Carbon electrodes have found widespread use in electrochemistry due to its broad versatility and low cost amongst other advantages. Recent innovations in carbon materials have added new dimensions to their utility in electrochemical applications. This thesis aims to investigate aspects of carbon materials, in particular boron-doped diamond (BDD) and nanocarbon composites, mainly for electrochemical analysis and energetics studies. The electrochemical behaviour of estradiol and other endocrine disrupting compounds was examined on the BDD electrode with different surface pretreatments, as well as on a nanocarbon-modified BDD electrode. It was shown that the precise control of surface chemical termination enabled the electrode to be tuned to exhibit diffusional or adsorptive voltammetry at oxidised and hydrogenated BDD interfaces respectively. Adsorption effects were also observed on the modified electrode leading to significant pre-concentration of the analyte onto the nanocarbon and a corresponding lowering of the limit of detection by ca three orders of magnitude to nanomolar levels. Surface modification of the BDD electrodes was then explored using a simple and convenient dropcast technique to deposit microcrystalline copper phthalocyanine onto the electrode. The influence of the surface chemical termination towards the interaction with the modifier compound was demonstrated in relation to the oxygen reduction reaction. Hydrogen terminated BDD modified in such a manner was able to significantly decrease the overpotential for the cathodic reaction by ca 500 mV when compared to the unmodified electrode while modified oxidised BDD showed no such electrocatalysis, signifying greater interaction of the phthalocyanine modifier with the hydrogenated surface. The lack of a further conversion of the peroxide product was attributed to its rapid diffusion away from the triple phase boundary (comprising the phthalocyanine microcrystallite, aqueous solution and BDD electrode) at which the reaction is expected to exclusively occur. Next carbon composites were studied in the form of carbon paste electrodes (CPEs). The practicality of a nanocarbon paste was established by cyclic voltammetry with several well-characterised redox systems commonly used to test electrode activity and was found to exhibit comparable behaviour to the more typical graphitic formulation. Reversible uptake of some analytes was observed at the CPEs, giving rise to complex double peak voltammetry. This uptake phenomenon was then further examined at the nanocarbon paste electrode to monitor the transfer of species between two dissimilar liquid phases. The interfacial behaviour gave rise to voltammetric peaks which were assigned to species originating from the aqueous, binder and carbon phases respectively and this enabled the measurement of Gibbs energies of transfer between oil and aqueous phases. Finally the effect of different ionic liquids as binder for carbon-ionic liquid composite electrodes was studied. Some ionic liquids were demonstrated to offer benefits in comparison to oil in the fabrication of carbon paste type electrode due to an increased adsorption of analytes. The ionic “liquid” (with a melting point above room temperature) <i>n</i>-octyl-pyridinium hexafluorophosphate [C₈py][PF₆] was shown to be useful in combination with carbon nanotubes as a composite electrode or as a modifier to a screen-printed electrode to significantly enhance the sensitivity of electrochemical detection via adsorptive stripping voltammetry. Overall the carbon-based electrodes studied have demonstrated excellent utility as electrode materials in the areas of electrochemical sensing and energetics investigations.

Tritium labelled compounds are widely used in the physical and life sciences. The preparation of such compounds is a very important area of chemistry. Although the methods are, on the whole, fairly simple and straightforward, there is still a need for improvement. The same applies as far as the analysis of the tritium distribution is concerned. High resolution 3H NMR spectroscopy of solutions is now a well established technique. However many compounds exist as solids which are either insoluble or sparingly soluble in organic solvents, consequently there is a need to develop high resolution 3H NMR spectroscopy of solids. The thesis therefore consists of four chapters. The first is a review dealing with the properties of tritium, the various labelling methods and tritium nuclear magnetic resonance spectroscopy. In the second chapter an account is given of the way in which complex metal tritides and tritiated methyl iodide, an important reagent which enables one to introduce three tritium atoms in a single step and therefore obtain products of very high specific activity, are prepared. In the third chapter an account is given of the synthesis and attempted tritiation of two potential 5-HT re-uptake inhibitors, prior to their use in biological studies. Whilst the synthesis of the two compounds N-[[[l-[(l-bromo-2-naphthalenyl)methyl]-4-piperidinyl]amino]carbonyl]-3-pyridinecarboxamide, and N-[[[l-[(l-bromo-6-fluoro-2-naphthalenyl)methyl] -4-piperidinyl]amino]carbonyl]-3-pyridinecarboxamide, was successful the tritiation procedure led to unforseen difficulties. Finally in the fourth chapter solid state tritium NMR spectroscopy, using a magic angle accessory, was developed and used in the analysis of several tritiated compounds.

The increase in environmental levels of platinum can in part be attributed to the introduction of motor vehicle catalytic converters. Quadrupole inductively coupled plasma mass spectrometry (Q-ICP-MS) has been evaluated as a analytical tool for the determination of platinum in environmental samples, such as vegetation, roadside dust, soil and sediment. Instrumental parameters were studied and a forward power of 1.4 kW and nebuliser flow rate of 0.95 1 min-1 were shown to give the optimum signal response for the 195Pt+ isotope. A detection limit of 0.12 ng ml-1 was achieved. Iridium was shown to be the most suitable choice for use as an internal standard with the 191Ir+ isotope being monitored. Various digestion methods were studied with aqua regia / hydrofluoric acid open vessel digestion being found to give good recovery for 2 certified reference materials, NIST 2556 (Used Autocatalyst, Pellets) and 2557 Used Autocatalyst, Monolith) with concentrations of 681 (38) mug g-1 and 1085 (32) mug g-1 respectively [certified values 697.4 (2.3) mug g-1 and 1131 (11) mug g-1]. Attention has been given to the problem of spectroscopic interference on 195Pt+ from hafnium oxide. Various correction methods were evaluated with a modification proposed to a previous method of mathematical correction being found to provide the best correction for the 179Hf16O+. An 'in-house' reference sample was prepared from a used catalytic converter and its platinum content of 3563 (176) ng g-1 established through inter-laboratory and inter-method procedures. Common rye grass (Lolium perenne) was shown to uptake platinum from both solid and liquid platinum-containing matrices. The methods developed were applied to a study of roadside dust samples taken from a busy section of the London M25 orbital motorway. The measured platinum levels of up to 194 ng g-1 agree with published literature from other European countries and represent a useful contribution to the knowledge concerning roadside platinum in the UK.

The use of mass spectrometry for the analysis of petrochemical products and crude oils enables the generation of detailed molecular data essential for chemical characterisation and product development. However, the need for multistage sample preparation techniques can be time consuming and may result in the loss of information. Ambient ionisation in combination with mass spectrometry enables the direct analysis of compounds present on a surface with minimal or no sample preparation. The work presented in this thesis evaluates the application of mass spectrometry (MS) hyphenated with ambient ionisation and ion mobility for the analysis of chemical additives used in lubricant and petrochemical products and also crude oil. A technique called desorption electrospray ionisation (DESI) pioneered the ambient ionisation field. An in-house designed and constructed DESI source has been developed to enable hyphenation of DESI with MS and ion-mobility mass spectrometry (IM-MS) for the interrogation of chemical additives used in lubricant and petrochemical oils directly from multiple surface substrates. The approach has been successfully applied to the analysis of a range of chemical additives as standards and when present in a lubricating oil matrix. Data has also shown that DESI-MS can be used to map additive deposition on a surface. The quantitative capabilities of DESI-MS have been assessed using a lubricant antioxidant additive present in a lubricant oil matrix and deposited on a surface. The DESI-MS method showed good linearity with a limit of detection (LOD) for the antioxidant additive below that used in typical commercial formulations. The use of a suitable internal standard in the DESI-MS analysis has been shown to significantly improve the repeatability of the approach. Hyphenation of DESI with post ionisation separation methods, such as high field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS), can improve mass spectral response for targeted analytes through selective transmission. The analysis of a series of corrosion inhibitor additives in a base oil matrix has been carried out using electrospray (ESI) and DESI hyphenated with FAIMS-MS. FAIMS selection of target ions improved the sensitivity of ESI and DESI through enhanced analyte transmission and a reduction in the chemical noise resulting from the oil matrix. DESI-FAIMS-MS was shown to improve target analyte response compared to DESI-MS alone using the corrosion inhibitors as model compounds, showing how the combined technique can be used for the rapid analysis of analytes directly from surfaces with no sample preparation or pre concentration. Direct analysis in real time (DART) is an alternative ambient ionisation approach to DESI. The use of DART-MS for the direct analysis of lubricant and oil additives has been evaluated. All selected additives were successfully detected by DART-MS as standards and in an oil matrix. The surface material, DART helium gas temperature and the presence of an oil matrix were all shown to effect the desorption and ionisation of target analytes. The quantitative capabilities of DART-MS were assessed using the antioxidant additive in a lubricant oil matrix and in the presence of an internal standard. The technique showed good linearity and repeatability. The untargeted analysis of chemical additives present in a fully formulated lubricant oil has been carried out by DESI and DART ionisation techniques. The effect of DESI electrospray solvent and DART helium temperature were both shown to impact the observed mass spectral response for the sample. The analysis of crude oil is particularly problematic due to the high complexity of the sample. A crude oil sample has been analysed using ESI combined with high resolution MS, ESI-FAIMS-MS and DESI-MS. High resolution mass spectrometry enabled the identification of molecular ions that could be characterised using specialist software. The use of FAIMS resulted in shift in the observed chemical profile for the crude oil sample showing selective transmission of molecular species based upon the differential mobility of ions rather than factors such as polarity or solubility that are typically used for sample fractionation. Molecular species from within the crude oil sample were successfully desorbed and ionised by DESI-MS using a DESI solvent composition of 6:4 toluene:methanol.

The work presented herein covers a broad range of research topics and so, in the interest of clarity, has been presented in a portfolio format. Accordingly, each chapter consists of its own introductory material prior to presentation of the key results garnered, this is then proceeded by a short discussion on their significance. In the first chapter, a methodology to facilitate the resolution and qualitative assessment of very large inorganic polyoxometalates was designed and implemented employing ion-mobility mass spectrometry. Furthermore, the potential of this technique for ‘mapping’ the conformational space occupied by this class of materials was demonstrated. These claims are then substantiated by the development of a tuneable, polyoxometalate-based calibration protocol that provided the necessary platform for quantitative assessments of similarly large, but unknown, polyoxometalate species. In addition, whilst addressing a major limitation of travelling wave ion mobility, this result also highlighted the potential of this technique for solution-phase cluster discovery. The second chapter reports on the application of a biophotovoltaic electrochemical cell for characterising the electrogenic activity inherent to a number of mutant Synechocystis strains. The intention was to determine the key components in the photosynthetic electron transport chain responsible for extracellular electron transfer. This would help to address the significant lack of mechanistic understanding in this field. Finally, in the third chapter, the design and fabrication of a low-cost, highly modular, continuous cell culture system is presented. To demonstrate the advantages and suitability of this platform for experimental evolution investigations, an exploration into the photophysiological response to gradual iron limitation, in both the ancestral wild type and a randomly generated mutant library population, was undertaken. Furthermore, coupling random mutagenesis to continuous culture in this way is shown to constitute a novel source of genetic variation that is open to further investigation.

Metal dication-ligand sandwich complexes have attracted intense attention recently for their widely use in catalysis, biochemistry and material science. The experimental techniques developed by our group have allowed forming, confining, cooling and investigating a wide range of metal dication complexes in the gas phase. In this thesis, the ultraviolet photofragmentation studies of Pb(II), Cu(II) and Ca(II) sandwich complexes with aromatic ligands are performed using a hybrid quadrupole ion trap instrument, followed by DFT/TDDFT calculations. The experimental results indicate that the complexes are capable of yielding structured, sometimes conformation resolved, UV spectra. The spectra of metal dication-benzene complexes exhibit features in the wavelength range 220-270 nm and a big raise as the wavelength decreases. The lead dication-bis(toluene) complex spectrum shows some well-resolved features arising from different conformers. The theory suggests that all of these complexes have excitations including significant contributions from the metal-based orbital. The adiabatic TDDFT methodology is able to give reasonable agreement between the calculated excitations and the experimental spectra for the close-shell complexes. But for some open-shell complexes, the calculated excitations are spin contaminated, which need to be discarded or corrected in the future. The degree of spin contamination for selected excitations is qualified by calculating the < S2 > values. For lead and calcium open-shell complexes, most of the excitations that can match the experimental features can be trusted. However, for the copper open-shell complex, only three states are ~90% doublet in their character which are responsible for some excitations that can match the spectra. Challenges such as developing the theory to describe the open-shell system and refining the experimental techniques to improve the resolution of the spectra, still remain.

El objetivo general de la presente tesis fue la evaluación de la adición de enmiendas de origen orgánico para la inmovilización de metales pesados en suelos contaminados. Se caracterizaron ocho materiales: un compost generado a partir de residuos orgánicos municipales (MOW), un compost de origen doméstico (DOM), un material compostado producido con residuos sólidos urbanos (MSW), un material compuesto por residuos vegetales (GW), dos materiales derivados de la industria del aceite de oliva (OWH y OP) y dos biochars (BF y BS). Se determinaron propiedades relevantes para la disponibilidad de los metales pesados en suelos, como el pH, capacidad de neutralización ácida (ANC), contenido de materia orgánica en la fase sólida y en solución, etc. Además del análisis estructural (FTIR y 13C-NMR), se evaluó su capacidad de sorción de metales pesados (Cd, Cu, Ni, Pb y Zn), mediante la determinación del coeficiente de distribución sólido-líquido (Kd) a concentraciones crecientes de metal, y posterior ajuste de las isotermas de sorción a modelos de Freundlich y lineal. A partir de los resultados en cuanto a ANC, pH y capacidad de sorción, se seleccionaron MOW, GW, BF y BS como los materiales más idóneos para la inmovilización de metales pesados en suelos contaminados. Se evaluó la viabilidad del modelo NICA-Donnan para predecir las isotermas de sorción de algunos materiales orgánicos y de un suelo orgánico. Utilizando los parámetros de sorción genéricos, se observó que las isotermas de sorción predichas por el modelo para los materiales discreparon de los datos experimentales, con alguna excepción para el caso de Cu. Esta discrepancia fue atribuida a la baja concentración y al bajo grado de estabilización de las sustancias húmicas presentes los materiales. En cambio, las isotermas predichas para el suelo orgánico coincidieron con los datos experimentales, especialmente para Cd, Cu y Zn. El proceso de optimización para el suelo orgánico permitió obtener isotermas que se ajustaron de forma excelente con los datos experimentales y demostró que algunos parámetros variaron hasta dos órdenes de magnitud respecto a los valores genéricos iniciales. Los cuatro materiales seleccionados en la primera fase de la tesis fueron utilizados para enmendar cinco suelos contaminados de características contrastantes en cuanto a pH, ANC, carbono orgánico disuelto (DOC) y contenido total y extraíble de los metales. Se realizaron ensayos de lixiviación de metales en un amplio intervalo de pH. En paralelo, las mezclas también fueron caracterizadas en cuanto a pH, ANC y DOC. Las reducciones más importantes de metal extraíble se observaron en aquellos suelos con menor pH y ANC inicial, enmendados con materiales de elevada ANC y pH. En algunos casos, se observó el posible rol adicional del aumento de la capacidad de sorción sobre la disminución de la lixiviación producto de la adición de enmiendas. Finalmente, se evaluó la estabilidad de las enmiendas una vez adicionadas a los suelos contaminados. Se prepararon mezclas con tres suelos contaminados y tres enmiendas. Las muestras se sometieron a ciclos de secado y mojado sucesivos para acelerar el envejecimiento. Durante el tiempo de envejecimiento se determinaron las propiedades fisicoquímicas relevantes de las muestras, tales como pH, ANC, DOC y capacidad de sorción. El proceso de envejecimiento no comportó cambios significativos en ninguna de las propiedades clave de la interacción suelo/enmienda-metal. El mayor efecto en la inmovilización de metales se produjo inmediatamente después de la adición de las enmiendas y se mantuvo hasta el final de experimento. De este modo, el efecto de las enmiendas sobre las propiedades fisicoquímicas y la lixiviación de metales en los suelos fue persistente en el tiempo. / The aim of this work was the evaluation of the addition of organic wastes and biochars for the immobilisation of heavy metals in contaminated soils. Eight materials were tested: a compost derived from organic waste (MOW), a compost derived from food leftovers (DOM), a compost derived from municipal solid waste (MSW), a green waste material (GW), two biochars (BF and BS) and two by-products from the olive oil industry (OP and OWH). Key physicochemical properties for the immobilisation of heavy metals were evaluated, such as pH, ANC, TOC and DOC. The sorption capacity of metals (Cd, Cu, Ni, Pb and Zn) was evaluated by means of the determination of the solid-liquid distribution coefficient (Kd). The obtained isotherms were fitted to Freundlich and linear models. From pH, ANC and sorption capacity results, MOW, GW, BF and BS were selected as the best materials for the immobilisation of heavy metals in contaminated soils. The viability of NICA-Donnan model for the prediction of sorption isotherms for some of the tested materials and an organic soil was evaluated. Sorption isotherms calculated from the generic parameter set of the model were in disagreement with respect to materials. This disagreement was related to the low organic matter content and low stabilization of organic matter in the materials. On the other hand, predicted isotherms for the organic soil were in agreement with experimental data, especially for Cd, Cu and Zn. Parameter optimisation for the organic soil resulted in sorption isotherms that accurately fitted to experiment, with some parameters that differed up to two orders of magnitude from generic parameters. Four materials were employed to amend five contaminated soils with differing physicochemical properties in terms of pH, ANC, DOC, total and water soluble metal content. Leaching experiments were performed on the mixtures in a broad pH range. Samples were also characterized with respect to pH, ANC and DOC. Most important reductions in metal leaching were observed in soils with low pH and ANC amended with materials with high pH and ANC. In some cases, the effect of sorption capacity on the reduction of metal leaching was also observed. Finally, the stability of amendments was evaluated in soil+amendment mixtures by means of drying-wetting cycles to accelerate aging. Relevant physicochemical properties remained constant until the end of the experiment. The largest effect on metal immobilization was observed immediately after amendment addition, while the effect of aging was minor. In this way, tested amendments have proven to be stable during aging period.

Un dels avantatges més importants de la cromatografia de líquids d'alta resolució (HPLC) és la seva capacitat de separar diferents substàncies d'una barreja degut a les interaccions que els diferents compostos tenen tant amb la fase estacionària com amb la fase mòbil. Així doncs, entendre la retenció cromatogràfica és un aspecte força interessant ja que, si es coneix com els diferents anàlits es comporten durant el procés d'elució, es poden desenvolupar models que permetin predir la retenció dels anàlits i facilitar així el disseny de mètodes de separació. Addicionalment, per obtenir separacions completes entre anàlits, cal que els pics cromatogràfics no es solapin, per la qual cosa convé que siguin el més estrets possible. Per aquest motiu, comprendre les causes que provoquen l'eixamplament de pic i tractar de minimitzar el seu efecte és també un tema de gran interès a l'hora de realitzar separacions cromatogràfiques. Precisament aquests dos camps, el d'analitzar els factors que contribueixen a l'eixamplament de pic i el de la predicció de la retenció cromatogràfica, són dos dels temes que es tracten en aquesta tesi. La columna cromatogràfica és l'element que majoritàriament causa que els pics siguin més o menys amples, per la qual cosa caracteritzar la columna i la seva fase estacionària resulta clau per tal d'entendre l'eixamplament de pic. La manera més habitual d'avaluar la qualitat d'una columna és a partir de la coneguda equació de van Deemter i, en el cas d'aquesta tesi, una caracterització més detallada s'ha dut a terme estimant la contribució que cadascun dels seus termes (dispersió d'eddy, difusió i resistència a la transferència de massa) té en l'amplada de pic final. Com a resultat d'aquest estudi, s'ha desenvolupat un full Excel en què aquest procés de caracterització es du a terme de manera sistemàtica. Quant a l'estudi de la predicció de la retenció, és la fase mòbil la que juga un paper important. La retenció cromatogràfica dels anàlits depèn tant de la fase estacionària com de la fase mòbil, però la facilitat amb la qual es pot modificar aquesta última és la que la fa ser clau en aquest estudi de la retenció. En aquest sentit, la dependència de la retenció d'un anàlit amb la composició de la fase mòbil fa que establir una relació fiable entre aquests paràmetres sigui necessari per tal que els models de predicció que en depenguin siguin acurats, fet que és especialment complicat en mode gradient ja que aquest és un mode d'elució en el que la composició de la fase mòbil varia durant el procés. Addicionalment, per a anàlits ionitzables, paràmetres fisicoquímics com el pH de la fase mòbil o el pKa del propi anàlit també depenen de la composició de la fase mòbil, fet que fa que predir la retenció d’aquest tipus d’anàlits sigui encara més complicat. En aquest treball es proposa un model que depèn de dos paràmetres, model que s’ha validat per a una gran varietat de condicions experimentals com ara diferents gradients, diversos valors de pH de la fase mòbil i diferents modificadors orgànics. Addicionalment, en aquesta tesi també es proposa una optimització al mètode clàssic de shake-flask per determinar la lipofilicitat de substàncies. Les millores, encarades a satisfer les noves necessitats de la indústria farmacèutica, consisteixen en fer-lo apte per a un interval ampli de lipofilicitat (des de -2 fins a 4.5) i utilitzant una petita quantitat de mostra. D’acord amb aquesta optimització, també es van proposar diferents particions (relacions de volum entre ambdues fases) i es van desenvolupar diversos procediments experimentals capaços de dur a terme les mesures. Els resultats obtinguts van ser força satisfactoris tant a nivell d’exactitud com de precisió. / The main purpose of this PhD thesis is the thorough study of the chromatographic retention in RP-HPLC. In order to achieve this goal, the contributions to chromatographic retention from both the stationary and the mobile phase have been studied, as well as some of the most relevant physicochemical parameters involved in the elution process. To study the stationary phase, a detailed characterization of chromatographic columns, based on the van Deemter equation, has been performed. In it, the different terms in this equation (eddy dispersion, diffusion and mass transfer) have been assessed individually and their contribution to HPLC band broadening has been evaluated. In this sense this thesis provides an Excel spreadsheet that works as a tool able to characterize stationary phases in a systematic and efficient way. In order to address the chromatographic retention itself several prediction models have been proposed, models that are able to successfully predict the retention in gradient mode of ionizable analytes, both acids and bases. The models have been tested using a selected set of compounds, which includes some drugs with complex structures, under a large variety of experimental conditions such as different mobile phase pH values, different gradient patterns and two different organic modifiers. As an important part to the development of these predicting models, the dependence of several physicochemical parameters (such as the mobile phase pH or the analyte pKa) with the composition of the mobile phase (fraction of organic modifier) has been thoroughly studied. Additionally, this thesis also proposes an optimization to the well-known shake flask method, the reference method for the determination of drug lipophilicity (both log P and log D parameters). The two key improvements of the suggested optimization are using a low amount of drug and increasing the lipophilicity range where the shake-flask method could be applied, aspects that make the method more suitable for the new needs of the pharmaceutical industry, since companies synthesize their drug candidates, which may have a large variety of lipophilicity values, in low quantities.

El modelo de agricultura actual requiere del uso de plaguicidas para mantener la producción a los niveles exigidos por una población mundial que está en continuo aumento. A pesar de sus numerosos detractores, el uso de plaguicidas es muchas veces inevitable, por lo que es habitual encontrar residuos de estos compuestos en productos vegetales y en el medio ambiente. El establecimiento de Límites Máximos de Residuos (MRLs) es uno de los aspectos más importantes en el proceso de autorización de productos fitosanitarios. Para vigilar el cumplimiento de MRLs en alimentos, es necesario implantar rigurosos programas de control, principalmente en productos vegetales. Para ello, se debe disponer de metodologías analíticas avanzadas, apropiadamente validadas, que sean capaces de detectar, identificar y cuantificar todo tipo de plaguicidas a niveles de concentración del orden de (sub)mg/kg. Los métodos analíticos deben incluir también metabolitos relevantes cuando están contemplados en la definición de residuo. Los acoplamientos cromatografía (tanto de gases como de líquidos)/espectrometría de masas son absolutamente fundamentales para este fin. Los MRLs surgen como una exigencia de la sociedad actual, y son de obligado cumplimiento. Pero muchas veces suponen una verdadera traba comercial, sobretodo en el mercado internacional, pues la superación de un MRL hace que el producto exportado no pueda comercializarse, debiendo ser destruido o devuelto a su país de origen. Por ello, es importante que todos los productos vegetales cuenten con los estudios requeridos para el establecimiento de MRLs, los cuales deben realizarse bajo los principios de las Buenas Prácticas de Laboratorio (BPL). En ausencia de dichos estudios, se suele establecer un MRL por defecto, correspondiente al límite de cuantificación (LOQ) del método analítico propuesto por el fabricante. En la práctica, esto implica que, si el plaguicida se aplica sobre el cultivo en cuestión, será muy probable que queden residuos y que se supere el MRL. Esta situación afecta a muchas frutas tropicales de Latinoamérica para las que los MRLs se han estimado por extrapolación a partir de frutas semejantes o bien se han fijado por defecto en el LOQ del método. La ausencia de metodologías analíticas para frutas tropicales es un hándicap importante, tanto para el establecimiento de MRLs como para el control de residuos en productos de consumo doméstico, y también en los destinados a la exportación. En esta Tesis Doctoral se ha desarrollado metodología analítica avanzada para frutas tropicales de elevado consumo en Colombia y de alto interés en sus exportaciones. Además de los métodos desarrollados para frutas tropicales, se ha trabajado también en la determinación de plaguicidas en suelos latinoamericanos. Una parte importante de la Tesis se ha centrado en la problemática analítica del glifosato, el herbicida más utilizado del mundo, cuyas dificultades analíticas son bien conocidas. La técnica usada en todos los trabajos ha sido cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS) con analizador de triple cuadrupolo, considerada técnica de referencia en la actualidad para la determinación de plaguicidas y metabolitos/productos de transformación, la mayoría de los cuales son de polaridad media-alta y baja volatilidad, adecuados, por tanto, para ser abordados por esta técnica. Después de una Introducción General (Capítulo 1), en la que se discuten diversos aspectos de interés sobre el tema tratado en la Tesis, el trabajo experimental se ha organizado en tres partes bien diferenciadas. En la primera parte (Capítulo 2), se desarrolla metodología multirresidual para la determinación de plaguicidas en frutas tropicales y en suelos de Latinoamérica. Los dos primeros trabajos corresponden al desarrollo y validación de métodos multirresiduo para frutas exóticas provenientes de Colombia, que son de vital importancia para el país pues gran parte de sus exportaciones agrícolas están centradas en este tipo de productos. De acuerdo con la bibliografía, la mayoría de frutas tropicales estudiadas no disponían de métodos publicados para residuos de plaguicidas. En esta Tesis se pretende que los métodos sean sencillos y rápidos, con la menor manipulación de muestra posible, con el objeto de minimizar errores analíticos, y poderlos transferir fácilmente a laboratorios de Latinoamérica. En el primer método (artículo científico 1) se escogió una extracción con acetonitrilo, usando trituración/homogeneización con Ultraturrax. El LOQ objetivo (nivel más bajo validado con muestras fortificadas sometidas al proceso analítico completo) fue 0.05 mg/kg. El método se desarrolló para 29 plaguicidas en siete frutas tropicales (uchuva, maracuyá, pitahaya, tamarillo, gulupa, papaya y granadilla). En el segundo método (artículo científico 2), se amplió el número de matrices tropicales hasta doce, añadiendo cinco más de frecuente consumo en Colombia (lulo, carambolo, feijoa, mangostán y guayaba). El número de compuestos estudiados se redujo a 20, considerando los más detectados en el primer estudio y también metabolitos incluidos en la definición de residuo. Para la extracción se aplicó el procedimiento QuEChERS, en su versión Europea (CEN 2009), basada en el uso de tampón citrato. El objetivo fue rebajar el LOQ hasta 0.01 mg/kg, que es el valor más bajo incluido normalmente en los MRLs. En ambos trabajos, se prestó especial atención al estudio del efecto matriz y a posibles estrategias para una corrección sencilla y de fácil aplicación en laboratorios de rutina. Se propusieron dos procedimientos para su corrección: 1) calibrado en matriz, agrupando varias tipos de muestras y escogiendo una de ellas como matriz representativa para la preparación de la curva de calibrado (gulupa, pitahaya y tamarillo se analizaron usando calibrado en matriz de gulupa; maracuyá, papaya y granadilla, usando calibrado de maracuyá; y uchuva, usando su propio calibrado en matriz); 2) calibrado en solvente, aplicando factores de corrección para cada combinación analito/matriz, basados en las diferencias de pendientes entre calibrado en matriz y calibrado en solvente. En ambos métodos, se procedió a la validación a los niveles de LOQ y 10xLOQ con resultados satisfactorios para la mayoría de plaguicidas y matrices (recuperaciones entre 70 y 120%, RSD < 20%). Por último, los métodos desarrollados se aplicaron al análisis de muestras reales, introduciendo numerosas muestras control de calidad (QC) para asegurar la robustez y fiabilidad del método en su aplicación al análisis de estas muestras. Este capítulo finaliza con el desarrollo de metodología analítica multirresiduo para suelos agrícolas de Argentina, siguiendo la misma filosofía de trabajo en cuanto al tratamiento de la muestra (artículo científico 3). En colaboración con el Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA) de Balcarce (Argentina), se seleccionaron 18 plaguicidas de amplio uso en Argentina y se estudiaron 11 suelos representativos de ese país. Se empleó una sencilla extracción sólido-líquido con acetonitrilo usando agitación mecánica seguida de ultrasonidos. Después de una centrifugación, el extracto del suelo se diluyó x 2 con H2O y se inyectó directamente en el sistema LC-MS/MS. En este trabajo se evaluó el efecto matriz para los 11 suelos estudiados. El método se validó satisfactoriamente a 0.5 y 0.05 mg/kg, siendo este último el LOQ objetivo del método. La cuantificación se llevó a cabo mediante calibrado externo con patrones en solvente. En su aplicación a los suelos objeto de estudio, se incluyeron QCs para cada suelo analizado. Las recuperaciones de los QCs fueron satisfactorias en la gran mayoría de combinaciones analito/suelo. Con ello, la metodología desarrollada fue testada y validada demostrando su «universalidad» para suelos muy diferentes, con notables variaciones en sus características físico-químicas. En todos los métodos multirresiduo desarrollados en este capítulo, se adquirieron dos transiciones por compuesto y se evaluaron las relaciones de intensidad (ion ratio), con el fin de asegurar la correcta identificación de los compuestos detectados en las muestras. En la segunda parte de la Tesis (Capítulo 3) se aborda la problemática analítica del herbicida glifosato en suelos latinoamericanos, por un lado, y en productos vegetales (principalmente cereales), por otro. Los trabajos llevados a cabo en suelos condujeron a la publicación de un artículo (artículo científico 4), cuyo objetivo fue desarrollar un método rápido, robusto y mejorado para residuos de glifosato y su principal metabolito AMPA en suelos complejos, con altos contenidos de materia orgánica. Las muestras estudiadas fueron tomadas de Argentina y Colombia, países en los que este herbicida es utilizado con regularidad para el control de malezas y/o para la erradicación de cultivos ilícitos de coca. Cabe destacar que en Argentina la soja transgénica, resistente al glifosato, representa la práctica totalidad de la soja cultivada, con lo que el consumo de glifosato, principalmente mediante aplicaciones aéreas, es muy elevado. El análisis de suelos se realizó sobre la base de los trabajos previos de nuestro grupo, en lo relativo a la extracción y a las condiciones de derivatización con FMOC. La investigación se centró en la etapa de clean-up, la cual resultó crítica debido al fuerte efecto matriz observado en estos suelos (supresión de ionización del orden del 90%, e incluso mayor), que no se había observado en los suelos españoles analizados hasta entonces. Para ello, se aplicó SPE probando dos tipos de sorbentes (Oasis MAX y HLB), a diferentes pH, antes y después de la derivatización con FMOC. Los mejores resultados se obtuvieron con Oasis HLB, realizando el clean-up del extracto del suelo antes de derivatizar con FMOC, previo ajuste a pH 9. En estas condiciones, tanto glifosato como AMPA, pasaron a través del cartucho Oasis HLB sin sufrir retención, y la derivatización se realizó sobre el eluato no retenido después de pasar por el cartucho de SPE. El uso de patrón interno marcado de glifosato fue fundamental para poder cuantificar correctamente. El método se validó en cuatro suelos, dos Argentinos y dos Colombianos, a dos niveles de concentración (0.5 y 5.0 mg/kg). El límite de cuantificación (LOQ) objetivo fue 0.5 mg/kg. Se analizaron 26 suelos de diferentes áreas de Colombia (15) y Argentina (11). Para garantizar la calidad de los análisis se intercalaron varias muestras QC, cuyas recuperaciones fueron en general satisfactorias. Los suelos Colombianos fueron particularmente problemáticos, especialmente para el AMPA, para el que no se cumplía la relación de intensidades entre las transiciones adquiridas (Q/q) en varias muestras. Ambos compuestos se detectaron en el 90% de las muestras, encontrándose las concentraciones más altas en los suelos de Colombia. Todos los positivos se confirmaron usando, al menos, dos transiciones MS/MS, siendo necesario que la relación Q/q y el tiempo de retención estuvieran dentro de las tolerancias máximas admitidas en las guías SANCO. Se observó que en varios suelos las transiciones medidas estaban interferidas por componentes co-extraídos, por lo que fue importante adquirir todas las transiciones posibles, con el fin de disponer de alternativas en caso de interferencias. La situación del AMPA fue aún más problemática en términos de confirmación, ya que tan sólo se pudieron optimizar dos transiciones, y una de ellas (la de cuantificación) estaba interferida en la mayoría de las muestras, hecho que dificultó en gran medida los análisis. En nuestro trabajo se sugiere aumentar la tolerancia en la relación Q/q hasta 50%, como valor más realista para la identificación en este tipo de análisis. En el segundo trabajo (artículo científico 5) se desarrolla metodología analítica para la determinación de residuos de glifosato en cereales y soja. El trabajo se centró exclusivamente en glifosato, ya que en la definición de residuos propuesta por la EFSA no incluye su principal metabolito AMPA. El objetivo principal fue evitar la etapa de derivatización, intentando la determinación directa del herbicida. Para ello, se probaron diferentes columnas de LC, seleccionando finalmente la mix-mode Obelisc N, que fue la que proporcionó mejor retención para este compuesto. Las matrices objeto de estudio se seleccionaron entre las de mayor interés por la posible presencia de este compuesto (arroz, soja y maíz), y que además se encuentran entre las de mayor uso en transgénicos resistentes al glifosato. La metodología desarrollada también se aplicó a muestras de trigo, maíz, gluten de maíz y guisantes. Este trabajo fue encaminado a realizar el menor tratamiento posible de muestra, intentando alcanzar un compromiso entre efecto matriz aceptable y menor tiempo de análisis. La extracción del glifosato en las muestras se hizo con agua mediante ultrasonidos. En matrices con alto contenido en grasa (maíz, soja) se añadió una partición liquido-liquido con diclorometano y, en el caso de la soja, se procedió a la eliminación de las proteínas mediante precipitación con acetonitrilo. Como en el resto de trabajos realizados en la Tesis, se dedicó especial atención al estudio del efecto matriz, que fue notorio en las matrices de maíz y soja, con fuertes supresiones de señal. La metodología desarrollada se validó a dos niveles de concentración, con LOQ objetivos de 0.1 mg/kg para arroz y maíz, y 2 mg/kg para soja, valores altos pero suficientes para controlar el cumplimiento de MRLs en la Unión Europea. El uso del patrón interno marcado fue clave para la cuantificación correcta del analito, al corregir el efecto matriz aún observado después del tratamiento de muestra, especialmente en soja y maíz. La ventaja de este método es que no resulta necesaria una etapa previa de derivatización, pero su principal inconveniente es la poca robustez y rápida degradación observada en la columna Obelisc N, más evidente a mayor complejidad de la matriz inyectada (ej. soja). Este hecho, unido a su elevado precio, hace que, de momento, este método sea poco atractivo para análisis de rutina, a pesar de proporcionar resultados analíticos satisfactorios. Cabe esperar que, en un futuro próximo, aparezcan nuevas columnas, más robustas y menos costosas, que permitan la separación cromatográfica del glifosato sin los inconvenientes mencionados. Finalmente, para completar el trabajo con la técnica LC-MS/MS y ampliar su campo de aplicación a nivel de residuos, en la tercera parte de esta Tesis se ha abordado (Capítulo 4) la determinación de drogas de abuso en aguas residuales urbanas (cocaína, su principal metabolito benzoylecgonine (BE), anfetamina, metanfetamina, el principal metabolito del cannabis 11-nor-9-tetrahidrocannabinol-9-carboxilic acid (THC-COOH), ketamina, 6 Monoacetylmorphine (6 MAM) y 3,4-methylen-dioxy-metamphetamine (MDMA, éxtasis). En este caso, se hizo uso de metodología analítica ya desarrollada por nuestro grupo de trabajo, por lo que la investigación se centró en el tratamiento e interpretación de los resultados obtenidos en el análisis de aguas residuales (influente urbano) de las ciudades de Castellón y Murcia, por un lado, y Bogotá y Medellín, por otro. El objetivo del trabajo fue determinar los niveles de concentración de drogas en las aguas y, a partir de los resultados obtenidos, estimar la carga diaria de estas drogas en las aguas residuales de estas poblaciones. En aquellos casos en los que se disponía de información suficiente y contrastada sobre la excreción del metabolito/biomarcador en orina, se pudo hacer una estimación del consumo de droga en la población (caso de la cocaína y su metabolito BE). Este tipo de estimaciones se enmarcan en lo que se conoce como epidemiología de las aguas residuales (Wastewater-Based Epidemiology, WBE). Los resultados obtenidos en esta Tesis mostraron que en todas las ciudades los niveles más altos, con diferencia, correspondían a la BE, con muchas muestras superando los 1000 ng/L (1 ppb). Las concentraciones de BE fueron más altas en las aguas residuales de Colombia, que también presentaron unos niveles altos de cocaína, considerablemente superiores a los de las dos ciudades españolas. Cabe destacar los niveles relativamente altos de THC-COOH, cuyas concentraciones en las aguas de las ciudades españolas y colombianas fueron bastante similares (concentraciones en general entre 100 y 300 ng/L). Además de estas dos drogas, que parecen ser las más consumidas por la población, se detectó MDMA en la mayoría de muestras, a concentraciones por debajo de 30 ng/L, excepto en el fin de semana en Bogotá en donde alcanzó los 60 ng/L. La ketamina sólo se detectó en las muestras de Colombia, en concentraciones inferiores a 30 ng/L. Se pudo estimar el consumo medio de cocaína a partir de los datos de BE en las aguas residuales teniendo en cuenta su excreción media en orina. El valor estimado para Castellón (550 mg/día/1000h) y Murcia (850) fue semejante al reportado en estudios realizados en 2011 para ciudades españolas. El consumo en Bogotá pareció encontrarse también en esta misma línea (750), por debajo de ciudades europeas como Amberes o Ámsterdam, en donde llega hasta casi 2000 mg/día/1000h. Sin embargo, Medellín estuvo por encima de todas las ciudades europeas, con un valor medio de 3000 mg/día/1000h. En cuanto al cannabis, las cargas medias encontradas para su biomarcador THC-COOH en las aguas residuales fueron semejantes en las cuatro ciudades estudiadas (entre 33 y 49 mg/día/1000h). Estos valores son del mismo orden que los encontrados en Milán, Bratislava, Sarajevo, Zagreb, Amberes, Bruselas, Praga o Valencia, pero inferiores a los de Barcelona, París, Eindhoven, Utrecht o Ámsterdam, todos ellos con cargas próximas o ligeramente superiores a 100 (200 en el caso de Ámsterdam, ciudad en la que es conocida su política liberal en el consumo de cannabis). Las cargas medias de MDMA fueron bajas en comparación con las de cannabis y BE, y semejantes en las cuatro ciudades (valores medios entre 1.5 y 4.4 mg/día/1000h). Estos resultados están en la línea de los reportados en ciudades como Zagreb, Milán, Oslo, Valencia, Castellón o Santiago, y son significativamente inferiores a los reportados en Barcelona, Amberes, Zúrich, Londres o Ámsterdam, ciudades en las que frecuentemente se superan los 30-50 mg/día/1000h. La ketamina tan sólo se detectó en las aguas de Colombia, en las dos ciudades estudiadas Bogotá y Medellín, con valores medios de 3.8 y 1.5 mg/día/1000h, respectivamente. Cabe destacar que los datos obtenidos en esta Tesis son los primeros reportados en la bibliografía sobre ciudades de Colombia.

Plastic scintillation microspheres (PSm) are a solid dispersion of one or more fluorescent solutes encapsulated within a polymeric matrix. PSm appear as an alternative to the use of liquid scintillation cocktails for radioactivity determination with the advantage of avoiding the mixed waste, for the measurement of salty samples, for performing measurements in continuous, or for employing them as a medium to join the measurement and separation steps. However, PSm are not completely available in the market, since only a few providers supply them at a high cost and with a limited range of sizes and compositions. This thesis has been focused in two main objectives. The first one has been the evaluation of the feasibility of different methodologies to produce PSm, starting at laboratory scale and addressing their production at a higher scale. The second one has been to increase the knowledge about the energy transfer mechanism through the evaluation of different quenching agents and different organic scintillators. The production of PSm was successfully performed through organic solvent extraction/evaporation methodology (E/E). Other techniques based on drying, the Spray Drying (SD) and the supercritical antisolvent (SAS) were also evaluated. The E/E allowed the production of PSm at laboratory and at large scale with features and radiometric performances comparable to those of the commercial ones, and also producing PSm with the ability for alpha/beta discrimination. On the other hand, SD and SAS proved to produce PSm and polystyrene based submicron particles, respectively, which enabled the measurement of radioactivity but involving a high associated operational cost and a low production yield. Finally, the evaluation of the energy transfer mechanism was performed by conducting a systematic study of the interference of several quenching agents when different organic scintillators were employed. Moreover, the wide range of PSm diameters obtained allowed the study of the relationship between the size and the radiometric capacities, resulting in a better understanding of the energy transfer mechanism through the evaluation of the particle and optical quenching. / Las microesferas de centelleador plastico (PSm) son una dispersión sólida de uno o más solutos fluorescentes disueltos y encapsulados en una matriz polimérica. Su diámetro puede variar desde los pocos hasta varios centenares de micrómetros. Las PSm han aparecido como una alternativa al uso de los cócteles de centelleador líquido para la mayoría de las deteminaciones de radionucleidos de media y alta energía, con la ventaja de que al estar polimerizadas se evita la producción del residuo mixto (mezcla de residuos orgánicos y radioactivos). Por otro lado, las PSm son de utilidad en las medidas de muestras salinas, de sistemas de medida en continuo y además sirven de soporte para la inmovilización de extractantes selectivos a determinados radionucleidos. Sin embargo, las PSm no están completamente disponibles en el mercado, ya que existen sólo un par de casas comerciales capaces de proveerlas a un alto coste y con un rango limitado de diámetros y composiciones. El presente trabajo ha sido enfocado en dos objetivos principales. El primero, ha sido evaluar diferentes metodologías que permitan la producción de PSm de diferentes diámetros y composiciones a escala de laboratorio para superar la dependencia sobre los proveedores comerciales y a su vez, ampliar su uso en nuevas aplicaciones. El segundo objetivo, ha sido explorar el mecanismo de transferencia de energía en las medidas de radionucleidos cuando se emplean las PSm. La síntesis de PSm se llevó a cabo por medio de diferentes técnicas. La primera, basada en la evaporación/extracción del disolvente orgánico. Dicha técnica permitió la producción de PSm con un alto rendimiento y con características físicas y capacidades radiométricas similares a las de las microesferas de centelleador plástico de origen comercial. También permitió la evaluación de la encapsulación de los solutos fluorescentes, la producción de microesferas con capacidad para discriminar partículas alfa y beta, la evaluación de los parámetros de síntesis para optimizar la producción y además se empleó para producir PSm a una mayor escala que la empleada en el laboratorio (prueba de concepto con equipos industriales). Por otro lado, la producción de PSm mediante las técnicas basadas en el secado del disolvente orgánico (Spray Drying y antidisolvente supercrítico). Dichas técnicas permitieron la producción de PSm y de partículas poliméricas centelleadoras de tamaño submicrométrico, respectivamente, capaces de medir la radioactividad. Sin embargo, resultaron en un alto coste operacional asociado y bajos rendimientos de producción. Finalmente, la evaluación del mecanismo de transferencia de energía se llevó a cabo mediante el estudio sistemático de diferentes interferentes (NaCl, BaCl2, glicerina, nitrometano y naranja de metilo) y distintos centelleadores orgánicos (PSm de diferentes diámetros, cóctel de centelleador líquido y cóctel de centelleador gel) para la medida de dos emisores beta de baja y alta energía, 3H y 36Cl, respectivamente. Adicionalmente, teniendo en cuenta el amplio rango de diámetros de PSm obtenidos mediante las diferentes metodologías, fue posible realizar algunas observaciones sobre la relación de las capacidades radiométricas de diferentes radionucleidos respecto al tamaño de diámetro de las PSm, basadas principalmente en los fenómenos de quenching de partícula y de quenching óptico.