Cerro Quema és un dipòsit d’or-coure situat a la Península d’Azuero (SO Panamà). Està encaixat dins d’un complex de doms dacítics que intrueixen la Formació Río Quema, seqüència vulcanosedimentària d’edat Campanià superior - Maastrichtià dipositada en una conca d’avantarc. La mineralització i l’alteració hidrotermal estan controlades per falles regionals d’orientació E-O i litològicaments per la presència de doms dacítics. Es tracta d’un dipòsit d’origen controvertit, ja que ha estat interpretat com a epitermal d’alta sulfuració, i també com a un híbrid epitermal - sulfurs massius. Malgrat els estudis geològics i metal·logenètics previs, la geodinàmica de la zona i la seva relació amb el dipòsits minerals, no es coneixia en detall. En conseqüència, l’objectiu d’aquesta Tesi és el esbrinar la relació entre l’evolució geològica de la zona i l’origen i evolució dels fluids mineralitzants. Al Capítol 1, es revisen les característiques principals dels dipòsits epitermals d’alta sulfuració i la seva possible relació amb d’altres dipòsits d’interès econòmic (p.e. pòrfirs cuprífers i sulfurs massius). Els Capítols 2 i 3 comprenen l’estudi tectonoestratigràfic, geoquímic i bioestratigràfic de la part sud de la Península d’Azuero. És presentat també un nou mapa geològic de la zona d’estudi, completat amb dades geoquímiques i bioestratigràfiques de radiolaris i foraminífers planctònics. Finalment, es proposa un model de reconstrucció de l’arc volcànic durant el Cretaci. Els Capítols 4 i 5 tracten la geologia, mineralogia, geoquímica i l’edat del dipòsit. Es descriuen les paragènesis minerals de la mineralització i de les alteracions (hidrotermal i supergènica). A partir de dades d’incllusions fluides (temperatura d’homogenització i salinitat), i d’isòtops estables (S, O i H), es discuteix l’origen i evolució dels fluids mineralitzants. La caracterització geoquímica dels fluids hidrotermals és completada dades de contingut en metalls de les roques de caixa alterades hidrotermalment i per anàlisis amb microsonda electrònica (EMPA) de pirites, alunites i minerals alumino-fosfats-sulfats (APS). Per tal de concretar l’edat de la mineralització, s’han realitzat datacions radiomètriques Ar/Ar (hornblendes), en les roques caixa (67.9 ±1.3 - 65.6 ±1.3 Ma) i en les roques plutòniques de la zona (batòlit de El Montuoso: 65.7 ±1.4 Ma; batòlit de Valle Rico: 54.8 ±1.2 Ma; batòlit de Parita: 40.8 ±1.4 Ma). Per tal de conèixer l’origen dels fluids, s’ha analitzat la δ34S en pirita, calcopirita, enargita, barita i alunita, la δ18O en barita, alunita, quars, caolinita i dickita, i la δD en caolinita i dickita. Les mesures microtermomètriques s’han realitzat en inclusions fluides secundàries contingudes en quarsos ignis alterats hidrotermalment. El conjunt d’aquestes dades ha permès desenvolupar un model genètic conceptual on s’integra la gènesi del dipòsit en el marc geodinàmic de la Península d’Azuero. El Capítol 6 inclou les conclusions de la tesi. D’acord amb les observacions de camp, juntament amb les dades geocronològiques i bioestratigràfiques, podem afirmar que Cerro Quema és un dipòsit epitermal d’alta sulfuració emplaçat durant l’Eocè inferior (~55-49 Ma), i que probablement està relacionat amb un sistema de pòrfir cuprífer subjacent. Els fluids mineralitzants van ser de temperatura variable (140 – 240ºC) i de baixa salinitat (< 5% en pes eq. de NaCl). L’espècie de sofre dominant en els fluids hidrotermals era el H2S, d’origen magmàtic (δ34SΣS= -0.5‰). Els valors de δ18O dels fluids en equilibri amb el vuggy silica (-2.6 - +3.0‰) i els valors de δ18O/δD dels fluids en equilibri amb caolinites/dickites (δ18O= -10.0 - +13.3‰; δD= -72 - -13‰, respectivament) indiquen que la mineralització es va produir per la barreja de fluids hidrotermals amb aigües meteòriques. Cerro Quema és només una part d’un extens sistema hidrotermal que va donar lloc a dipòsits similars a la regió sud de la Península d’Azuero. Aquest estudi ha posat de manifest la interrelació entre els dipòsits d’or-coure de la Península d’Azuero amb falles regionals d’orientació E-O, una característica important que pot ser utilitzada com a eina d’exploració. / Cerro Quema es un depósito de oro-cobre situado en la Península de Azuero (SO Panamá). Está encajado dentro de un complejo de domos dacíticos que intruyen la Formación Río Quema, secuencia volcanosedimentaria de edad Campaniense superior – Maastrichtiense depositada en una cuenca de antearco. La mineralización y la alteración hidrotermal están controladas por fallas regionales de orientación E-O y litológicamente por la presencia de domos dacíticos. Se trata de un depósito de origen conrovertido, pues ha sido considerado como un depósito epitermal de alta sulfuración, pero también como un deposito híbrido epitermal - sulfuros masivos. A pesar de los estudios geológicos y metalogenéticos previos, la geodinámica de la zona y su relación con los yacimientos minerales, no se conocía en detalle. En consecuencia, el objetivo de esta Tesis es averiguar la relación entre la evolución geológica de la zona y el origen y evolución de los fluidos mineralizantes. En el Capítulo 1 se describen las características principales de los depósitos epitermales de alta sulfuración y su posible relación con otros yacimientos de interés económico (p.e. pórfidos cupríferos y sulfuros masivos). Los Capítulos 2 y 3 comprenden el estudio tectonoestratigráfico y geoquímico de la parte sur de la Península de Azuero. Se presenta también un nuevo mapa geológico de la zona de estudio, complementado con datos geoquímicos y bioestratigráficos de radiolarios y foraminíferos planctónicos. Finalmente se propone un modelo de reconstrucción paleogeográfica del arco volcánico durante el Cretácico. Los Capítulos 4 y 5 tratan sobre la geología, mineralogía, geoquímica y la edad del yacimiento. Se describen las paragénesis minerales de la mineralización y de las alteraciones (hidrotermal y supergénica). A partir de los datos de inclusiones fluidas (temperatura de homogenización y salinidad) y de isotopos estables (S, O y H), se discute el origen y evolución de los fluidos mineralizantes. La caracterización geoquímica de los fluidos hidrotermales es complementada con los datos de contenido de metales de las rocas caja alteradas hidrotermalmente y con los análisis con microsonda electrónica (EMPA), de piritas, alunitas y minerales alumino-fosfato-sulfatos (APS). Para concretar la edad de la mineralización, se han realizado dataciones radiométricas Ar/Ar (en hornblenda), en las rocas caja (67.9 ±1.3 - 65.6 ±1.3 Ma) y en las rocas plutónicas de la zona (batolito de El Montuoso: 65.7 ±1.4 Ma; batolito de Valle Rico: 54.8 ±1.2 Ma; batolito de Parita: 40.8 ±1.4 Ma). Para conocer el origen de los fluidos, se ha analizado la δ34S en pirita, calcopirita, enargita, barita y alunita, la δ18 en barita, alunita, cuarzo, caolinita y dickita, y la δD en caolinita y dickita. Las mediciones microtermométricas se han realizado en inclusiones fluidas secundarias contenidas en cuarzos ígneos alterados hidrotermalmente. El conjunto de estos datos ha permitido desarrollar un modelo genético conceptual donde se integra la génesis del yacimiento en el marco geodinámico de la Península de Azuero. El Capítulo 6 incluye las conclusiones de la tesis. De acuerdo con las observaciones de campo, junto con los datos geocronológicos y bioestratigráficos, podemos afirmar que Cerro Quema es un depósito epitermal de alta sulfuración emplazado durante el Eoceno inferior (~55-49 Ma), y que probablemente está relacionado con un sistema de pórfido cuprífero subyacente. Los fluidos mineralizantes fueron de temperatura variable (140 – 240ºC), y de baja salinidad (< 5% en peso eq. de NaCl). La espécie de azufre dominante en el fluido hidrotermal era el H2S, de origen magmático (δ34SΣS= -0.5‰). Los valores de δ18O de los fluidos en equilibrio con vuggy silica (-2.6 - +3.0‰) y los valores de δ18O/δD de los fluidos en equilibrio con caolinitas/dickitas (δ18O= -10.0 - +13.3‰; δD= -72 - -13‰, respectivamente) indican que la mineralización se produjo por la mezcla de fluidos hidrotermales con aguas meteóricas. Cerro Quema es solo una parte de un extenso sistema hidrotermal que dio lugar a depósitos similares en la región sur de la Península de Azuero. Este estudio ha puesto de manifiesto la interrelación entre los depósitos de oro-cobre con las fallas regionales de orientación E-O, una característica importante que puede ser utilizada como herramienta de exploración. / Cerro Quema, located in the Azuero Peninsula (SW Panama) is a structurally and lithologically controlled Au-Cu deposit. It is hosted by a dacite dome complex intruded within the Río Quema Formation, a volcanosedimentary sequence of Late Campanian to Maastrichtian age deposited in a fore-arc basin. Mineralization and hydrothermal alteration is controlled by E-W trending regional faults. Cerro Quema is a controversial deposit because it has been interpreted as a high sulfidation epithermal deposit, but also as a hybrid epithermal-volcanogenic massive sulfide deposit. Despite previous geologic and metallogenetic studies, the geodynamic framework of the area and the relationship with mineral deposits is not understood. The aim of this thesis is to unravel the relationship between the geological evolution of the area and the origin and evolution of the mineralizing fluids. In Chapter 1, the main characteristics of high sulfidation epithermal deposits and their link with other economically important deposits (e.g., porphyry copper and VMS) are revised. Chapters 2 and 3 comprise the tectonostratigraphy, geochemistry and biostratigraphy of the Azuero Peninsula. A new geologic map of the area, complemented with geochemical data and a biostratigraphical study of radiolarian and planctonic foraminifera, is presented. Finally, a paleogeographic reconstruction of the Cretaceous volcanic arc is proposed. Chapters 4 and 5 deal with the geology, mineralogy, geochemistry and age of the deposit. Ore and alteration (hydrothermal and supergene) mineral parageneses are described. The origin and evolution of mineralizing fluids is discussed from fluid inclusion (homogenization temperature and salinity) and stable isotopes (S, O and H) data. The chemical characterization of the hydrothermal fluids is strengthened from trace metal content of hydrothermally altered host rocks, and EMPA analyses on pyrite, alunite and aluminum phosphate-sulfate (APS) minerals. In order to constrain the age of the mineralization, Ar/Ar dating (hornblende) have been performed on Cerro Quema host rocks (67.9 ±1.3 to 65.6 ±1.3 Ma) and on plutonic rocks of the area (El Montuoso batholith: 65.7 ±1.4 Ma; Valle Rico batholith: 54.8 ±1.2 Ma; Parita batholith: 40.8 ±1.4 Ma). δ34S values have been measured on pyrite, chalcopyrite, enargite, barite and aluntie. δ18O was analyzed on barite, aluntie, quartz, kaolinite and dickite, and δD on kaolinite and dickite. Microthermometircal measurements were performed on secondary fluid inclusions from hydrothermally altered igneous quartz. A conceptual model integrating the genesis of the deposit within the geodynamic framework of the Azuero Peninsula is presented. Chapter 6 includes the conclusions of the thesis. According to field observations coupled with geochronological and biostratigraphical data, Cerro Quema is a high sulfidation epithermal deposit emplaced during Lower Eocene (~55-49 Ma) times, and is probably related to an underlying porphyry copper system. Mineralizing fluids were of variable temperature (140 - 240ºC) and low salinity (< 5 wt% NaCl eq.). Hydrothermal fluids were sulfide dominant with sulfur of magmatic origin (δ34SΣS= -0.5‰). δ18O of fluids in equilibrium with vuggy silica (-2.6 to +3.0‰), and δ18O/δD values of fluids in equilibrium with kaolinite/dickite (δ18O= -10.0 to +13.3‰; δD= -72 to -13‰, respectively), indicate that mineralization was produced by the mixing of hydrothermal fluids with meteoric waters. Cerro Quema is only a part of an extensive hydrothermal system that produced similar deposits in the southern portion of the Azuero Peninsula. The present study has revealed the relationship of Au-Cu deposits with E-W trending regional faults, an important feature that might be used as exploration tool.

Following in the same line of research initiated by the Catalysis and Inorganic Synthesis Group within the ICMAB time ago, this work is mainly focused on the synthesis of carborane derivatives with styrenyl groups via nucleophilic substitution reactions, followed by the incorporation of these derivatives to different types of platforms and structures in order to study their photoluminescence properties. Starting from these compounds, in which the o-carborane cluster is of closo nature (therefore neutral from electronic point of view), their corresponding nido (anionic) derivatives have been obtained, by the cluster’s partial deboronation reaction in basic medium. These derivatives have been fully characterised using common spectroscopic techniques such as infrared spectroscopy, NMR spectroscopy, mass spectrometry, elemental analysis and in some cases, X-ray diffraction. Subsequently, photoluminescence studies have been performed, indicating that although the derivatives of methyl-o-carborane and monosubstituted o-carborane exhibit an intense fluorescence, their phenyl-o-carborane analogues show almost no light emission at all. In order to explain such phenomenon, the cyclic voltammetry has been studied as well as DFT theoretical calculations performed, leading to the conclusion that the lack of fluorescence for the phenyl-o-carborane derivative is most probably due to a photoinduced electronic transfer process (PET). Different types of carbosilane and poly(aryl-ether) dendrimers have been chosen as platforms to which the styrenyl group-containing compounds have been incorporated into. To achieve this objective, these carboranyl derivatives have been adequately functionalised to contain a terminal Si-H bond and, in this manner, to carry out the hydrosilylation reaction of them with different type and generations of dendrimers that contain a variable number of terminal alkenes. In this way, structures bearing from 3 to 12 carborane clusters at the periphery have been obtained. Polyanionic dendrimers have also been generated via partial deboronation reactions of closo clusters to the respective nido derivatives, and isolated as alkaline salts. All of these synthesised dendrimers have been fully characterised. For the poly(aryl-ether) dendrimers, their thermal properties have been studied by thermogravimetric analysis (TGA), as well as their photophysical properties. The influence of the different substituents of the clusters (phenyl or methyl), number of clusters and the electronic nature of the cage on the photoluminescence has been studied. Those compounds that contain methyl-o-carborane have shown the highest emission quantic yields. These dendrimers, due to their elevated boron content, are considered to be good candidates for future biomedical applications, among others Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) and other applications such as antivirals or bactericides. The family formed by cubic silsesquioxanes or POSS constitutes another interesting platform to be taken into account, when considering the incorporation of our carborane derivatives bearing the styrenyl group. With the aim of retaining the structure of these compounds, they have been reacted with octavinylsilsesquioxane via olefin metathesis reactions, yielding macromolecules that contain 8 carborane clusters at the periphery. As was previously accomplished for the poly(aryl-ether) dendrimers, their corresponding polyanionic derivatives have been also obtained, using the same partial deboronation reaction of the closo cluster to the respective nido species. All resulting compounds have been fully characterised by different spectroscopic techniques and elemental analysis. The thermal properties of neutral POSS with closocarboranes have been studied by TGA, showing a remarkable thermal stability. This fact lead us to carry out a more complete study of POSS, previously treated at 600 ºC for 1 hour, using powder X-rays diffraction (XRD) technique and transmission electron microscopy (TEM). Photoluminescence studies of neutral POSS have revealed a different behaviour concerning emissions data, respect to their styrenyl-carborane precursors. In this case, the phenyl-o-carborane derivative presents the highest intensity of emission, whereas the monosubstituted o-carborane species shows a total fluorescence quenching. DFT calculations have been done, both in fundamental and excited states, corroborating the experimental results. By analysing the photoluminescent properties of the isolated starting materials and after anchoring them to different platforms (dendrimers and POSS), it has been observed that the carborane cluster and its substituents play an important and interesting role within these properties. Therefore, we decided to go even further and synthesize, using diverse synthetic strategies (addition, hydrosilylation, nucleophilic substitution or Heck reactions, etc), compounds bearing carborane clusters and different fluorophore groups, such as fluorene, anthracene or stilbene. All of these compounds have been adequately characterised and there photoluminescent properties studied. In all cases, it has been observed that when the fluorophore group is not directly bonded to the cluster and is situated away from it, the emission intensities are quite elevated, whereas if there is an aromatic group directly bonded to the cluster (phenyl or fluorene) and the fluorophore group is close to it in space, a quenching of the fluorescence is produced, which, depending on the type of fluorophore, is more or less efficient. This phenomenon is in close agreement with the results obtained for the phenyl-o-carborane derivatives, for the starting carboranestyrenyl- carborane derivatives as well as for the poly(aryl-ether) dendrimers. During the three months stage at the University of York, different compounds derived from the o-carborane and incorporating at least 1 mesogen derivative of cholesterol have been synthesised, with the aim of obtaining new materials with liquid crystal properties. Once these compounds have been characterised, they have also been analysed by differential scanning calorimetry (DSC) and polarised optical microscopy (POM), to confirm that in general all compounds synthesised by hydrosilylation reaction do not show mesogenic properties, with the exception of the compound bearing 4 mesogens within its structure. On the other hand, all of the compounds synthesised via olefinic metathesis, show interesting mesogenic properties, exhibiting, in all cases, a chiral nematic mesophase (N*). Moreover, in the case of the methyl-o-carborane derivative, a Blue Phase (BP*) and a chiral smectic mesophase A (SmA*) are exhibited during the cooling cycle. These results indicate that for the latter compounds, the incorporation of the carborane clusters does not destroy the mesomorphic behaviour of the mesogen, but in addition, confers it new and interesting mesogenic properties.

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.

A la tesi Theoretical analysis of phenomena involving photoactive proteins: a multiscale approach (Anàlisi teòrica de fenòmens relatius a proteïnes fotoactives: un tractament multiescala) s'estudia una col·lecció de problemes relatius a les proteïnes fotoactives. La nostres anàlisis requereixen l'ús de tècniques multiescala, això és, un nivell rigorós de càlcul aplicat a una regió específica, combinat amb càlculs més assequibles a la resta del sistema, i comporta el desenvolupament de noves metodologies per entendre què hi succeeix. Aquestes metodologies tenen en comú la necessitat d'un tractament quàntic de diferents fenòmens que tenen lloc en proteïnes fluorescents, però també la d'una anàlisi de més gran escala, com la inclusió de l'entorn, els efectes electrostàtics o els efectes dinamics i tèrmics. Les proteïnes són la clau química de la vida. Per entendre com funcionen les cèl·lules i els éssers vius, cal estudiar una maquinària increïblement complexa de proteïnes. A banda de la seva funció natural, algunes proteïnes (com la Green Fluorescent Protein, GFP) també poden actuar com a biomarcadors quan es connecten amb altres proteïnes mijançant tecnologia genètica. Això suposa un avenç notable en biomedicina tota vegada que és possible detectar cèl·lules vives, traçar-ne el camí i visualitzar-les. D'altra banda, atès que les proteïnes són entitats molt complexes, requereixen la implementació i àdhuc en desenvolupament de mètodes nous que permetin d'abordar-ne l'estudi. És per aquest motiu que ens calen els models multiescala: es poden combinar tècniques més acurades (per bé que costoses) amb nivells de càlcul més assequibles. Aquesta tesi és un itinerari a través d'una col·lecció de metodologies que hem dissenyat i implementat, adreçades a l'estudi de sistemes biològics. En el nostra camí cap una anàlisi més profunda en aquest tipus de modelització, el primer tema abordat és el tractament dels espectres d'absorció en proteïnes vermelles fluorescents. Han calgut càlculs combinats de Mecànica Quàntica amb Mecànica Molecular (QM/MM) per a tindre en compte les interaccions de tota la proteïna amb el cromòfor, i es palesa la importància d'aquests efectes. Hem proposat una combinació de càlculs electrònics en l'estat excitat (ESEC, en anglès) amb simulacions de dinàmiques moleculars, i s'ha vist que tant els efectes electrostàtics com els tèrmics són imprescindibles per reproduir correctament l'espectre d'absorció. Partint d'eines força comunes en modelització multiescala, hem fet un pas endavant dissenyant una metodologies específica que confirma que els cromòfors no es poden tractar com a cossos rígids i aïllats i, en particular, ha obert un camí interessant per escatir la reactivitat i les cadenes de protons de les proteïnes mKeima i LSSmKate2. La següent passa ha consistit en ultrapassar l'aproximació de Born-Oppenheimer. Discutim l'existència d'un Low Barrier Hydrogen Bond (LBHB, pont d'hidrogen de barrera baixa) a la Photoactive Yellow Protein (PYP, proteïna groga fotoactiva). Un LBHB és fonamentalment un fenòmen quàntic. Es tracta d'un pont d'hidrogen en el qual la barrera d'energia entre reactius i productes és prou baixa, de manera que la funció vibracional de l'àtom d'hidrogen pot tenir la posició esperada al màxim d'energia. Això implica que l'àtom ja no s'ha de tractar com una massa puntual, sinó com una funció d'ona. Per esbrinar si hi havia o no l'LBHB, i en quines condicions, s'han fet càlculs QM/MM de la superfície d'energia potencial i simulacions de dinàmica molecular, però també s'han hagut de fer càlculs vibracionals anharmònics. Finalment, quant a la reactivitat de la GFP, es presenten mètodes més sofisticats.Emprenem l'estudi de la reacció química que causa la fluorescència a la GFP. Per això, és imprescindible un tractament quàntic per als nuclis, i es presenta una nova metodologia per calcular el flux de probabilitat. Això és, calcularem a quina velocitat el paquet d'ones va de reactius a productes, i per quines regions ho fa. A part d'això, es proposarà un estudi QM/MM de la reactivitat de la GFP a l'estat excitat que tingui en compte els efectes electrostàtics. / In the thesis Theoretical analysis of phenomena involving photoactive proteins: a multiscale approach a collection of issues regarding photoactive proteins is studied. Our analysis requires the use of multiscale techniques (that is, thorough high-level calculations on a specific region combined with less demanding calculations on the rest of the system) and brings about the development of new methodologies to understand what happens there. These methodologies have in common the need of a quantum mechanical analysis of different phenomena that involve proteins, but also a larger scale analysis, like the inclusion of the environment, the electrostatic effects or the dynamical and thermal effects. Proteins are the chemical tools of life. To understand how cells and living beings work, an incredibly complex machinery of proteins has to be studied. Apart from their natural function, some proteins (like the Green Fluorescent Protein, GFP) can also act as a biomarker when connected to other proteins by DNA technology, which suposes an outstanding achievement in biomedicine by enabling the detection, tracing and imaging of living cells. On the other hand, since proteins are very complex entities, they require the implementation and even the development of new methods to be able to tackle their study. That is why multiscale models are needed: more accurate albeit demanding techniques can be combined with more feasible levels of calculation. This thesis is an itinerary through a collection of methodologies that we have designed and implemented, aimed to the study of biological systems. In our path to a deeper analysis in multiscale modelling, the first presented issue is the treatment of the absorption spectra in red fluorescent proteins. Combined Quantum Mechanics and Molecular Mechanics (QM/MM) calculations are required to account for the interactions of the whole protein with the chromophore, and their importance will be proved. A combination of dynamics simulations and Excited-State Electronic Calculations (ESEC) has been proposed and both electrostatic and thermal effects have been revealed to be essential to correctly reproduce the experimental absorption spectra. Dealing with very common tools in multiscale modeling, a further step has been done designing a specific methodology that has confirmed that chromophores cannot be treated as rigid, isolated entities and, furthermore, has shed some light on the discussion of reactivity and proton wires in red fluorescent proteins mKeima and LSSmKate2. The next step has consisted of going beyond the Born-Oppenheimer approximation. We deal with the discussion of the existence of a Low-Barrier Hydrogen bond (LBHB) in the Photoactive Yellow Protein (PYP). An LBHB is essentially a quantum-mechanical phenomenon. It is a short hydrogen bond in which the energy barrier between reactants and products is low enough so that the vibrational function of the hydrogen atom may have its mean value at the position of the energy maximum. This implies that the atom must not be treated as a mass point, but as a delocalized wavefunction. To be able to figure out if there is or not such LBHB, and in which conditions, QM/MM energy surface calculations and dynamics simulations have had to be done, but anharmonical vibrational calculations have been needed as well. Finally, as for the GFP reactivity, more complicated methods are exposed. We undertake the study of the chemical reaction that causes the fluorescence in the GFP. To tackle this study, a quantum mechanical approach will be needed to treat the nuclei, and a new methodology to calculate probability flux will be presented. That is, we are going to find out the rate at which the wavepacket goes from reactants to products, and across which regions. Besides, a study of the excited-state reactivity that includes the electrostatic effects within a QM/MM scheme is proposed.

Los biosensores son elementos clave en el desarrollo de sistemas de diagnóstico in-vitro y permiten la fabricación de dispositivos biomédicos miniaturizados para un diagnóstico más rápido y fiable de muchas enfermedades. Con ellos se podrán analizar rápidamente analitos presentes en la sangre, orina, tejidos o saliva y nos informarán de la concentración de determinados componentes (biomarcadores, drogas, antibióticos, virus, etc). Los biosensores también pueden ser aplicados en otros campos, como la alimentación, agricultura, monitorización de procesos industriales y control medio ambiental. Por tanto, el desarrollo de biosensores de bajo coste, pequeños, sensibles y fáciles de usar, repercutirá en el control de enfermedades, la detección de elementos contaminados y toxinas, o la mejora de la producción y control de procesos. La tecnología de los biosensores consiste en sistemas compactos de análisis, compuestos de un elemento de reconocimiento biológico (ADN, anticuerpo, etc.) que detecta un analito (glucosa, antígeno, etc.) y un elemento transductor de esa detección que permite cuantificar la cantidad de analito. En este trabajo, se han producido biosensores electroquímicos explotando, por un lado, su miniaturización e integración en dispositivos Lab on a Chip (LOC) y, por otro lado, mejorando su sensibilidad mediante el uso de micro-nanomateriales que permiten obtener microsensores electroquímicos avanzados. De este modo, se ha desarrollado un sistema de detección electroquímica (SDE) portable que se integra en un dispositivo LOC. Este SDE se compone principalmente de un potenciostato y un cartucho microfluídico que contiene un sensor integrado. El funcionamiento de este dispositivo se ha demostrado principalmente en medidas de ADN. Los resultados obtenidos muestran que la respuesta y sensibilidad del potenciostato es comparable a la que se obtiene en un sistema comercial como el Autolab PGSTAT. Además, como la superficie de sensor no requiere de una modificación previa de la sonda de ADN, el dispositivo microfluídico desarrollado puede ser utilizado para detectar cualquier otro analito de interés, como se ha demostrado en las medidas de detección de ácido úrico en solución. La mejora en la sensibilidad de las medidas electroquímicas, se ha obtenido mediante el atrapamiento magnético de nanotubos de carbono (NTC) sobre la superficie del electrodo de trabajo del sensor usando partículas magnéticas (PMs). Esto permite, por un lado, la obtención rápida y sencilla de superficies nanoestructuradas que mejoran las prestaciones del electrodo y, por otro, sensar la superficie de las PMs de manera eficiente tras la captura del analito de interés de la solución. Este procedimiento de nanoestructuración, que ha resultado aplicable tanto a electrodos serigrafiados como de capa fina, se ha aplicado con éxito a ensayos de biosensado directo de moléculas electroactivas y no electroactivas, y de marcadores y dianas enzimáticos. En el primer caso, se ha realizado la detección de dopamina, obteniéndose un límite de detección (LOD) lo suficientemente sensible para realizar la estimación de la concentración de dopamina endógena en orina. En el segundo caso, para la detección de analitos no electroactivos (como anticuerpos y detergente), se han usado marcadores no enzimáticos (nanocristales de Cd y ferroceno). Para ello se ha ensayado tanto la detección en formato de sándwich como por “sombreado superficial”, un novedoso procedimiento de detección en que la captura de analito interfiere en la detección de un marcador previamente incorporado sobre las PM. Por último, se ha realizado el biosensado de marcadores enzimáticos (mieloperoxidasa). El LOD obtenido en estas medidas es suficientemente bajo para la aplicación del protocolo al estudio de muestras de suero sanguíneo. La combinación de las superficies nanoestructuradas y del SDE portable ha resultado en el desarrollo de un dispositivo LOC con electrodos nanoestructurados, para la detección sensible, rápida, portable y potencialmente automatizable de analitos. / Biosensors are key elements in the development of in-vitro diagnostic systems and they permit the fabrication of miniaturized biomedical devices which enable a faster and more reliable diagnostic of various diseases. These will facilitate a fast analysis of analytes present in blood, urine, membranes or saliva and will report the concentration of certain components (biomarkers, drugs, antibiotics, viruses, etc.). Biosensors can also be applied in other fields such as, food, agriculture, monitoring of industrial processes and environmental control. Therefore, the development of low cost, small, sensitive and easy to use biosensors will facilitate the control of diseases, the detection of pollutants and toxins, or the improvement in the production and control of industrial processes. Biosensors are often defined as compact analytical systems, containing a biological recognition element (DNA, antibodies, etc.) that detects a certain analyte (glucose, antigen, etc.) and a transducer that accomplishes the translation of the binding event into a measurable signal for analyte quantification. In this work, electrochemical biosensors have been developed taking advantage of the miniaturization and integration of Lab on a Chip (LOC) devices and of the improvement in sensitivity provided by the use of micro-nanomaterials that enable the production of advanced electrochemical microsensors. Thereby, a portable electrochemical detection system (EDS), which is integrated in a LOC device, has been developed. This EDS, consist of a potentiostat and a microfluidic cartridge with a sensor included in it. Here, the operation of this EDS has been mainly demonstrated for DNA measurements. The results obtained show that the response and sensitivity of the EDS are comparable to those obtained using a commercial potentiostat. Besides, since for DNA measurements, which were performed in solution, the sensor surface is not previously modified, this cartridge could be used for the detection of other analytes of clinical interest, as it is demonstrated for uric acid detection. With respect to the improvement in sensitivity obtained in the electrochemical measurements, this has been achieved by carbon nanotube (CNT) wiring of magnetic particles (MP) on the surface of the sensor’s working electrode. This enables, on the one hand, the simple and fast acquisition of nanostructured electrode surfaces of improved performance and, on the other hand, the efficient sensing of the MP surface after analyte capture and concentration from the solution. As it is shown in this work, this nanostructuration procedure is applicable to either screen printed or thin film electrodes. Furthermore, CNT wiring of the MP surface has been successfully applied to both the direct biosensing of electroactive and non electroactive molecules, and the enhanced detection of enzymatic markers and targets. In the first case, dopamine detection has been accomplished, obtaining a limit of detection (LOD) low enough to permit the estimation of endogenous dopamine concentration in urine. In the case of the detection of non electroactive analytes (such as antibodies and surfactant), non enzymatic markers have been used (Cd nanocrystals and ferrocene). For these detections, a sandwich assay and a novel detection assay format based on “surface-shadowing” have been exploited, respectively. This latter novel methodology consists in the capture of the analyte, which then interferes in subsequent CNT wiring and electrochemical detection of an electroactive marker that has been previously incorporated to the MP surface. At last, the biosensing of enzymatic targets (myeloperoxidase) has been performed. The LOD obtained in this case was lower than the numbers obtained without using CNT wiring and was appropriate for the study of human serum samples. The combination of nanostructured electrode surfaces and a portable EDS has resulted in the development of a LOC device with nanostructured electrodes, applicable to sensitive, fast, portable and potentially automatizable analyte detection.

En els últims anys, tant les metodologies de preparació de lligands de tipus carbè N-heterocíclic (NHCs) com l’aplicació d’aquests compostos en sistemes catalítics de diversa índole han crescut i millorat enormement. Més concretament, el desenvolupament de lligands d’aquesta família i la seva aplicació en reaccions d’ oxidació catalitzades per Ru és un dels camp d’alta efervescència amb resultats prometedors. Així doncs, un dels objectius d’aquesta Tesi Doctoral ha estat la síntesi i caracterització d’un nou conjunt de lligands híbrids N/C-donadors i l’avaluació del seu efecte en les propietats redox i en l’activitat catalítica en epoxidació d’olefines i oxidació d’aigua a oxigen molecular dels seus corresponents complexos de Ru. A més a més, i tenint en compte el baix nombre de complexos quirals de Ru formats per lligands de tipus NHC utilitzats en reaccions d’epoxidació asimètrica d’olefines, el segon objectius d’aquest Tesi Doctoral ha estat la introducció de quiralitat als complexos de Ru ja preparats durant la primera meitat de la tesi i l’avaluació de la capacitat dels complexos formats per a enantiodiferenciar substrats proquirals en reaccions d’epoxidació. Així doncs, al Capítol III d’aquesta tesi es descriu la síntesi i caracterització en solució (mitjançant RMN 1D i 2D) i en estat sòlid (difracció de Rajos-X) d’un nou lligand tetradentat dinucleant de tipus CNNC. Utilitzant aquets lligand, quatre nous complexos mononuclears de Ru amb fórmula: cis-[Ru(PhthaPz-R)(trpy)X]n+ (X = Cl, n = 1, X = H2O, n = 2; R = Metil, Isopropil; PhthaPz = 1-(1-methylimidazole)phthalene), [Ru(PhthaPz-R)(tpm)X]n+, (R = Methyl, tpm = Tris(pyrazol-1-yl)methane) and trans,fac-[Ru(PhthaP-R)(bpea)X]n+ (R = Metil, bpea = N,N-bis(pyridin-2-ylmethyl)ethanamine) anomenats respectivament C1-Cl/OH2, C2-Cl/OH2, C3-Cl/OH2 i C4-Cl/OH2 han estat preparats i caracteritzats mitjançant tècniques espectroscòpiques, electroquímiques i de difracció de Rajos-X (en el cas de C4-Cl). Seguidament, s’ha avaluat la capacitat catalítica dels quatre aqua-complexos d’oxidar químicament aigua a oxigen molecular i d’oxidar (química i electroquímicament) olefines a epòxids. El conjunt de complexos presenta una baixa estabilitat en actuar com a catalitzadors d’oxidació d’aigua, descomponent ràpidament a causa de l’oxidació dels lligands en el medi de reacció. Pel que fa a l’epoxidació d’olefines, es demostra amb claredat la superioritat en eficiència i selectivitat dels complexos que afavoreixen processos redox bielectrònics o “quasi”-bielectrònics (C1-OH2, C2-OH2 i C3-OH2) respecte als que els afavoreixen mono-electrònics (C4-OH2). La capacitat catalítica marcadament inferior de C3-OH2 s’atribueix a la potencial descomposició del lligand tpm en les condicions de reacció i/o al seu caràcter voluminós. Al capítol IV es prepara el lligand quiral [4,5]pinè-trpy (L2) per tal de reemplaçar el lligand trpy als complexos C1-OH2 i C2-OH2, generant-se i caracteritzant-se exhaustivament una nova família de complexos mononuclears de amb fórmula general: [RuII(PhthaPz-Ome)(L2)X]n+ (L2 correspon al lligand [4,5]pinè-trpy; X=Cl, n=1; X=OH2, n=2), C5-Cl/OH2. El complex C5-OH2 s’empra després de forma preliminar com a catalitzador d’epoxidació asimètrica d’estirè i cis-b-metilestirè en diclormetà, assolint-se valors vaixos d’enantioselectivitat (ee = 20%). Aquest resultat posa de manifest la capacitat de la combinació de lligands per a enantiodiferenciar substrats proquirals. Tot i això, la posició remota dels grups quirals de tipus pinè respecte al centre actiu de tipus Ru-O comporta l’obtenció de baixos valors d’excés enantiomèric. / The feasible preparation of N-heterocyclic carbenes (NHCs) together with the interesting properties of this compounds in very diverse catalytic systems has extraordinarily grown up during the last years. The development of ligands of this kind to be applied in Ru catalyzed oxidation reactions is one of the most encouraging research topics. Therefore, one of our aims in this Thesis has been the synthesis and characterization of a new set of hybrid N/C-donor ligands and the evaluation of their effect on the electrochemical properties and catalytic activity towards water oxidation and epoxidation of alkenes of their corresponding Ru complexes. In addition, since few Ru chiral complexes containing NHC ligands have been reported in the area of asymmetric alkene epoxidation catalyzed by organometallic compounds the second goal of this project has been the introduction of chirality to the Ru carbene complexes prepared in the first part of the Thesis and the study of the capacity of the obtained complexes in the enantioselective epoxidation of alkenes. In summary, In Chapter III a new dinucleating CNNC tetradentate ligand has been synthesized and thoroughly characterized in solution (1D and 2D NMR) and in the solid state (X-ray diffraction analysis). Four new Ru mononuclear complexes with general formula: cis-[Ru(PhthaPz-R)(trpy)X]n+ (X = Cl, n = 1, X = H2O, n = 2; R = Methyl, Isopropyl; PhthaPz = 1-(1-methylimidazole)phthalene), [Ru(PhthaPz-R)(tpm)X]n+, (R = Methyl, tpm = Tris(pyrazol-1-yl)methane) and trans,fac-[Ru(PhthaP-R)(bpea)X]n+ (R = Methyl, bpea = N,N-bis(pyridin-2-ylmethyl)ethanamine), respectively termed C1-Cl/OH2, C2-Cl/OH2, C3-Cl/OH2 and C4-Cl/OH2 have been thoroughly characterized in solution by means of spectroscopic (1D and 2D NMR and UV-vis) and electrochemical techniques (CV and DPV) and in the solid state (X-ray diffraction analysis) for the C4-Cl case. The catalytic performance of the four Ru-OH2 complexes has been analyzed with regards to the chemically driven water oxidation reaction and the chemically and electrochemically triggered epoxidation of alkenes. With regards to water oxidation, the four aqua complexes show poor stability due to ligand oxidation under the harsh reaction conditions. With regards to the epoxidation of alkenes, complexes favoring two-electronic processes (C1-OH2, C2-OH2 and C3-OH2) showed better performance and selectivity compared with those favoring mono-electronic processes (C4-OH2). The comparatively lower oxidation capacity of complex C3-OH2 potentially origins from the oxidative degradation of the tpm ligand under the conditions used or/and due to the high steric bulkiness of this facial ligand. In Chapter IV, the [4,5]pinene-trpy ligand (L2) has been prepared to replace trpy in complexes C1-OH2 and C2-OH2 and a new family of nononuclear complexes with general formula [RuII(PhthaPz-Ome)(L2)X]n+ (L2 is [4,5]pinene-trpy ligand; X=Cl, n=1; X=OH2, n=2), C5-Cl/OH2 have been prepared and fully characterized. C5-OH2 has been preliminary tested as a catalyst for the enantioselective epoxidation of styrene and cis-β-methylstyrene in dichloroethane giving low ee values of about 20%. This result demonstrates the capacity of the ligand combination to enantiodifferentiate prochiral substrates. However, the remote position of the chiral pinene moieties with regard to the Ru-O active site is probably responsible for the low ee values observed

Para contribuir al creciente requerimiento de una caracterización rigurosa de los materiales utilizados en el campo de nanotoxicología, el estudio de los problemas de toxicidad y seguridad de los nanomateriales, esta tesis tiene como objetivo describir la evolución de la identidad de las nanopartículas (capítulos 2 y 3), centrándose en la plata, un material muy comercializado, cuando se expone a entornos biológicos. Esta identidad completa puede ser el resultado de procesos individuales, incluyendo la agregación, la aglomeración, la adsorción de proteínas (o biomoléculas), la corrosión y la disolución, o todos ellos a la vez. La reactividad química de las nanopartículas, lo que hace de ellas unos materiales muy útiles para muchos productos, puede ser, al mismo tiempo, motivo de preocupación sobre el efecto nocivo para la salud. Esta preocupación puede ser abordada mediante el aumento de la persistencia de las nanopartículas. Sin embargo, también hay que considerar la posibilidad de perder la reactividad deseada debido al aumento de la persistencia. Por lo tanto, es importante controlar y equilibrar estas dos propiedades. En tales circunstancias, esta tesis también tiene como objetivo investigar la reactividad química y la persistencia de las nanopartículas de plata (AgNPS) en medios biológicos, así como el modo de controlarlas. En particular, la disolución de las AgNPs con diferentes propiedades de superficie se ha estudiado en medios de cultivo celular completos y se han identificado y cuantificado las especies generadas debido a este proceso (capítulo 3). A continuación, se ha trabajado en el control de la reactividad química de las AgNPs utilizando diferentes enfoques, incluyendo la pasivación de la superficie, conduciendo el equilibrio y estructuras core-shell (capítulos 3 y 4). Además, la correlación de los comportamientos de las nanopartículas en ambientes biológicos con su correspondiente respuesta biológica es crucial para comprender mejor el mecanismo de respuesta. Gracias a estancias cortas en diferentes laboratorios de biología, también han sido exploradas otras consideraciones respecto a la determinación de los efectos tóxicos tales como citotoxicidad, inmunotoxicidad y ecotoxicidad (capítulo 5). / Contributing to an increasing requirement of strict material characterization in the field of nanotoxicology, the study of toxicity and safety issues of nanomaterials, this thesis dissertation aims at describing the evolution of the identity of nanoparticles (chapters 2 and 3), focusing on silver, a highly commercialized material, when they are exposed to biological environments. This complete identity can be a result of individual processes including aggregation, agglomeration, protein (or biomolecule) adsorption, corrosion and dissolution or mixtures of them. Chemical reactivity of nanoparticles, which make them useful for many products, may, at the same time, cause concern about adverse health effect. This concern can be solved by increasing the persistence of the nanoparticles. However, the possibility to lose the desired reactivity due to increased persistency should also be considered. Hence, it is important to control and balance these two properties. In such circumstances, this thesis also aims to investigate the chemical reactivity and persistency of silver nanoparticles (AgNPs) in biological media as well as how to control them. Particularly, dissolution of AgNPs with different surface properties has been studied in complete cell culture media and the generated species due to this process have been identified and quantified (chapter 3). Then, chemical reactivity of AgNPs has been tuned using different approaches including surface passivation, equilibrium driving and core-shell structures (chapters 3 and 4). Additionally, correlating the behaviors of nanoparticles in biological environments with their corresponding biological response is crucial to better understand the response mechanism. Thankful to short visits to different biology laboratory, various considerations in determining toxic effects (cytotoxicity, immunotoxicity and ecotoxicity) have been explored (chapter 5).

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.

En la presente tesis doctoral se ha estudiado la producción de hidrógeno por fotocatálisis heterogénea a partir de soluciones acuosas de compuestos orgánicos con el fin de simultanear en un mismo proceso la producción de energía y la degradación de dichos contaminantes orgánicos. La importancia de este tipo de tecnología es que permite, a partir de recursos renovables como la luz solar y la biomasa, obtener energías limpias y a su vez disminuir el grado de contaminación de las aguas empleadas. En este sentido, se han examinado los siguientes sistemas fotocatalíticos con vistas a mejorar la eficiencia fotocatalítica a nivel de laboratorio: TiO2 dopado con nitrógeno, un composite formado por CdS y WO3 y por último, un composite de CdS y ZnS. Posteriormente, las configuraciones que han mostrado una mejor eficiencia fueron probadas a escala de planta piloto. Asimismo, se han utilizado distintas técnicas de caracterización para determinar las propiedades físico-químicas de los materiales preparados, tales como análisis elemental, estructural, textural, óptico, superficial y morfológico. Con la información obtenida en los estudios de caracterización se ha intentado establecer una correlación entre las propiedades de los catalizadores y la actividad fotocatalítica observada en los experimentos de generación de H2. En general, se evidenció que fue posible llevar a cabo, simultáneamente, la generación fotocatalítica de H2 y la mineralización parcial de ácido fórmico y agua residual municipal real. La mayor eficiencia fotocatalítica, bajo irradiación visible, se obtuvo con el composite de Pt/(CdS/ZnS) (composite obtenido a partir de la precipitación de CdS sobre partículas de ZnS con posterior platinización) para las siguientes condiciones experimentales optimizadas: razón molar de CdS:ZnS 1:1, temperatura de sinterización 700˚C, 3 g·L-1 de catalizador, ácido fórmico 0,05 M, y pH 3,75. / In this thesis the hydrogen production by heterogeneous photocatalysis from aqueous solutions of organic compounds has been studied with the aim of combining of energy production and degradation of these organic pollutants, in the same process. The importance of this technology is that it allows, from renewable resources such as solar and biomass, to get clean energy and in turn decrease the degree of contamination of water used. In this sense, the following photocatalytic systems have been examined in order to improve the photocatalytic efficiency in the laboratory: TiO2 doped with nitrogen, a composite of CdS and WO3 and finally, a composite of CdS and ZnS. Subsequently, the catalysts that have exhibited better efficiency were tested at pilot-plant scale. Also, various techniques have been used to characterize physicochemical properties of the prepared samples, such as elemental analysis, structural, textural, optical, and surface morphology. The results of the characterization studies have facilitated to establish a correlation between the properties of the catalysts and photocatalytic activity observed in photocatalytic H2 generation experiments. In general, it has been found that it was possible to carry out, simultaneously, the photocatalytic H2 generation and partial mineralization of different sacrificial agents, i.e. formic acid and municipal wastewater. The best photocatalytic efficiency, under visible irradiation, was obtained with Pt/(CdS/ZnS) composite for the following optimized experimental conditions: ratio CdS:ZnS 1:1, sintering temperature 700°C, 3 g·L-1 of catalyst, 0.05 M formic acid, and pH 3.75.

La tasca investigadora realitzada, i recollida en la present Tesi Doctoral, és el resultat de l'estudi i caracterització de l'especificitat metàl·lica, vers Zn(II), Cu(I) i Cd(II), de diferents metal·lotioneïnes i de l'anàlisi dels factors que poden determinar aquesta especificitat. El conjunt de proteïnes estudiades el componen principalment isoformes d’MTs de mol·luscs: els cargols terrestres H.pomatia i C.aspersum i el barretet marí M.crenulata. L’estudi de les propietats coordinants d’aquestes proteïnes ha fet possible establir l'existència, en els dos cargols, d’una isoforma d’MT amb una clara preferència per Cd(II) i d’altres per Cu(I), podent relacionar aquest comportament amb el rol fisiològic d’aquestes proteïnes (destoxicació de cadmi i homeòstasi de coure, respectivament). En canvi, M.crenulata té una única MT, McMT, que no presenta una clara especificitat per Zn(II), Cd(II) o Cu(I), podent participar en ambdós tipus de processos fisiològics. L'estudi conjunt de les diferents MTs ha permès concloure que proteïnes similars (contingut en cisteïnes i la seva posició relativa dins la cadena peptídica) poden presentar especificitats metàl·liques molt diferents, sent els aminoàcids no coordinants els responsables d’aquesta diversitat. S’han estudiat també altres MTs: de B.floridae (amfiox) i de D.melanogaster (mosca). L’amfiox, considerat un organisme model en l’estudi del llinatge evolutiu dels vertebrats, ha estat àmpliament estudiat a nivell genòmic i proteic, però fins el moment es desconeixia l’existència d‘MTs. La descripció del seu genoma complert va permetre identificar dues isoformes d’MT (BfMT1 i BfMT2), que posteriorment varem produir recombinantment. L’estudi de les característiques coordinants d’aquestes dues proteïnes ha permès establir que BfMT1 presenta una certa especificitat per enllaçar Cu(I) mentre que BfMT2 mostra una major especificitat metàl·lica per Zn(II) i Cd(II), fets que concorden amb el comportament observat a nivell genòmic dels seus respectius gens. D’altra banda, en Drosophila havíem descrit i estudiat 4 isoformes d’MT, totes elles amb una clara preferència per Cu(I). En aquest treball s’ha estudiat una cinquena MT, MtnE, descoberta recentment. Els resultats obtinguts indiquen que MtnE és la isoforma amb menor especificitat per Cu(I) del conjunt d’MTs de D.melanogaster, amb un lloc de coordinació particular per Zn(II). Addicionalment, s’ha utilitzat l’acoblament d’un sistema cromatogràfic (size exclusion- HPLC) amb diferents tipus de detecció (UV-Vis, ESI-MS i ICP-MS) per estudiar l’evolució amb el temps d’algunes preparacions d’MTs, aquelles riques en lligands sulfur. Els resultats han permès observar el creixement i compactació dels agregats CdxSy-MT de les preparacions inicials obtingudes in vivo. Finalment s'han determinat els paràmetres termodinàmics associats a la reacció de bescanvi de Zn(II) per Cd(II) en diverses MTs mitjançant la tècnica d'ITC (Isothermal Titration Calorimetry). Aquest estudi ha permès establir en les MTs estudiades una relació entre els valors calculats de les constants d’afinitat i l’especificitat metàl·lica vers ions metàl·lics divalents i monovalents. / The research work embodied in this PhD Thesis is the result of the study and characterization of the metal specificity, towards Zn (II), Cu (I) and Cd (II), of different metallothioneins and of the analysis of the factors that could determine this specificity. The set of studied proteins is mainly composed by mollusc MT isoforms: the terrestrial snails H.pomatia and C.aspersum and the keyhole limpet M.crenulata. The study of the coordination properties of these proteins allowed to establish the existence, in both snails, of an MT isoform with a clear preference for Cd(II) and others to Cu(I), which correlates with their physiological role (cadminun detoxification and copper homeostasis, respectively). In contrast, M.crenulata has only one MT, McMT, which does not show any clear specificity for Zn(II), Cd(II) nor Cu(I), being able to participate in both type of physiological processes. The comparison of the behaviour of these different MTs allowed to conclude that similar proteins (in terms of cysteine content and their relative position in the peptide chain) can exhibit very different metal specificities, being the non-coordinating aminoacids responsible for this diversity. Others MTs have also been studied: from B.floridae (amphioxus) and D.melanogaster (fly). Amphioxus, which is considered a model organism for the study of the vertebrates's evolutive lineage, has been extensively studied at genomic and protein level, but until now the existence of MTs was not described. The report of its complete genome allowed to identify two MT isoforms (BfMT1 and BfMT2), which were recombinantly produced in our labs. The study of their coordinating abilities allowed to observe that BfMT1 shows some specificity to bind Cu(I) while BfMT2 shows greater specificity towards Zn(II) and Cd(II). This is consistent with the behavior at genomic level their respective genes. Already described and studied four MT isoforms in Drosophila, all of them exhibiting a clear preference for Cu(I). In this work we have studied a fifth MT, MtnE, recently discovered. The results obtained indicate that MtnE is the isoform with the lowest specificity for Cu(I) among the set of D.melanogaster MTs, embracing a particular coordination for Zn(II). Additionally, the coupling of a chromatographic system (size-exclusion HPLC) with different detection techniques (UV-Vis, ESI-MS and ICP-MS) was carried out in order to study the time evolution of some MTs preparations, those rich in sulfide ligands. The results allowed to observe the growth and compactation of the CdxSy-MT aggregates formed in vivo. Finally, the thermodynamic parameters related with the Zn(II) for Cd(II) replacement process in various MTs have been determined by means of ITC (Isothermal Titration Calorimetry). This has allowed to establish a relationship between the calculated values of the affinity constants of the studied MTs and their metal specificity towards monovalent and divalent metal ions.