvolupament de noves plataformes d'elèctrodes basats en els nanotubs. A la segona part de l'estudi, hem aprofitat la capacitat dels nanotubs de carboni per a ser adaptats en diferents disposicions geomètriques, la seva biocompatibilitat, robustesa química i la seva possibilitat de funcionalització química covalent i no covalent, per al desenvolupament de (bio)sensors. En concret, s’ha avaluat el comportament del (bio)sensor d’elèctrodes de diferents configuracions de carboni funcionalitzats amb proteïnes redox (catalasa i mioglobina). Aquestes proteïnes presenten una alta sensibilitat a l'oxigen i peròxid d'hidrogen i són capaces de catalitzar la reducció d'aquestes espècies, convertint-se com a prometedors sensors d'oxigen i peròxid. Seguint el mateix enfocament, s'han utilitzat matrius de microelectrodes basades en CNTs covalentment funcionalitzats amb sondes d'ADN específiques o amb aptàmers. La detecció d'hibridació o de la interacció específica entre els aptàmers i les proteïnes han estat controlats amb diferents tècniques electroquímiques (voltametria cíclica, cronocoulometia o impedància) en presència de marcadors d'oxidació-reducció. La tercera i última part de l'estudi se centra en explotar el caràcter semiconductor dels nanotubs de carboni amb l'ús de la configuració en transistor d'efecte de camp (Field Effect Transistor FET). El dispositiu CNT-FET ha estat optimitzat per funcionar en medi líquid mitjançant la realització de protocols de passivació. Això, juntament amb l'ús de connectors pirè bifuncionals per a la immobilització dels aptàmers, ha permès la detecció sensible electrònica de les interaccions proteïna/aptamer. A més, també hem estat capaços de seguir l’absorció de proteïnes i canvis conformacionals de les parets dels CNTs. Els resultats d'aquest treball mostren que aquests dispositius electroquímics i electrònics basats en nanotubs de carboni poden arribar a ser molt prometedors per a la detecció de biomolècules i per al seguiment de processos biològics. / The convergence of nano and biotechnology is enabling scientific and technical knowledge for improving human well being. Within this new field of nanobiotechnology, the area of (bio)sensors is the most developed and the one which has the highest potential for short-term applications. In this context, (bio) sensors based on electrochemical principles stand out due to their marked advantages in terms of simplicity, robustness, low cost, miniaturization capability and integration to devices. These sensors are becoming very attractive for rapid and simple diagnostic, in fields such as biotechnology, clinical and environmental research. Historically, carbon has been a widely used and practical electrode material due to its desirable properties for electrochemical applications. Available in a variety of structures, carbon electrodes provide, in general, good electrical conductivity, high thermal and mechanical stability, a wide operable potential window with slow oxidation kinetics and, in many cases, electrocatalytical activity. On top of that, they are recognized as versatile and easy handling materials, and also praised by their rich surface chemistry which has been exploited to influence surface reactivity. Thus, different forms of carbon have played for a long time an important role in solid electrode development. More recently, the appearance of carbon nanotubes (CNTs) has intensified some of these properties and propelled in an unprecedented way their electrochemical and electroanalytical applications. The nanometre size and high aspect ratio of the carbon nanotubes are the distinct features which have contributed more to innovative electrochemical applications and to establish the differences with respect to other carbon materials. Accordingly, the principal aim of this work has been to exploit the properties of carbon nanotubes to design novel nanodevices. The prominent electrochemical properties of carbon nanotubes have impelled the design of diverse electrode configurations. That, combined with their chemical properties and (bio)functionalization versatility have made these materials very appropriate for the development of electrochemical biosensors. The first part of the study has been focused on the use of carbon nanotubes as electrochemical transducers and the relation between their structure and their electrochemical reactivity. It was found that the edges of carbon nanotubes play an important role in the electrochemical response, which was then used for the design and development of new carbon nanotubes-based electrode platforms. In the second part of the study, we have taken advantage of the capability of CNTs for being tailored in different geometrical arrangements, from their biocompatibility, their chemical robustness and their interesting covalent/non-covalent chemical functionalization possibilities, to develop biosensor platforms. Specifically, the (bio)sensor behaviour of different carbon configurations functionalized with redox proteins (catalase and myoglobin) has been evaluated. Such proteins exhibit high sensitivity to oxygen and peroxide and are capable to catalyze the reduction of such species, which hold promise as oxygen and peroxide sensors. Then, following the same approach, we have used CNT microelectrode arrays covalently functionalized with specific DNA probes or with aptamers. The detection of hybridization events or the specific interaction between aptamers and proteins were sensitively monitored by different electrochemical techniques (cyclic voltammetry, chronocoulometry or impedance spectroscopy) in presence of redox markers. The third and last part of the study is focused on exploiting the semiconductor character of carbon nanotubes for sensor technology by using a field effect transistor configuration (FET). The CNT-FET device has been optimized for operating in liquid environment by performing passivation protocols. This, together with the use of bifunctional pyrene linkers for the immobilization of the aptamers, has allowed sensitive electronic detection of protein/aptamer interaction. Additionally, we were also able to follow up protein adsorption and protein conformational changes on the CNT walls under liquid gating. The results of this thesis work show that these electrochemical and electronic CNT devices can become highly promising for biomolecule sensing and for the monitoring of biological processes.