En una primera part d’aquest treball s’ha optimitzat una metodologia per l’anàlisi dels hidrocarburs aromàtics policíclics (PAHs) i s’ha desenvolupat i aplicat una nova metodologia d’anàlisi dels seus metabòlits hidroxilats (OH-PAHs). Per l’anàlisi dels PAHs s’han avaluat diferents mètodes d’extracció (Soxhlet i extracció assistida per microones (MAE)), quatre mètodes de purificació mitjançant cromatografies en columna i extracció en fase sòlida (SPE) basades en diferents adsorbents, i l’anàlisi final per cromatografia de gasos acoblada a l’espectrometria de masses (GC/MS). Els resultats han mostrat que el MAE seguit de la SPE amb sílice compactada o amb cromatografia en columna basada en alúmina/gel de sílice i l’anàlisi per GC/MS constitueix una bona metodologia per l’anàlisi dels PAHs. Aquesta presenta bona sensibilitat, baixos límits de detecció (DL) i quantificació (QL) i bona resolució per l’anàlisi dels analits d’interès. La metodologia ha estat validada mitjançant un material de referència certificar per assegurar la traçabilitat dels resultats experimentals. Per altra banda, s’ha desenvolupat una nova metodologia per l’anàlisi dels OH-PAHs, la qual consisteix en el MAE, seguit d’una SPE basada en polímers impremtats molecularment (MIPs) i l’anàlisi final per cromatografia líquida d’alta resolució amb detector de fluorescència (HPLC/FLD). Durant el desenvolupament d’aquesta s’han optimitzat diversos paràmetres involucrats en les diferents etapes de l’anàlisi. S’han assajat diferents temperatures i solvents d’extracció pel MAE, naturalesa i volum de solvents per la SPE MIPs i les condicions de detecció i separació pel cas del HPLC/FLD. La nova metodologia s’ha comparat amb una de més tradicional, la qual consisteix en el MAE-sililació-GC/MS i també amb d’altres existents a la bibliografia, mostrant una sensibilitat, DL, QL i reproductibilitat (RSD) similars o millors. La nova metodologia ha demostrat aportar avantatges en termes de reducció d’interferències com a resultat de la utilització de la SPE MIPs com a purificació altament selectiva, la qual cosa ha permès també disminuir el temps de pretractament de mostra. Aquest ha estat el primer cop que la tecnologia dels MIPs ha estat aplicada amb objectius de purificació d’extractes de sòl per l’anàlisi d’aquests metabòlits hidroxilats dels PAHs. A la segona part del treball s’ha portat a terme un experiment per valorar l’efecte de les mescles de contaminants. En particular, per determinar la influència de diferents concentracions de metalls pesants en la degradació d’alguns PAHs per comunitats bacterianes. Dins la comunitat científica, no hi ha massa estudis centrats en els efectes de la mescla de contaminants en matrius ambientals, mentre que la majoria d’estudis sobre la seva interacció s’han dut a terme habitualment amb els compostos de forma aïllada (metalls pesants o PAHs), en condicions in vitro. Per donar resposta a aquest problema, s’han preparat un conjunt de microcosmos com a representació de l’ambient natural a escala de laboratori, afegint mescles de PAHs i metalls pesants i sota condicions experimentals controlades. Després de l’anàlisi d’aquests microcosmos s’ha observat que la presència de metalls pesants exerceix una influència significativa en la biodegradació dels PAHs. Com a observació general, a majors concentracions de metalls pesants, menor degradació succeïa pels PAHs de 3-4 anells (Phe, Fluo i Pyr). Per altra banda, no s’han observat efectes importants en la biodegradació dels PAHs de major pes molecular (BbF i BaP) als diferents nivells de metalls pesants. Així doncs, s’ha observat que els metalls pesants tenen una influència important en la biodegradació dels PAHs com a resultat de la interacció d’aquests dos tipus de compostos en matrius ambientals complexes com els sòls. Finalment, s’ha detectat i quantificat un metabòlit hidroxilat del Phe (9-OHPhe) als mateixos microcosmos, aplicant la nova metodologia desenvolupada i mencionada anteriorment. Els resultats semblen indicar que el mecanisme de formació del 9-OHPhe en aquests microcosmos pot no veure’s afectat per les diferents concentracions de metalls pesants. / In the first part of this work, a methodology for the analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils has been optimized and a new methodology for the analysis of their hydroxylated metabolites (OHPAHs) has been entirely developed and applied. For the analysis of PAHs, two extraction methods (Soxhlet and Microwave assisted extraction (MAE)), four clean-up methods involving column chromatography and solid phase extraction (SPE) based on different adsorbents and a final analysis with gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS) were tested. The results showed that MAE followed by SPE based on silica or by column chromatography based on alumina/silica and GC/MS analysis constituted a great methodology for PAHs analysis. It presented great sensitivity, low detection limits (DL) and quantification limits (QL) and good resolution for the analysis of the selected analytes. It has also been validated by means of a certificate reference material to ensure traceability of the experimental results. On the other hand, a new methodology was developed for the analysis of OH-PAHs, which consisted in MAE, followed by SPE based on molecularly imprinted polymers (MIPs) and the final analysis by high performance liquid chromatography coupled to fluorescence detection (HPLC/FLD). During the development of the methodology, several parameters involved in the different steps of the analysis were optimized. Different temperature and mixtures of extraction solvents were tested for MAE, the volume and nature of eluting solvents were tested for SPE MIPs and the chromatographic and detection conditions were optimized for HPLC/FLD. The new methodology was also compared with a more conventional one consisting in MAE-silylation-GC/MS as well as with other reported methodologies in the literature, showing comparable or greater sensitivity, DL, QL and reproducibility (RSD). The new methodology also presented advantages in terms of lack of interferences during the analysis as a result of the use of the highly selective clean-up by SPE MIPs, which also allowed shortening the sample pretreatment. This was the first time that MIPs technology was applied for soil clean-up purposes for the analysis of PAHs hydroxylated metabolites. In the second part of the work, an experiment to assess the effect of mixed pollutants was carried out. In particular, the influence of different concentrations of heavy metals on the degradation of some PAHs by soil bacterial communities was studied along 60 days. Among the scientific community, there are not many studies regarding the effect of mixed pollutants in real matrices, whereas the studies of their interaction are usually conducted for the isolated compounds (heavy metals or PAHs) and under in vitro conditions. To give an answer to this problem, a group of microcosms’ experiments were prepared as a reresentation of the native environment at laboratory scale, adding mixtures of PAHs and heavy metals under controlled experimental conditions. After the analyses of such microcosms were performed, results showed that the presence of heavy metals had a significant influence on PAHs biodegradation. As a general observation, higher concentrations of heavy metals led to lower biodegradation of PAHs of 3-4 rings (Phe, Fluo and Pyr). On the other hand, no important effect on biodegradation of higher molecular weight PAHs (BbF and BaP) was observed at the different levels of heavy metals. Thus, results showed that there was a significant influence of heavy metals on PAHs biodegradation as a result of the interaction of both compounds in a complex soil matrix. Finally, a hydroxylated metabolite of phenanthrene, 9-OHPhe, was detected and quantified in the same microcosms’ experiments applying the new developed methodology previously mentioned. The results seemed to indicate that the formation mechanism of 9-OHPhe in such microcosms might not be affected by the different concentrations of heavy metals.

En este estudio, se han desarrollado la separación, preconcentración y determinación de métodos para el U (VI) en niveles de traza. El diseño de sistemas extracción líquido-líquido, para el U (VI) es el primer paso para desarrollar otros sistemas de separación. Para este fin, diferentes agentes extractantes fueron probados, tributil fosfato (TBP), cloruro de trioctilmetil amonio (Aliquat 336) y ácido bis(2-etilhexil) fosfórico (D2EHPA). Entre ellos, el D2EHPA es el agente de extractante más eficaz para el ión uranilo usando las mismas condiciones de trabajo. De esta forma, se desarrolla un diseño de experimentos Doehlert, el cual permite la optimización de las condiciones químicas del sistema de separación líquido-líquido, para la extracción y la recuperación de U (VI). Las condiciones óptimas establecidas por el modelo, y en relación con la concentración del agente extractante y los agentes de recuperación, se denominan Sistema 1 y Sistema 2. Estas condiciones se aplican en la separación y preconcentración de U (VI) por medio de sistemas de membrana. Estos incluyen membranas líquidas de volumen (BLM), líquidas soportadas (SLM), y poliméricas modificadas con D2EHPA (PMM), el cual es el carrier en todos los sistemas de membrana. Por lo tanto, en el caso de las SLM dos tipos de soportes poliméricos son usados, el Fluoruro de Polivinilideno comercial (PVDF) y la Polisulfona (PSf), sintetizada en el laboratorio, así como la PMM. El Sistema 2 y el soporte PVDF muestran una buena eficacia para la separación de iones de uranilo, desde un punto de vista económico (menor cantidad de reactivo y menos tiempo de trabajo, respectivamente). Tanto la membrana comercial como las membranas poliméricas sintetizadas, se caracterizan por diferentes métodos espectroscópicos y de superficie, lo que permite una comparación en la morfología entre ellas, así como la evaluación de su eficacia en la separación y preconcentración del ión de interés. En el caso de la determinación de U (VI) varios métodos se han desarrollado y aplicado, tales como: espectrometría alfa, y espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), y la espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS). En esta última, el estudio de la aplicación de diferentes sistemas de nanopartículas como superficies SERS ha sido comprobado. Estas superficies de nanopartículas interactúan adecuadamente con el ión uranilo, permitiendo su determinación. Los diferentes sistemas estudiados como superficies SERS son: nanopartículas de oro (AuNPs), nanopartículas de oro modificadas con ácido aminometil fosfónico (AuNPs-APA), resinas aniónicas modificadas con AuNPs y APA (Resina-AuNPs-APA), espejos de nanopartículas de plata (AgNPs), y nanopartículas de plata sintetizadas en una matriz polimérica funcionalizada, que es la poliéteréter centona sulfonada (SPEEK-AgNPs). Buenas señales se encuentran con SPEEK-AgNPs, y los mejores resultados se obtienen con los espejos de AgNPs. / In this study, separation, preconcentration and determination methods for uranium (VI) in trace levels have been developed. The design of a liquid-liquid extraction system for uranium (VI) is the first step to develop other separation systems. For this purpose, different extracting solutions are checked, i.e. tri-n-butyl phosphate (TBP), methyltrioctylammonium chloride (Aliquat 336), and bis(2-ethylhexyl) phosphoric acid (D2EHPA). Above them, D2EHPA is the most effective extracting agent for uranyl ion working under the same conditions. In this way, a Doehlert experimental design is developed, allowing the optimization of chemical conditions of the liquid-liquid separation system for both, the extraction and the recovery of U (VI). The corresponding optimal chemical values established by the model, and related to the concentration of the extracting agent and the recovery agents, are called System 1 and System 2. These conditions are applied in the separation and preconcentration of U (VI) by means of membrane systems. These include bulk liquid membranes (BLM), supported liquid membranes (SLM), and modified polymeric membranes with D2EHPA (PMM), which is the carrier agent in all the membrane systems. Thus, in the case of the SLM two types of polymeric supports are checked, such as a commercial polyvinylidene fluoride (PVDF) and a homemade polysulfone (PSf), the later synthesized in the laboratory, as well as the PMM. System 2 and PVDF supports show good effectiveness for the uranyl ion separation, also from an economical point of view (lower amount of reactive and less time of working experiments, respectively). In this way the commercial and the homemade polymeric membranes are characterized by different spectroscopic and surface methods, allowing a comparison in morphology between them, as well as evaluating its effectiveness in the separation and preconcentration of the ion of interest. In the case of the determination of uranium (VI) various methods have been developed and applied, such as alpha spectrometry, and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), and additionally surface enhanced raman spectroscopy (SERS) is also tested. For the later, the study of the application of different nanoparticles systems as SERS surfaces has been checked. This nanoparticle surfaces properly interact with the uranyl ion, allowing its enhanced determination. The different systems studied as SERS surfaces are: gold nanoparticles (AuNPs), gold nanoparticles modified with aminomethyl phosphonic acid (AuNPs-APA), anionic resins modified with AuNPs-APA (Resina-AuNPs-APA), silver nanoparticles mirrors (AgNPs), and silver nanoparticles synthesized in a functionalized polymeric matrix, which is the sulfonated polyetherether ketone (SPEEK-AgNPs). Good signals are found with SPEEK-AgNPs, and the best results are obtained with AgNPs mirrors.

On-line systems for monitoring mercury in liquid and gaseous production and waste streams have been developed, utilising atomic fluorescence spectrometry (AFS) as the basis for detection. Instrumentation has been designed for unattended continuous operation. Laboratory chemistries for the vapour generation of mercury, normally performed off-line in batch mode, have been adapted and optimised for continuous, flow-injection analysis for varying sample types and chemical forms of mercury. The system has typical analysis cycle of 7 minutes, a limit of detection of 10 pg ml ˉ¹ a linear range up to 100 µg ml ˉ¹ and has been applied in industrial environments for the continuous monitoring of mercury in incineration wastewater and sulphuric acid. The system was validated by on-site trials for periods of one week, during which time comparative off-line laboratory measurements showed good agreement. An automated system for monitoring mercury in natural gas streams has also been developed and validated by laboratory and on-site industrial trials. A heated pressure let-down system was designed in order to facilitate sampling of high-pressure gas streams without condensation of heavier fractions. The heated sampling line was interfaced with an automated system for trapping mercury, from variable volumes of gas, onto gold amalgamation traps, with subsequent desorbtion and analysis by AFS. The method detection limit for a 58 litre sample of natural gas was 30 pg m ˉ³ which was sufficient to determine residual mercury in natural gas streams even after mercury scrubbing had been performed. The system was validated by laboratory trials and spiking experiments during on-site trials at a gas processing facility, which resulted in complete installation and commissioning.

The objective of this study was to fully characterise drift phenomena in inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) in order to develop novel correction procedures to aid routine analysis. Long-term drift of the analytical signal continues to be a potential disadvantage when using ICP-AES and often necessitates regular recalibration. The long-term stability of three commercially available Instruments was studied using In each case a range of analyte and intrinsic plasma emission lines. Long-term fluctuations were observed which generated drift bias of up to 20% on the initial values. The drift pafterns were characterised and found to be qualitatively reproducible. In most cases, similar long-term fluctuations were observed independent of the analyte or nature of the emission line. In addition, high inter-element correlation was observed on the long-term fluctuations even when sequential acquisition was employed. In order to study the fundamental causes of drift, the effect of two key instrumental parameters, i.e. the RF power and the nebutiser gas flow rate were studied with respect to the stability of the signal. Different drift patterns were found depending on the working conditions. Classical statistical methods and a multi-way approach. PARAFAC. were then employed to describe the system. The use of intemal standards to correct for drift has also been investigated, but found to be of benefit only under certain defined conditions (i.e. robust conditions, high RF power and low nebuliserflow rate). At soft conditions, low RF power and medium to high nebuliser flow rate, the system Is very unstable and intemal standardisation is not fully effective as a correction method. For such conditions, a novel correction procedure has been developed, which employs the drift pattem of one intrinsic plasma line (i.e. an argon line) and a correction factor which is specific for each emission line. The drift values were reduced from around 20% before correction to better than ±2% following the described protocol. Finally, the effects of chemical matrices on the long-term stability of the emission signals have been evaluated. Three synthetic matrices were prepared simulating nitric, soil and water matrices. The stability of the instrument when working wrth these matrices at both robust and soft conditions was found to be poor, especially when the solution was matched with the soil matrix. The use of more robust conditions did not improve the long-temi stability of the emission signals. The outcome of this study proved to be a better understanding of drift phenomena and a novel method for drift correction.

Coherent scatter measurements have previously shown promise as a method for detection and identification of materials. However, the time required for measurements is rather long and the computer power required to analyse the data can be quite considerable. A multiple angle coherent scatter system has been designed and built to assess the feasibility of using this technique as an alternative to a single angle coherent scatter system. An application of detecting the presence of explosives within baggage to go on board aircraft was used to test the multiple angle system. A cadmium zinc telluride detector was found to be suitable to be used with the multiple angle system. A model of the system was used to determine the number of angles required and to determine the characteristics of the collimator that would be suitable with this detector. The objective of this work was to develop a simple method of analysing the data yielded from multiple angle coherent scatter system. This has been achieved by plotting the scatter signatures in the form of energy-angle diagrams and using these plots to determine the optimum energy windows to be used with each scatter angle. Samples of 4 mm of Semtex and 6 mm of SX2 were detected with 0% false alarm rate at 100% detection rate with a single energy window centred at a planar spacing of 3.3 Å. A detector array with collimation has been built to fit within the dimensions of an existing baggage scanner. This caused an increase in the scatter volume and hence the explosive sample constituted a smaller part of it. The results were that the false alarm rate was higher than for the initial system, at 37.5% It is concluded that the multiple angle detection of coherent scatter signatures is a promising method for the detection of explosives and that it could be used for several other applications in the future.

La investigación de drogas ilícitas (IDs) en aguas se ha convertido en tema de actualidad en los últimos años. Las IDs pueden entrar en las aguas residuales, inalteradas o como metabolitos, después de su consumo y excreción. Los procesos de depuración, comúnmente aplicados en las plantas de tratamiento de aguas residuales (WWTPs), son a menudo insuficientes y algunas IDs y/o sus productos de transformación (TPs) pueden ser transferidos continuamente a aguas medioambientales. La determinación de IDs y sus metabolitos en el ciclo del agua puede contribuir a entender el potente impacto de estos compuestos en el ecosistema acuático, así como proveer información sobre el consumo de drogas y sus tendencias. Por consiguiente, se requiere desarrollar metodologías analíticas sofisticadas para obtener datos de concentración exactos de estos compuestos en el medio acuático. En esta tesis doctoral, se ha investigado el potencial de técnicas analíticas modernas basadas en el acoplamiento cromatografía líquida-espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS), con analizadores de triple cuadrupolo (QqQ), híbrido cuadrupolo-tiempo de vuelo (QTOF) y trampa de iones lineal Orbitrap (LTQ-Orbitrap), para la determinación de IDs y sus metabolitos/TPs en diferentes tipos de muestras de agua. El trabajo se ha estructurado en cinco partes. De los datos obtenidos en esta tesis han resultado nueve artículos científicos y un capítulo de un libro, escrito por invitación. En la primera parte, se ha explorado el potencial de la UHPLC-MS/MS, con analizador de triple cuadrupolo, para la determinación cuantitativa de las IDs más frecuentemente consumidas y sus metabolitos en agua. Se han desarrollado dos métodos multiresiduales basados en una etapa de pre-tratamiento de muestra mediante extracción en fase sólida (SPE) “off-line” y posterior determinación por UHPLC-MS/MS. En ambos métodos, se pudieron cuantificar e identificar en un solo análisis compuestos pertenecientes a diferentes clases de IDs, con propiedades físico-químicas diferentes. En el primer método se seleccionaron 11 compuestos ácido/base pertenecientes a tres clases de IDs (anfetaminas, cocaína y cánnabis) en base a su elevado consumo en el área Mediterránea. Posteriormente, el método se actualizó tras la reciente adquisición de un instrumento UHPLC-MS/MS, resultando el método presentado en el segundo trabajo, en el cual se aumentó el espectro de aplicación a varios opiáceos y a la ketamina. La selección de estos compuestos se realizó de acuerdo con los datos obtenidos en estudios de control europeos donde, por ejemplo, la ketamina fue detectada, ocasionalmente, en muestras de agua residual. Se llevó a cabo un estudio detallado para la minimización del efecto matriz, evaluando su impacto en la determinación cromatográfica y en la sensibilidad. Ambos métodos fueron validados y, posteriormente, aplicados al análisis de aguas residuales urbanas de WWTPs situadas en la provincia de Castellón, España. Algunos de estos resultados forman parte del programa de control europeo, apoyado por el “Observatorio Europeo de las Drogas y las Toxicomanías” (EMCDDA), donde nuestro laboratorio es uno de los centros participantes. Las IDs más frecuentemente detectadas fueron la cocaína y el cannabis. Además, los resultados indicaron un aumento del consumo de la cocaína durante los fines de semana, así como un aumento de la mayoría de las otras drogas durante algún festival de música importante. Los datos de concentración obtenidos para las aguas residuales de entrada y salida permitieron estimar la eficiencia de las WWTPs en la eliminación de cada compuesto estudiado, la cual fue, generalmente, satisfactoria para los bajos niveles de concentración encontrados en las aguas residuales de entrada. Sin embargo, la eliminación de IDs disminuyó durante la semana del festival de rock. La segunda parte resultó en un capítulo de libro y dos artículos científicos, focalizándose en el estudio del potencial de la LC acoplada a Espectrometría de Masas de Alta Resolución (HRMS) para investigar la presencia de IDs en aguas residuales. La versatilidad de la LC, junto con el alto poder de resolución del masas y la masa exacta de la HRMS, así como la posibilidad de realizar experiencias en modo MS/MS o pseudo MS/MS, permitió la detección e identificación de IDs y sus metabolitos con la selectividad y sensibilidad requerida. Inicialmente, se exploró el potencial de la técnica UHPLC-QTOF MS para un rápido “screening” cualitativo de 76 IDs, fármacos con potencial de abuso y algunos de sus metabolitos en muestras de agua residual recogidas en España. Los análisis fueron llevados a cabo en modo MSE, el cual implica la adquisición simultánea de dos funciones con energías de colisión diferentes. Esto permite obtener datos de masa exacta para las moléculas protonadas (baja energía de colisión) e iones fragmento (alta energía de colisión) en un solo análisis. El “screening” de muestras de agua residual de entrada y salida sospechosas de estar contaminadas permitió la detección e identificación de diez compuestos, de los cuales cinco analitos (codeína, cotinina (metabolito de la nicotina), ketamina, oxazepam y temazepam) pudieron ser provisionalmente identificados sin disponer inicialmente de patrones de referencia. El análisis cualitativo y cuantitativo mediante el analizador de masas LTQ Orbitrap fue también estudiado para 24 IDs y metabolitos relevantes en aguas residuales utilizando simultáneamente datos de masa exacta de “full-scan” y medidos en MSn. Este último fue generado en el LTQ y facilitó información útil de iones producto. La validación del método demostró satisfactoriamente la capacidad cuantitativa para la determinación de IDs a niveles de sub-ppb. La metodología fue aplicada a muestras de aguas residuales de los Países Bajos. Varias IDs tales como MDMA, benzoilecgonina (BE), codeína y benzodiacepinas pudieron ser identificadas y cuantificadas. Además, los datos de MS obtenidos mediante el Orbitrap permitieron una investigación retrospectiva de los metabolitos de la ketamina en las muestras. La tercera parte consistió en la elaboración de dos artículos científicos donde el espectro de masa exacta obtenido por LC-QTOF MS en modos MS/MS y MSE permitió, por una parte, investigar la fragmentación de varios IDs y sus metabolitos, y por otra, la elucidación de TPs de la cocaína y su principal metabolito, la BE, en agua. En el primer trabajo, se estudiaron las vías de fragmentación de diferentes clases de IDs (anfetaminas, cocaína, opiáceos, cannabinoides y ketamina) y sustancias relacionadas, incluyendo metabolitos y análogos deuterados. Se propusieron estructuras químicas de iones fragmento utilizando los datos de masa exacta medida junto con los conceptos y reglas básicas de fragmentación. Nuestros datos de masa exacta permitieron confirmar estructuras y vías de fragmentación, previamente reportadas, haciendo uso de la masa nominal y al mismo tiempo, aportaron nuevos conocimientos para la anfetamina, estimulantes tipo-anfetamina, el principal metabolito del cannabis y opiáceos. En el segundo trabajo, se llevó a cabo un estudio de los TPs de la cocaína y la BE. La cocaína se seleccionó por su alto consumo y las elevadas concentraciones comúnmente encontradas en aguas residuales de entrada. La posible formación de TPs tanto durante los procesos de tratamiento de aguas residuales como por la exposición a elementos naturales del medio ambiente (p.e. la luz solar) debe tenerse en cuenta ya que estos TPs pueden ser más persistentes o presentar una toxicidad similar al compuesto inicial. Se llevaron a cabo varios ensayos de degradación en el laboratorio bajo condiciones controladas. Los datos de masa exacta medida y el conocimiento previo sobre vías de fragmentación de la cocaína y la BE fueron de gran ayuda para la elucidación de diversos TPs. Varios metabolitos/TPs conocidos pudieron ser confirmados y otros compuestos desconocidos pudieron ser provisionalmente identificados, incluso sin disponer de los patrones de referencia. Se encontraron 16 TPs de la cocaína y 10 de la BE. Cuatro TPs, no reportados anteriormente, fueron detectados en muestras de agua residual de salida y en agua superficial. La cuarta parte engloba tres artículos científicos focalizados en la formación de IDs en el medio acuático. Tanto las muestras de agua de España como las de los Países Bajos fueron analizadas mediante las metodologías analíticas cuantitativas desarrolladas en la primera y segunda parte de esta tesis. El objetivo fue el estudio de la presencia de IDs y metabolitos seleccionados, así como su posible eliminación en las WWTPs y su impacto potencial en el medio acuático. Se ha llevado a cabo con un especial énfasis el aseguramiento de la calidad. Los criterios de cuantificación y confirmación fueron aplicados siguiendo las guías europeas, y en cada secuencia de muestras se analizaron muestras de control de calidad (QCs). En el primer trabajo, las IDs se determinaron diariamente en muestras de agua residual, tanto de entrada como de salida, recogidas de tres WWTPs situadas en la provincia de Castellón, España. Se recogieron muestras de 24h en tres periodos semanales, incluyendo una semana en la cual se celebró un festival musical internacional en Benicassim. Bajo circunstancias normales, las concentraciones de IDs fueron bajas y las eficiencias en la eliminación fueron satisfactorias. Sin embargo, durante el festival se observó un notable aumento en las concentraciones. Esto también reflejó mayores niveles de los analitos en las salidas y mayores cargas en el ambiente acuático. En el segundo trabajo, se investigó la presencia de 24 drogas “target” por LTQ Orbitrap MS en muestras de aguas residuales de cinco WWTPs situadas en los Países Bajos, incluyendo el aeropuerto internacional de Amsterdam (Schiphol). Se estimaron las variaciones diarias de cargas de droga y la eficiencia de cada WWTP para la eliminación de las drogas estudiadas de manera individual. Los resultados contribuyeron a una mejor comprensión de la presencia de IDs en las aguas residuales de los Países Bajos, revelando en las muestras del aeropuerto un modelo de comportamiento ligeramente diferente. Las eficiencias de las WWTPs en la eliminación fueron generalmente satisfactorias a excepción de las benodiazepinas y MDMA. En el tercer trabajo, se llevó a cabo un amplio “screening” de 34 IDs y sus metabolitos más relevantes en el ciclo del agua de los Países Bajos enmarcado en un estudio de colaboración con cuatro laboratorios participantes. Se analizaron muestras de agua residual urbana (entrada y salida), agua superficial de los ríos Rhine and Meuse, y agua potable producida de estos ríos. Los resultados sugirieron que importantes fracciones de la carga total de las IDs en los ríos Rhine and Meuse llegan a los Países Bajos del extranjero. Para algunos compuestos, las cargas parecían aumentar aguas abajo, lo cual podría estar causado por la contribución de las salidas neerlandesas de las aguas residuales. En el agua potable, únicamente se detectó BE en una muestra y a un nivel de concentración por debajo del límite de cuantificación. Con los datos obtenidos en este estudio, no se desprende ninguna relevancia toxicológica para el medio ambiente y la salud humana. No obstante, debería recomendarse una investigación futura basada en los posibles efectos a largo plazo (crónicos) en los organismos vivos y los posibles efectos en combinación con la exposición a múltiples compuestos a bajos niveles de concentración. La quinta parte no es, en realidad, un trabajo que pertenezca formalmente a esta tesis doctoral. Se presenta únicamente como un breve resumen ya que merece la pena mencionar por el esfuerzo realizado para establecer una red europea que supervise la presencia de IDs en aguas residuales y estime el consumo de estos compuestos en las ciudades europeas investigadas. El autor de la presente tesis doctoral ha contribuido a esta red participando activamente en los temas analíticos. Las técnicas analíticas avanzadas, comúnmente basadas en acoplamiento cromatografía-espectrometría de masas, son la base para obtener datos de concentraciones exactas en la excreción de los productos de IDs en las aguas residuales. Es un claro ejemplo donde la química analítica moderna juega un papel clave en la obtención de más conocimientos sobre el uso y las tendencias de las drogas ilícitas en la población. En esta parte se incluyen tres artículos de colaboración y un informe, como ejemplos ilustrativos de la colaboración europea mencionada. Estos artículos ponen de relieve las diferencias en el consumo de drogas en distintas zonas de Europa y dan una visión general de los métodos analíticos comúnmente aplicados en este campo, así como las incertidumbres asociadas a estudios epidemiológicos basados en los análisis de aguas residuales.

La introducción de la iniciativa PAT (Process Analytical Technology) por la FDA en 2004 implicó un cambio radical y fundamenta en la gestión de la calidad en la industria farmacéutica., el objetivo del cual es evaluar la calidad en todos los puntos del proceso es decir la calidad del diseño y no únicamente la del producto, que es la estrategia que se ha utilizado históricamente. La espectroscopia molecular, y en especial la espectroscopia NIR ha sido fundamental en el desarrollo de la iniciativa PAT. En una industria que trabaja fundamentalmente con sólidos, la flexibilidad de muestreo de la espectroscopia NIR permite obtener información física y química, cualitativa y cuantitativa, de manera no destructiva y prácticamente en tiempo real. La espectroscopia Raman, que comparte numerosas características con la NIR, se ha introducido en la industria farmacéutica con retraso respecto a ésta y sus aplicaciones, establecimiento de protocolos y límites de actuación están aún en fase de desarrollo. Así, esta técnica ofrece, con características de muestreo aún más flexibles que las del NIR, información complementaria a la del infrarrojo cercano aunque con una complejidad espectral menor y con mayor potencial en algunos aspectos. Actualmente, la industria farmacéutica se encuentra en un momento de cambio, donde progresivamente se están implementando las herramientas analíticas PAT, pero donde el grueso del control de calidad se realiza aún bajo el marco clásico. Así, en este contexto, estas técnicas de espectroscopia molecular juegan un papel de importancia tanto en el análisis de control de calidad clásico (en la cualificación de materias primas o en la cuantificación de principios activos por ejemplo) como en el desarrollo e implementación de la iniciativa PAT. Cuando el API se encuentra a baja concentración (en el entorno del 1% p/p), debido a la limitada sensibilidad de estas técnicas, asegurar la homogeneidad e incluso verificar el contenido final de API con la precisión requerida por las autoridades regulatorias es aún problemático. Dado el carácter variable del tamaño y morfología de las fracciones de comprimidos, la espectroscopia Raman es una excelente técnica para la cuantificación de principio activo en la fracciones de un comprimido. Sin embargo, debe considerarse el riesgo de submuestreo en el caso de concentraciones bajas por las razones anteriormente esgrimidas. Una de las aplicaciones prácticas de la espectroscopia NIR es la cuantificación de agua, uno de los analitos de mayor relevancia en la industria farmacéutica. Así, resulta evidente la valía de la implementación de sondas NIR en proceso para la determinación de agua, que permitiría obtener información en tiempo real de lo que ocurre dentro del proceso farmacéutico. En la sección primera, se comparan las propiedades analíticas de modelos de cuantificación desarrollados con muestras de laboratorio compactadas y pulverizadas para una preparación comercial sólida con dos API a baja concentración. En la sección segunda se utiliza el ajuste de la compactación para el desarrollo de un modelo de cuantificación único para la cuantificación de un principio activo en las cuatro dosificaciones en las que está comercialmente disponible. Las secciones tercera y cuarta tratan de la utilización de la espectroscopia Raman para la cuantificación del principio activo de un preparado disponible en diferentes dosificaciones en comprimidos enteros y en sus potenciales fracciones además de para el estudio de la homogeneidad de contenido. En la quinta y última sección, se utiliza la espectroscopia NIR para la determinación in-line de humedad y de punto final de proceso en un secador de lecho fluido operando en continuo mediante el novedoso protocolo de validación de los intervalos de tolerancia β y se comparan dos sondas NIR utilizadas para este fin. / The introduction of PAT (Process Analytical Technology) initiative by the FDA in 2004 involved a radical and fundamental change in the quality management of the pharmaceutical industry, being the objective is to assess the quality at all steps of the process, the quality of design and not just the quality of the product, which is the approach that has been historically used. The molecular spectroscopy, and particularly the NIR spectroscopy has been a basic tool in the development of the PAT initiative. Within an industry that works primarily with solids, the sampling flexibility of NIR spectroscopyallow to acquire physical and chemical information, both qualitative and quantitative, non-destructively and almost in real time. Raman spectroscopy, which shares many features with NIR spectroscopy, has been introduced in the pharmaceutical industry with a delay with respect of NIR, and its applications, working protocols and its performance boundaries are still under development. Thus, this technique offers even more flexibility than NIR does, providing complementary information to NIR although spectrally less complex and with higher potential in some aspects. Currently are times of change for the pharmaceutical industry, where PAT analytical tools are progressively being implemented, but where the bulk of quality control is still done under the classical framework. Thus, in this context, these molecular spectroscopic techniques play an important role in the classical quality control (in the qualification of raw materials or in the quantification of active ingredients for example) and in the development and implementation of the PAT initiative. When the API is at low concentrations (around 1% w/w), due to the limited sensitivity of these techniques, it is still troublesome to assure the homogeneity or to quantify the API content with the precision required by the regulatory authorities. The necessity of evaluation of content homogeneity has arisen in order to consider a fraction of a tablet a precise dose. In the case of high concentration (> 25% w/w) tablets this is not a problem since the concentration is highly correlated with the weight of the fraction. Thus, the evaluation of the homogeneity of content for a fraction of tablet has become necessary to be considered a precise dose. Given the variable nature of the size and morphology of fractions of tablets, Raman spectroscopy is an excellent technique for the quantification of active ingredient in the fractions of a tablet. However, the risk of subsampling must be considered in the case of low concentration preparations due to the reasons given above. One of the practical applications of NIR spectroscopy is the quantification of water which is one of the most important analytes in the pharmaceutical industry. Thus, it is clear that the implementation of NIR probes in process for determining water is very advantageous, what would provide real-time information of what happens within the pharmaceutical process. In the first section, the quantification analytical properties of calibration models developed with laboratory compacted and powdered samples are compared for API quantification of a solid commercial preparation with two API at low concentration. In the second section, adjustment of compaction pressure of laboratory prepared samples is used to quantify the active ingredient in four doses of a commercially available preparation using a single calibration model. The third and fourth sections discuss the use of Raman spectroscopy for, on one hand, quantify of the active ingredient of a preparation available in different dosages in whole tablets and in their potential fractions and also for the study of the content homogeneity. In the fifth and final section, NIR spectroscopy is used for in-line moisture determination and end point prediction of a continuous-operating fluid bed dryer with calibration models validated through the novel validation protocol of tolerance β intervals and the performance of two NIR probes is compared.

Los estudios que se han realizado en la presente tesis doctoral se basan en el desarrollo de una metodología de síntesis y caracterización de sistemas nanoestructurados como recurso innovador para la recuperación de arsénico en efluentes contaminados y la depuración de dichos efluentes. Estos materiales tienen como elemento común, el uso de las Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPION), con las que se han realizado diferentes estudios de adsorción para evaluar los parámetros de adsorción óptimos (tiempo de contacto, efecto del pH y de la concentración). Dichos estudios han permitido determinar la máxima capacidad de adsorción del SPION a la hora de extraer el elemento contaminante y observar como se ve afectada dicha capacidad de adsorción, en función de la especie existente del elemento contaminante. La elección de SPION se fundamenta en el empleo de la fuerte interacción Fe-As demostrada en muchos compuestos naturales, así como por su capacidad magnética. A partir de éste estudio, se han desarrollado diferentes sistemas adsorbentes en modo no soportados, basados en la funcionalización del SPION (NanoComposites) o bien empleando sistemas soportados, ya sean con esponja de celulosa (Forager® Sponge) impregnada de SPION o los más novedosos, sistemas basados en nanofibras (de acetato de celulosa y poliacrilonitrilo). En este último caso, dichos sistemas son sintetizados vía electrospinning y cargados con SPION con el objetivo de incrementar la superficie específica de adsorción y facilitar su posible aplicación en muestras reales. Todos los sistemas desarrollados disponen de un valor añadido, ya que las propiedades magnéticas del SPION permiten recuperar las nanopartículas que pueden quedar expuestas en las disoluciones contaminadas de una manera rápida y efectiva, evitando así, una contaminación con nanopartículas del efluente tratado. El trabajo realizado, ha permitido optimizar tanto la síntesis de SPION, vía co-precipitación, como el desarrollo y caracterización de los sistemas adsorbentes. Adicionalmente, tras determinar la máxima capacidad de adsorción para cada uno de los sistemas, se ha estudiado la selectividad de dichos sistemas por las especies de arsénico en presencia de iones metálicos (Cu2+, Ni2+ o Zn2+) y/o de los aniones más comunes en aguas (cloruro, nitrato, sulfato y fosfato). En lo referente a los estudios de especiación, se han aplicado técnicas de especiación directa (técnicas de radiación sincrotrón) e indirecta (acoplamiento HPLC-ICP-MS) para determinar la selectividad de los materiales frente a las diferentes especies inorgánicas de arsénico (arsenito o arsenato), obteniéndose resultados satisfactorios que denotan una elevada selectividad por As(V). Por otra parte, se han evaluado las características y propiedades de los diferentes sistemas adsorbentes. Dicha actividad ha comportado el empleo de diversas técnicas analíticas, desde la microscopia (SEM y TEM) que permiten conocer el tamaño, distribución y morfología de las nanopartículas y nanofibras, hasta técnicas que proporcionan información sobre las características estructurales y propiedades físico-químicas de los materiales. Así pues, los estudios llevados a cabo para la realización de esta tesis doctoral proporcionan un significativo avance en el desarrollo de una serie de potenciales sistemas adsorbentes, los cuales pueden ser aplicados para la eliminación de contaminantes altamente tóxicos como el arsénico en muestras reales. Dicha aplicación, se caracteriza por unos valores de eficiencia, eficacia y selectividad comparables, cuando no superiores a materiales existentes en el mercado. Un ejemplo de la transferencia tecnológica derivada de esta tesis doctoral, es la patente solicitada “Filtro de tratamiento de líquidos con nanopartículas de magnetita y procedimientos correspondientes”. Ref: P201330144 y con fecha de prioridad del 6 de Febrero de 2013. / The studies that have been carried out in the present PhD thesis Project are based in the development of a synthesis methodology and characterization of nanostructured systems as an innovative facility for the recovery of arsenic from contaminated effluents and the purification of these effluents. These adsorbent materials have a base element, Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPION). With this nanoparticles have carried out arsenic adsorption experiments to evaluate the optimum adsorption parameters (contact time, pH effect and concentration effect). These studies have made it possible to determine the maximum adsorption capacity of SPION when the contaminant element is extracted, observe how is affected this adsorption capacity depending of the contaminant element existing specie. It is expected to use the high affinity and string interaction between Fe-As as it is proved in several natural compounds. Then, taking into account the previous work with SPION, different adsorbent systems have been developed, non-supported nanostructured systems by SPION surface functionalization (NanoComposites) or supported nanostructured systems as SPION loaded over a cellulose sponge (Forager® Sponge) and the most innovative, SPION loaded electrospun nanofibrous systems (with polymers such as cellulose acetate and polyacrylonitrile). In this last case, these systems have been synthesized by electrospinning techniques with the main aim of increase the specific surface area and to make easier the real sample applications. These nanostructured systems have an added value because of the SPION magnetic properties let recover the nanoparticles that are exposed in the contaminates solutions in a quick and effective way, avoiding then, an unwanted contamination with nanoparticles of the treated effluent. The developed work have made possible the SPION Synthesis by co-precipitation method was optimized and the development and characterization of the nanostructured adsorbent systems were performed successfully. Thus, apart from the maximum adsorption capacity determination for each system, arsenic selectivity of this systems was performed in presence of metal ions (Cu2+, Ni2+ o Zn2+) and/or in presence of most common interfering anions in water (chloride, nitrate, sulphate and phosphate). Regarding the speciation studies, direct (Synchrotron radiation techniques) and indirect (Hyphenated HPLC-ICP-MS) speciation techniques were put in practice to determine the selectivity of each system for the different inorganic arsenic species, arsenite or arsenate, obtaining successfully results of the arsenate selectivity for all systems. Furthermore, the characteristics and the properties of the adsorbent systems have been evaluated. Several techniques have been used, from microscopic techniques (SEM y TEM) that let measure and understand the size, distribution and morphology of nanoparticles and nanofibers, to other techniques as X-ray diffraction (XRD) or magnetization measures (SQUID) that provide information about structural characteristics and physico-chemical properties. All in all, this work provides knowledge, demonstrated advances and different nanostructured adsorbent systems that can be potentially applied to remove highly toxic contaminants such as arsenic. An example of the appropriate technologic transference derived from the PhD. Thesis is the Spanish Patent “Filtro de tratamiento de líquidos con nanopartículas de magnetita y procedimientos correspondientes”. Ref: P201330144 with priority date on Febrery 6th, 2013.

Several methods have been used for the characterisation of minerals in powders and in rocks. Particular emphasis has been directed towards the use of chemical probes to elucidate the surface mineralogy in order to provide detection profiles suitable for both qualitative and quantitative chemometric analysis. The first probe evaluated was cyclohexylamine (CHA). Ni[2+]- and Al[2+]-exchanged montmorillonite (SWy-2 -Wyoming, USA), were exposed to cyclohexylamine vapour (CHA). The samples were characterised by X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA) and evolved gas analysis (EGA), which included TGA, real time gas phase FTIR (RT-GP-FTIR), real time mass spectrometry (RT-MS) and organic trap module-gas chromatography-mass spectrometry (OTM-GC-MS). CHA decomposed along different routes via interrelated mechanisms that were cation dependent. Over Al[3+]-SWy-2 hydrodenitrogenation via the Hofmann degradation was the predominant route whereas ring dehydrogenation to aniline either directly from CHA or possibly via cyclohexylimine was significant over Ni[2+]-SWy-2. Very little unmodified cyclohexylamine was detected in the evolved gases which means that the desorption of CHA cannot be used as a quantitative measure of the acidity of cation-exchanged clays. Nonetheless, as a qualitative probe, CHA has the potential to distinguish the difference between Ni[2+] and Al[3+]-SWy-2.The second probe evaluated was 3-cyanopyridine (3CYP). TGA has shown that temperature programmed desorption (TPD) of 3CYP is capable of distinguishing between the Ni[2+]- and Al[3+] exchanged forms of SWy-2. 3CYP was found to be unsuitable for a variety of reasons highlighted by its ability to condense within the EGA system and the long incubation times necessary to produce detectable thermal events. The most suitable probe used so far is Dimethylformamide (DMF), being able to intercalate quickly and showing no evidence of modification. Principal component analysis (PCA) and partial least squares (PLS) modelling techniques were applied to the EGA DMF detection profiles of four clay mineral groups. Each group was successfully characterised and provided valuable information about intra and inter group relationships. The use of RT-MS detection profiles for ions m/z =18 and 73 (DMF parent ion) were shown to have the most potential for more sensitive quantitative applications. Application of quantitative PLS modelling to mixed mineral standards has shown that it is possible to estimate the clay mineral constituents in both powders and rocks. The use of the ion m/z = 73 provided an R[2] value of 0.98. Use of ion m/z =18 (H[2]O) has perhaps shown most potential, due to its ability to produce training sets with excellent correlation coefficients of 0.95 for SWy-2, 0.97 for KGa-2 and 0.95 for CCa-1. However, because SWy-2 and 1-Mt (illite) demonstrate overlapping detection of DMF (where uptake of DMF by 1-Mt is comparatively small), it is impossible to directly separate their relative contributions at the concentration levels under study. The use of mass spectrometry has shown that it is possible to detect to levels of 1% with considerable scope for detecting smaller levels. Environmental scanning electron microscope (ESEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDX) of cation exchanged SWy-2 and a sandstone rock exposed to 2-bromopyridine (2BPY) have shown the potential of using the bromine functional group as a tag to locate the presence of swelling minerals in rocks by EDX.

Liquid Chromatography/ Mass Spectrometry (LC/MS) is used to interface the separating power of LC with the sensitivity and specificity of MS for the determination of trace levels of organic compounds in a variety of matrices. The technique is finding increasing application in the field of environmental and pharmaceutical analysis. Particle Beam LC/MS (PB/LC/MS) uses a particle beam interface to connect the LC to the MS. This interface design has the advantage of being able to produce "classical" electron impact (El) spectra which can then be searched against commercial MS libraries. The aim of this work was to apply PB/LC/MS to a range of new problems in environmental analysis and evaluate the usefulness of this technique. PB/LC/MS was used to determine compounds that cannot easily be analysed by more conventional techniques such as gas chromatography with mass spectrometry (GC/MS) or liquid chromatography with UV/vis detection (LC/UV). For example, some polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are too involatile to analyse by GC/MS, some commonly prepared isocyanate derivatives cannot be accurately identified by LC/UV and some classes of pesticides are thermally labile and so cannot be determined by GC/MS.The work presented in this thesis examines the factors affecting the sensitivity and performance of PB/LC/MS and comparisons are made with other analytical methods. Compound classes examined are polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), pesticides and isocyanate derivatives in a variety of environmental matrices. Methods for improving the sensitivity of PB/LC/MS are investigated and the results of these experiments used to compare the different models are used to explain PB/MS behaviour. Conclusions regarding the accuracy of these models are then made. The ability of PB/MS to provide useful El MS for identification purposes in complex environmental matrices is also investigated.