Tesi realitzada a l'Institut de Recerca Energètica de Catalunya (IREC) / Bona part dels processos naturals i de les activitats humanes impliquen processos de transferència d’energia, que en part, o en la seva totalitat es dissipen en el medi. L’aprofitament de l’energia residual present en l’ambient (Energy harvesting), principalment en forma tèrmica, cinètica o solar, per produir energia elèctrica constitueix una fita rellevant per assolir sistemes plenament autònoms. Les energies residuals del medi, són fonts d’energia que fluctuen en el temps, si no es poden aprofitar al moment es perden, per aquest motiu, els sistemes per emmagatzemar l’energia elèctrica produïda tenen una gran importància a l’hora de garantir el funcionament d’un sistema plenament autònom. En aquest treball s’ha proposat: 1.-Estudiar els sistemes de captació i conversió d’energia residual a elèctrica basats en propietats funcionals, essencialment focalitzades per captació d’energia tèrmica, mecànica i solar, obtingudes en materials nano estructurats, processats per fabricar, utilitzant tecnologies d’obtenció de dispositius multicapes, sistemes compatibles amb la seva integració en sistemes portables. 2.-Desenvolupar un nou sistema d’emmagatzematge elèctric basats en tecnologies de capa prima i compatible amb els sistemes de captació i conversió a energia elèctrica que es desenvoluparan, es proposa el disseny i fabricació de prototips funcionals de supercondensadors com a substituts de les bateries convencionals. 3.-Desenvolupar aplicacions portables, incloent-hi el seu control i les associades comunicacions, centrades en aquelles integrables en sistemes personals, especialment en la vestimenta de persones, tanmateix el sistema ha de permetre la mesura continuada de paràmetres mediambientals. 4.-Realitzar proves de camp per la validació dels prototipus per ambients i entorns intel·ligents / Most of natural phenomena and today´s society-induced routine operations involve energy transfer processes in which part of the energy, if not all, is irreversibly lost. Suitable methods to efficiently capture and convert this unused energy into electricity may have an important role for the development of a broad range of applications, i.e. battery replacement in miniaturized devices, autonomous robots, or sensors operating in remote. Energy storage is a critical question to obtain a complete autonomous system. In the present work a new storage system based in electrochemical double layer capacitor has been developed and tested in field applications. It’s has been used into smart sensor network with an efficient Energy management. Sunlight is the major source of renewable energy, a lot of efforts have been devoted to study and improve the energy conversion from sunlight to electric power, also, light and thermal from human activities constitute another source of unused power. Related to kinetic, environmental vibrations and/or motions caused by wind, high waters, waves, industrial and traffic activities, have been identified among the major sources of unused power. These sources constitute ideal inputs for piezoelectric materials which have the ability to convert mechanical energy into electrical energy with high conversion efficiency. Textile materials are commonly used in large-area industrial, engineering, architectural, clothes and transport applications, where they are subjected to large amounts of motion, vibration, torsion and strain. Thus, textiles appear as optimum structures to implement piezoelectric systems for large-area scavenging, storage and transmission of electric energy. This research looks to: 1. -Study the different parts involved in energy harvesting, looking for the applications of nanomaterials to manufacture the transducers and the energy storage devices. 2. -Design and develop a new energy storage systems based on electrochemical double layer capacitor (EDLC) related to the energy harvesting devices proposed. 3. -To develop a complete autonomous, low power network system as a proof of concept. 4. -Make field test with the prototypes developed in order to verify the technical feasibility of the energy harvesting system.

Tesi realitzada a l'Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC) / Bivalves living in large aggregations of individuals (reefs or beds), such as mussels, clams, cockles and some high trophic predators such as sea stars, play an essential ecological role in the structure, integrity, stability, and diversity of the biological communities; being usually considered as keystone species. Their disappearance or decline could lead to disproportionate effects in their communities, even affecting the survival of other species. Although keystone species are crucial for maintaining the Earth biodiversity, often their study has not taken enough attention. The main aim of this Doctoral Thesis was to study the ecology of some keystone invertebrates inhabiting shallow soft bottom communities of the Maresme coast (Northwestern Mediterranean Sea). The results enhance the knowledge of the smooth clam (Callista chione) and also of its potential predators, several species of sea stars (Astropecten spp.) co-occurring in the area. But at the same time, our findings help to understand their trophic interactions, the status of their populations and propose guidelines for their conservation. Maresme coast is close to Barcelona and it has concentrated historically a high anthropogenic pressure that has altered and modified its environment. Our results have showed the critical status of the smooth clam bed as a consequence of the combination of different human coastal uses: sand dredging and clam fisheries. These anthropogenic pressures have also led to significant changes in Astropecten populations. A. aranciacus has been shown to be the most vulnerable, and consequently the most affected, to the extent that its population suffers an important and worrying decline. Moreover, A. aranciacus reproductive cycle, growth and depth segregation between size classes along the continental shelf have been described for the first time. Our results have documented Astropecten species niche segregation, which allow them to co-occur within a biological community scale, without compete for the same available recourses. Sea stars showed a partitioning of the prey (species) and microhabitats in the Maresme coast. This Doctoral Thesis aims to provide a valuable background to improve the conservation of these keystone invertebrates, as well as to promote the sustainable exploitation of shellfish. / Els bivalves que viuen en grans agregacions d'individus, com ara algunes espècies de musclos, cloïsses i escopinyes; i alguns predadors que ocupen elevats nivells tròfics com ara les estrelles de mar juguen un paper fonamental en l'estructura, integritat, estabilitat i diversitat de les comunitats biològiques, sent habitualment considerats com espècies clau. La seva desaparició o declivi pot conduir a efectes desproporcionats sobre el conjunt de les comunitats on habiten, fins i tot afectant la supervivència d'altres espècies. Tot i que les espècies clau són essencials per mantenir la biodiversitat al planeta Terra, sovint no s'ha prestat prou atenció al seu estudi. El principal objectiu d'aquesta Tesi Doctoral ha estat l'estudi de l'ecologia d’algunes d’aquestes espècies clau que habiten els fons tous poc profunds de la costa del Maresme (nord-oest del Mar Mediterrani). Els resultats obtinguts milloren de manera significativa el coneixement de la població de petxinot de sang (Callista chione) i dels seus potencials depredadors, diferents espècies d'estrelles de mar (Astropecten spp.) que cohabiten a la zona. Al mateix temps ajuden a entendre les seves relacions tròfiques, l'estat de les seves poblacions i es proposen pautes per a la seva conservació. La costa del Maresme és molt propera a la ciutat Barcelona, i per això ha concentrat històricament una elevada pressió antropogènica que ha modificat i alterat el seu medi ambient. Els resultats d'aquesta Tesi Doctoral mostren com l'estat crític de la població de petxinot de sang (C. chione) és conseqüència de la combinació de diferents pressions antropogèniques: dragatges de sorres i la pesca de bivalves amb dragues. També s'ha observat que aquestes mateixes pressions han produït canvis significatius en les poblacions d'estrelles de mar Astropecten. A. aranciacus ha resultat ser l'estrella més vulnerable a aquestes pressions i en conseqüència ha estat la més afectada, veient-se la seva població disminuir a un ritme preocupant. A més, s'ha descrit per primera vegada la reproducció, el creixement i la segregació batimètrica per mida de A aranciacus. Els resultats obtinguts també mostren que les diferents espècies de Astropecten poden cohabitar per la segregació dels seus nínxols ecològics permeten-los no competir pels recursos disponibles (preses i hàbitat). Aquesta Tesi Doctoral pretén proporcionar un rerefons valuós per a millorar la conservació d'aquestes espècies clau, així com promoure l'explotació sostenible dels mol·luscs bivalves. / Los bivalvos que viven en grandes agregaciones de individuos, como por ejemplo algunas especies de mejillones, almejas y berberechos; y algunos predadores que ocupan elevados niveles tróficos como por ejemplo las estrellas de mar juegan un papel crucial en la estructura, integridad, estabilidad y diversidad de la comunidades biológicas, siendo habitualmente considerados como especies clave. Su desaparición o declive puede conducir a efectos desproporcionados sobre el conjunto de sus comunidades, incluso afectando la supervivencia de otras especies. Aunque las especies clave son esenciales para mantener la biodiversidad en el planeta Tierra, a menudo no se ha prestado suficiente atención a su estudio. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral fue el estudio de la ecología de algunas especies clave que habitan los fondos blandos y someros de la costa del Maresme (noroeste del Mar Mediterráneo). Los resultados obtenidos mejoran de forma significativa el conocimiento sobre la concha fina (Callista chione) y sus depredadores potenciales, distintas species de estrellas de mar del género Astropecten que cohabitan en la zona. Al mismo tiempo ayudan a entender sus relaciones tróficas, el estado de sus poblaciones y se proponen pautas para mejorar su conservación. La costa del Maresme se halla cerca de la ciudad Barcelona, y por ello ha concentrado históricamente una elevada presión antropogénica que ha modificado y alterado su medio ambiente. Los resultados de esta Tesis Doctoral muestran como el estado crítico de la población de concha fina (C. chione) es consecuencia de la combinación de distintas presiones antrópogenicas: dragados de arenas y pesquerías de moluscos bivalvos. También se ha observado que estas mismas presiones han producido cambios significativos en las poblaciones de estrellas de mar Astropecten. A. aranciacus ha resultado ser la estrella más vulnerable a dichas presiones y en consecuencia ha sido la más afectada, viéndose su población disminuir a un rito preocupante. Además, se ha descrito por primera vez la reproducción, el crecimiento y la segregación batimétrica por tallas de A. aranciacus. Los resultados documentados también muestran que las distintas especies de Astropecten pueden cohabitar por la segregación de sus nichos ecológicos permitíendoles no competir por los recursos disponibles (presas y hábitat). Esta Tesis Doctoral pretende proporcionar un trasfondo valioso para mejorar la conservación de estas especies clave, así como promover la explotación sostenible de los moluscos bivalvos.

Si vol consolidar-se com a explotació econòmicament i ecològicament sostenible, la piscicultura ha de deslligar-se de la pesca mitjançant la reducció del contingut de farina de peix als pinsos. Aquesta fita pot ser assolida ajustant la proporció de proteïna de la dieta als requeriments nutricionals dels peixos, o bé emprant fonts de proteïna vegetal. Per a optimitzar l'ús de la proteïna en dietes per a orada (Sparus aurata) es varen usar tres suplements alimentaris: el glutamat, la glutamina i la taurina. En orades alimentades a base de farina de peix, el glutamat i la glutamina són més eficaços que el midó millorant l'ús de la proteïna ingerida per a creixement. La inclusió d'un 4% de glutamat en dieta a base de farina de peix o proteïna vegetal millora la retenció proteica en promoure l'activitat glucolítica al fetge de les orades. L'augment de la retenció proteica, conjuntament amb l'estimulació de la ingesta de pinso per part del glutamat, resulta en un major creixement en orades alimentades amb proteïna majoritàriament d'origen vegetal (el 90% de la proteïna de la dieta). Els nostres resultats de creixement i eficiència alimentaria assenyalen a la taurina com a nutrient essencial en dietes amb una elevada o total substitució de farina de peix per proteïna d'origen vegetal. En base al creixement, orades alimentades amb proteïna majoritàriament vegetal requereixen una inclusió de taurina en dieta d'entre el 0.52 i el 0.91%. En base a l'eficiència alimentària, aquest requeriment seria del 0.93%. La suplementació d'un 1% de taurina millora el creixement d'orades alimentades amb pinso a base de proteïna vegetal. Aquest increment del creixement deriva de l'estimulació de la ingesta de pinso i la millora de l'eficiència alimentària. La taurina també millora la digestibilitat del fòsfor de les dietes vegetals i, per tant, la ingesta de fòsfor digerible per part de les orades. A nivell metabòlic, la taurina incrementa l'activitat glucoquinasa al fetge de les orades alimentades amb dietes vegetals, alhora que disminueix la glucèmia. La taurina promou la lipòlisi en orada atès que en redueix la proporció de greix corporal. La presència en la dieta d'un 10% de proteïna procedent de farina contraresta l'acció lipolítica de la taurina, alhora que accentua els beneficis de la taurina sobre el creixement i l'eficiència alimentària. La inclusió d'un 6.5-6.6% d'hidrolitzat de proteïna de soja a la dieta afavoreix una major absorció de nutrients i millora el creixement d'orades alimentades amb proteïna exclusivament vegetal. En conclusió, segons els nostres resultats, el glutamat i la taurina representen dos additiu alimentaris de gran valor per a la substitució de farina de peix per proteïnes d'origen vegetal i carbohidrats en dietes per a orada. / To be economic and ecologically viable, fish farming must be freed from it its dependence on fish meal. This goal can be achieved either by adjusting dietary protein content to fish nutritional requirements or by replacing fish meal by plant proteins. In order to optimize protein utilization in gilthead sea bream (Sparus aurata) we tested three different feed additives: glutamate, glutamine and taurine. In gilthead sea bream fed on fish meal-based diets, glutamate and glutamine are more effective than starch improving dietary protein utilization for growth. The supplementation of 4% glutamate in diet based on fish meal or plant protein improves protein retention through the promotion of glycolysis in the liver of gilthead sea bream. Protein retention improvement, together with the stimulation of feed intake by glutamate supplementation, results in higher growth rates in fish fed on plant protein sources. Our results point to taurine as an essential nutrient to be included in diets with high or total fish meal replacement. On a growth basis, the optimal dietary taurine supplementation of gilthead sea bream is 0.52-0.91%. On a feed efficiency basis, gilthead sea bream have a dietary taurine requirement of 0.93%. The supplementation of 1% taurine improved the growth of sea bream fed on plant-based diets. This growth promotion is due to feed intake stimulation and the improvement of feed efficiency. Taurine also increases phosphorous digestibility in plant-based diets. At a metabolic level, taurine up-regulates glucokinase activity and decreases glycemia. Taurine also promotes lipolysis since it reduces the body fat content of gilthead sea bream. The presence of 10% dietary protein coming from fish meal counteracts taurine lipolytic action, but accentuates taurine benefits on fish growth and feed efficiency. The inclusion of 6.5-6.6% soy protein hydrolysate in plant-based diet leads to a higher nutrient absorption and increases fish growth. In sum, according to our results, glutamate and taurine are two useful feed additives for fish meal replacement with plant protein sources and carbohydrates in diets for gilthead sea bream.

La hipótesis general de este trabajo se basa en que un protocolo de hipoxia hipobárica intermitente (IHH) combinada con ejercicio aeróbico ligero en normoxia, puede tener un efecto beneficioso en la regeneración de musculatura esquelética dañada y contribuir a una recuperación más rápida en este tipo de lesiones. Sin embargo, el conocido efecto hematopoyético de la exposición a hipoxia y del ejercicio, y el consiguiente aumento de hematocrito, podrían afectar a la dinámica del aporte de oxígeno a los tejidos, por lo que se hace necesario conocer y estudiar los potenciales efectos de estos tratamientos sobre la hematología y la reología sanguínea. Además, se ha dedicado especial atención a la presencia de células madre circulantes (CD34+) y a la población de “side population” (SP) en médula ósea para obtener evidencias de su posible incidencia en la recuperación de la lesión muscular. El núcleo fundamental de esta tesis doctoral está compuesto por dos estudios que tienen como objetivos: 1. Determinar si la respuesta hematopoyética durante un programa IHH, podría provocar alteraciones en el comportamiento hemorreológico, generando efectos negativos en el suministro de oxígeno a los tejidos. 2. Cuantificar y contrastar los efectos de la IHH y el ejercicio en el aumento del número de células progenitoras en la circulación sanguínea periférica. 3. Determinar los efectos de la IHH combinada o no con el ejercicio aeróbico ligero en normoxia, genera cambios en la presencia de SP. 4. Establecer la dinámica temporal en las modificaciones de la concentración de células madre CD34+ y SP en los diferentes grupos de animales, según las diferentes condiciones experimentales. La muestra se obtuvo de ratas Sprague-Dawley que fueron estudiadas en dos estados basales (no entrenadas y entrenadas) y comparadas durante la fase de recuperación de una lesión por contracción excéntrica repetida (inducida a ratas entrenadas) los días 1, 3, 7 y 14 posteriores a la lesión muscular. Los tres grupos experimentales estudiados durante la recuperación de sus lesiones musculares fueron: ratas con recuperación pasiva (CTRL); ratas expuestas a IHH después del daño muscular (HYP); y ratas entrenadas que además de IHH, realizaron sesiones de ejercicio aeróbico ligero (EHYP). Los resultados obtenidos en los estudios, nos permiten extraer las siguientes conclusiones: 1. Después de dos semanas de tratamiento, la IHH en combinación con ejercicio aeróbico ligero en normoxia, muestra parámetros hemorreológicos alterados en comparación a las demás condiciones experimentales. 2. Aunque la respuesta eritropoyética provocada por la exposición IHH tiende a aumentar la viscosidad de la sangre en el grupo EHYP, otros parámetros microrreológicos tales como mayor elasticidad y menor tiempo de relajación pueden contribuir a compensar este aumento. 3. Los ajustes compensatorios reológicos pueden considerarse como positivos desde un punto de vista funcional, pues contribuyen a mantener la microcirculación normal y un suministro adecuado de oxígeno, nutrientes y agentes químicos a los tejidos durante su proceso de reparación después de daño sufrido en el músculo esquelético. 4. La tinción DyeCycle Violet se retiene selectivamente para las células CD34+, que permite la discriminación de los dos subconjuntos de células, denominadas internamente como CD34+/DCVhigh y CD34+/DCVlow, debido a una intensidad más brillante o atenuada de la tinción. 5. En el séptimo día de la recuperación después de una lesión muscular, el grupo EHYP aumentó claramente el número de progenitores CD34+/CD45neg y CD34+/CD45+. 6. El grupo HYP aunque no muestra un aumento en células progenitoras después de la lesión muscular, es altamente sensible a la expresión de células SP las primeras horas de exposición. 7. La exposición a IHH parece ser decisiva en la expresión de la población SP, aunque el estímulo inducido por el ejercicio mostró un efecto inverso sobre su cinética. / The general hypothesis of this PhD dissertation document is based on the possible favorable effects of a protocol of intermittent hypobaric hypoxia (IHH) combined with light aerobic exercise in normoxia. We have tested if such IHH program can elicit a beneficial effect on the regeneration of skeletal muscle damage and contribute to a faster recovery in this type of injury. However, the well-known hematopoietic action of hypoxia exposure and exercise can alter the erythrocyte mass and even the circulatory dynamic at microcirculatory level. We have focused on the rheological properties of blood, presence of circulating stem cells and the dynamics of bone marrow side population (SP) cells. The core of this thesis is composed by two main studies whose general objective are: 1. To determine if the erythropoietic response elicited by intermittent hypobaric hypoxia exposure can alter blood rheology and thus affect in any way the oxygen delivery to tissues. 2. To outline if the IHH exposure can help to increase the number of peripheral blood circulating progenitor cells (CD34+) and bone marrow side population stem cells, in order to establish the usefulness of this intervention for skeletal muscle repair. Male Sprague-Dawley rats were studied in two basal states: untrained and trained and compared with trained rats that suffered skeletal muscle injury (down-hill running until exhaustion) at four stages (1, 3, 7 and 14 days) during damage recovery. Three experimental groups of wounded trained rats were studied: rats with passive recovery (CTRL); rats exposed to IHH after muscle damage (HYP); and, rats that, in addition to IHH, performed light aerobic exercise sessions (EHYP). The results obtained in this thesis allow us to conclude that the IHH in combination with light aerobic exercise in normoxia showed a higher erythropoietic effect, but without threatening the perfusion of damaged muscle because advantageous hemorheological adjustments. DyeCycle® Violet staining is selectively retained into CD34 + cells, thus allowing to the discrimination of two subsets of cells, internally referred as CD34+/DCVhigh and CD34+/DCVlow cells. Finally, IHH in combination with light aerobic exercise increased the number of CD34+/CD45neg and CD34+/CD45+ cells on the 7th day in EHYP group, although the exercise-induced stimulus showed a reverse effect on SP kinetics.

Tesi realitzada conjuntament amb la "Aarhus University, Institute of Bioscience" / The páramo is a high mountain ecosystem that includes the natural and semi-natural habitats located between the montane treeline and the permanent snowline in the humid Northern Andes. Given its recent origin and continental insularity among tropical lowlands, the páramo evolved as a biodiversity hotspot, with a vascular flora of more than 3400 species and high endemism. Moreover, the páramo provides many ecosystem services for human populations, essentially water supply and carbon storage. Anthropogenic activities, mostly agriculture and pasture practices, as well as climate change are major threats for the páramo’s ecological integrity. Consequently, further scientific research and conservation strategies must be oriented towards this unique region. Botanical and ecological knowledge on the páramo is extensive but heterogeneous. Moreover, most research studies and management strategies are carried out at local to national scale and given the vast extension of the páramo, regional studies are also needed. The principal limitation for regional páramo studies is the lack of a substantial source of good quality botanical data covering the entire region and freely accessible. To meet the needs for a regional data source, we created VegPáramo, a floristic and vegetation database containing 3000 vegetation plots sampled with the phytosociological method throughout the páramo region and proceeding from the existing literature and our fieldwork. We made VegPáramo accessible online through a webportal, www.vegparamo.com, from which the data can be freely consulted and downloaded. We then used the VegPáramo data to conduct a regional vegetation classification of the páramo. We used a clustering technique and classified the region into 17 clusters, 14 representing natural phytogeographical units of one or several plant communities and 3 artificial ensembles. We characterized the 17 clusters and estimated the alpha diversity and beta diversity to highlight species richness and floristic similarities. Our last study focused on the plant diversity patterns in the páramo region. We used the VegPáramo data and our classification results to estimate and compare plant diversity at local and regional scale in the altitudinal belts of the páramo. We evaluated the importance of the environment as driver of species richness using regression models. Finally, we modeled the predicted species richness in the páramo region and highlighted biodiversity hotspots. Our project contributes to a better understanding of the páramo biogeography and makes primarily suggestions for conservation. We believe further research should focus on the impacts of climate change on the páramo flora and vegetation. / La región biogeográfica que incluye los ecosistemas naturales y semi-naturales de alta montaña distribuidos entre el bosque montano y las nieves perpetuas en los Andes del Norte recibe el nombre de páramo, el cual es considerado un hotspot de biodiversidad, con más de 3.400 especies de plantas vasculares y un alto grado de endemismo. La gran biodiversidad del páramo se debe en gran parte a su reciente origen y a su insularidad continental. Los páramos proporcionan muchos servicios ecológicos a las poblaciones humanas, sobretodo en el subministro de agua y el secuestro de carbono. Las actividades antrópicas como la agricultura y el pastoreo, y el cambio climático son las principales amenazas para el equilibrio ecológico del ecosistema. Consecuentemente, es imprescindible aumentar nuestro conocimiento científico y proponer nuevas estrategias de gestión y de conservación. La mayoría de estudios botánicos y ecológicos sobre el páramo, al igual que los planes de gestión, se desarrollan desde escala local hasta nacional. Aunque estos estudios son aportaciones de gran valor científico, también es importante considerar el ecosistema en toda su extensión para obtener unos resultados y patrones válidos en la región biogeográfica. Los estudios regionales sobre la biogeografía de plantas en el páramo son muy escasos, siendo las principales limitaciones la dificultad de establecer colaboraciones científicas y de gestión internacionales y la falta de fuentes de datos biológicos de buena calidad y de libre acceso. Consecuentemente, construimos VegPáramo, una base de datos de flora y vegetación para el páramo andino, que contiene 3.000 inventarios de vegetación muestreados con el método fitosociológico en la región, y que proceden tanto de la literatura como de nuestro trabajo de campo. Creamos un portal web para VegPáramo, www.vegparamo.com, a partir del cual se pueden consultar y descargar los datos libremente. Usamos los datos de VegPáramo para clasificar la vegetación de páramo a nivel de la región. Con una metodología de clustering no-jerárquico, clasificamos el páramo en 17grupos (o clusters) de los cuales 14 representan a unidades fitogeográficas naturales conteniendo una o varias comunidades vegetales y 3 son artificiales. Caracterizamos los 17 grupos por su flora diagnóstica y los comparamos a nivel de diversidad alpha y beta. Finalmente, usamos los datos de VegPáramo y los resultados de nuestra clasificación para estimar y comparar la diversidad de plantas a escala local y regional en los pisos altitudinales del páramo con el objetivo de destacar y entender los principales patrones de riqueza florística en la región. Evaluamos el poder explicativo del ambiente en la riqueza florística mediante modelos de regresión. Finalmente, modelamos la riqueza florística potencial en la región y destacamos unos hotspots de biodiversidad. Nuestro proyecto contribuye a entender mejor el páramo como región biogeográfica y propone primeras sugerencias de áreas concretas para la conservación. Pensamos que los esfuerzos futuros de investigación y de gestión deberían enfocarse particularmente en los impactos del cambio climático sobre la flora y la vegetación del páramo.

Tesi realitzada a l'Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC) / El principal objetivo de la presente tesis es la obtención de espumas de quitosano mediante la utilización de emulsiones altamente concentradas de tipo aceite en agua (O/W). Para alcanzar dicho objetivo, este trabajo ha requerido la realización de diversas fases: (a) la selección del sistema tensioactivo mediante el estudio del comportamiento fásico, (b) la preparación de emulsiones altamente concentradas de tipo aceite en agua (O/W) en presencia de quitosano en la fase externa, (c) el estudio de la influencia de distintos parámetros en el tamaño de gota de las emulsiones, (d) la obtención y caracterización de las espumas de quitosano estudiando sus propiedades estructurales, (e) la preparación y caracterización de nanofilms de quitosano entrecruzado como sistema modelo para el estudio de la respuesta al pH y (f) el estudio de la posible aplicación de las espumas de quitosano en la eliminación de colorantes. Los tensioactivos seleccionados para la preparación de las emulsiones fueron dos tensiactivos hidrófilos, Synperonic A7 y Pluronic® P123. Ambos tensioactivos se caracterizaron por poseer un variado comportamiento fásico, formando diferentes estructuras tensioactivas. A continuación, las emulsiones se caracterizaron mediante microscopía óptica para estudiar la variación del tamaño de gota en función del tiempo. Así, se determinó su estabilidad y la influencia sobre el tamaño de gota de la incorporación de quitosano, la variación de la concentración de tensioactivo y la velocidad de agitación durante la emulsificación. Dicho estudio se realizó durante 72 h a 40 ºC, condiciones utilizadas posteriormente para la obtención de las espumas de quitosano. La incorporación de quitosano produjo una reducción del tamaño de gota, efecto atribuido al incremento de la viscosidad de la fase continua de las emulsiones, debido al aumento de la cizalla durante la emulsificación. Dicho efecto podría mostrar un valor de diámetro mínimo, como indicaron los resultados con el tensioactivo Pluronic® P123. Este estudio también reflejó que las emulsiones presentaban un leve proceso de coalescencia y maduración de Ostwald, producidos de forma simultánea. La caracterización de estos sistemas mediante reología indicó un aumento importante del módulo elástico (G’LVR) con la incorporación de quitosano y el incremento de la concentración de tensioactivo que da lugar a estructuras de cristal líquido. El ligero proceso de coalescencia observado, produjo una reducción del módulo elástico en función del tiempo. No obstante, las emulsiones se consideraron suficientemente estables para ser utilizadas en la preparación de espumas de quitosano. El quitosano fue entrecruzado con un reactivo natural, la genipina. La caracterización del proceso de entrecruzamiento mediante reología demostró que éste podía considerarse finalizado a tiempos inferiores a 48 h. Las espumas de quitosano obtenidas presentaban una estructura macroporosa, con poros entre 200 y 500 nm y valores de superficie específica entre 25 y 63 m2/g. Finalmente, se estudió la respuesta al pH de nanofilms de quitosano como sistema modelo. Éstos mostraron respuesta al pH, con hinchamiento a pH ácido y encogimiento a pH básico, los cuales se podrían considerar reversibles. Se aplicaron entonces las espumas de quitosano como sistemas de adsorción de colorantes. La baja capacidad de adsorción presentada (~ 0,03 g colorante/g material) se atribuyó al alto entrecruzamiento de los materiales. La utilización de tensioactivos aceptados por la FDA (Food and Drug Administration), como el Pluronic® P123, junto con una reducción del grado de entrecruzamiento del quitosano para aumentar su capacidad de adsorción, podrían dar lugar a sistemas potencialmente aplicables en diversos sectores como en tratamiento de aguas residuales, industria cosmética, farmacéutica o médica. / The main objective of the present thesis is the preparation of chitosan foams using an emulsion-templating technique. For this purpose, different stages were accomplished: (a) selection of surfactant systems by the study of phase behaviour, (b) preparation of oil-in-water highly concentrated emulsions with chitosan in the external phase, (c) determination of the influence of different parameters in the emulsion droplet size, (d) preparation and characterization of chitosan foams, (e) study of the pH response of chitosan nanofilms and (f) evaluation of chitosan foams in dye removal. Chitosan incorporation produced a droplet size reduction that was attributed to the increase of the viscosity in the continuous phase, which produced a shear increase during the emulsification. These results could demonstrate the presence of a minimum droplet size value through increasing viscosity. The variation of droplet size also showed weak coalescence and Ostwald ripening processes, which took place simultaneously. The rheological characterization of these systems presented an important increase of elastic modulus (G’LVR) due to the chitosan incorporation and the surfactant concentration increase, which gave rise to the formation of liquid crystalline structures. Also, a decrease of G’LVR was detected as a function of time due to the weak coalescence process detected. These emulsions could be considered appropriate and stable systems, to use them for the preparation of chitosan foams. Chitosan was crosslinked with a natural reagent, genipin. The characterization of the crosslinking process by rheology demonstrated that it is almost completed before 48 h. The chitosan foams showed a macroporous structure, with pore diameter below 500 nm and surface area values from 25 to 63 m2/g. Finally, the pH response of chitosan nanofilms was investigated and they showed swelling at acid pH and shrinkage at basic pH, which could be considered reversible. Then, chitosan foams were applied as adsorbents for dye removal. Low removal capacities were obtained (~ 0,03 g dye/g material), attributed to the high chitosan crosslinking. The proposal reduction of crosslinking could give rise to potentially applicable systems as wastewater treatment, cosmetic, pharmacological or healthcare industries.

Tesi realitzada a l'Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC) / El control integrat de plagues (IPM) és una estratègia respectuosa amb el medi ambient utilitzada per combatre les destructives plagues que anualment causen importants pèrdues econòmiques al sector agrícola, minimitzant l’ús de pesticides químics. L’aplicació de feromones pel control de plagues s’utilitza actualment amb èxit tot i que presenta algunes limitacions com el seu cost final més elevat que el dels pesticides biocides, una eficàcia garantida sols a nivells baixos d’infestació o la possible atracció de poblacions veïnes. Al llarg del present treball s’ha dut a terme l’obtenció de diversos compostos de tipus metilcetona i trifluorometilcetona anàlegs estructurals de la feromona sexual de diverses espècies d’arnes plaga, tots ells obtinguts amb un elevat rendiment global i una estereoselectivitat excel·lent. L’objectiu ha estat avaluar-ne el seu efecte antagonista i estudiar la seva aplicabilitat pel control de plagues com una alternativa a les pròpies feromones. Concretament, s’ha dut a terme la síntesi a escala multigram de la (10E,12E)-tetradeca-10,12-dien-2-ona (1), anàleg estructural de la feromona sexual de Cydia pomonella, important plaga de pomers, perers, presseguers i pruners, mitjançant un procediment on s’ha minimitzat tant el volum de dissolvent com la quantitat de reactius tòxics. Els assajos de confusió sexual en camp amb la metilcetona anàloga 1 han mostrat que aquesta no produeix una reducció de captures en relació a una parcel·la control tractada només amb feromona. S’ha desenvolupat la síntesi de 4 anàlegs monoènics de la feromona sexual de Lobesia botrana, principal plaga de la vinya, (E)-9-tetradecen-2-ona (2), (E)-1,1,1-trifluoro-9-tetradecen-2-ona (3), (Z)-11-tetradecen-2-ona (4) i (Z)-1,1,1-trifluoro-11-tetradecen-2-ona (5). Als experiments per avaluar l’activitat en camp d’aquests anàlegs no s’hi ha demostrat efecte inhibidor de l’atracció feromonal amb la mescla feromona-inhibidor 1:10. S’han obtingut 4 compostos anàlegs estructurals de la feromona de Grapholita molesta, plaga de presseguers, albercoquers, pruners i cirerers, (Z)-10-tetradecen-2-ona (6), (Z)-1,1,1-trifluoro-10-tetradecen-2-ona (7), (E)-10-tetradecen-2-ona (8) i (E)-1,1,1-trifluoro-10-tetradecen-2-ona (9). En proves electrofisiològiques (EAG), l’exposició dels mascles a vapors de 100 µg de les metilcetones 6 i 8 i la trifluorometilcetona 7 anàlogues a la feromona de G. molesta ha induït una disminució significativa de la resposta antenal a l’estímul feromonal. Entre aquests compostos, la trifluorometilcetona 7 és l’anàleg que ha produït la màxima inhibició de la resposta d’EAG (60%). Per la seva banda, en assajos de comportament en túnel de vent solament la trifluorometilcetona 7 ha produït una reducció significativa dels contactes amb la font emprant una mescla de feromona-inhibidor 1:10. Als assajos de camp s’ha observat activitat antagonista amb les metilcetones 6 i 8 a una dosi de feromona-inhibidor 1:10, mentre que la trifluorometilcetona 9 ha exhibit un cert efecte sinèrgic de captures en comparació amb la feromona sola. S’ha desenvolupat una nova ruta sintètica de la feromona sexual de Tuta absoluta, devastadora plaga de tomaqueres amb un rendiment global més elevat que qualsevol dels procediments anteriorment descrits (23.5%) i una puresa estereomèrica final excel·lent (97% E,Z,Z). S’han obtingut 8 anàlegs feromonals; (5E,10Z,13Z)-5,10,13-hexadecatrien-2-ona (10), (5E,10Z,13Z)-1,1,1-trifluoro-5,10,13-hexadecatrien-2-ona (11), (5E,10Z)-5,10-hexadecadien-2-ona (12), (5E,10Z)-1,1,1-trifluoro-5,10-hexadecadien-2-ona (13), (5E,13Z)-5,13-hexadecadien-2-ona (14), (5E,13Z)-1,1,1-trifluoro-5,13-hexadecadien-2-ona (15), (10Z,13Z)-10,13-hexadecadien-2-ona (16) i (10Z,13Z)-1,1,1-trifluoro-10,13-hexadecadien-2-ona (17). En assajos de camp, els anàlegs 10 i 13 han produït una disminució significativa i reproduïble de captures amb una mescla feromona-inhibidor 1:10, mentre que els anàlegs 11 i 12 han demostrat un efecte antagonista circumstancial. Per la seva banda, els anàlegs 14-17 no van mostrar cap efecte antagonista. S’ha assajat la identificació d’un possible component de la feromona sexual de Paysandisia archon, important plaga de palmeres, mitjançant la síntesi i elucidació estructural de l’acetat de (E)-2-octadecen-1-il (18), l’acetat de (Z)-2-octadecen-1-il (19) i l’acetat de (E)-3-octadecen-1-il (20). El producte 20 és el que presenta una similitud estructural més propera a la del possible component feromonal. / The integrated pest management (IPM) is a combination of environmentally friendly strategies for pest control in agriculture aimed to rationalize the use of chemical pesticides. For the last decades, synthetic sex pheromones of pest insects are being used in IPM with much success, although it has some limitations. In the present work it has been carried out the synthesis of several methyl ketones and trifluoromethyl ketones, which are structurally related to the sex pheromone of some species of pest moth. All these analogues have been obtained through optimized synthetic procedures resulting in a high overall yield and stereoselectivity. The antagonistic effect of the synthesized analogues has been determined in laboratory and field tests in order to evaluate their convenience as an alternative to pheromones for pest control. It has been developed in a multigram scale the synthesis of (10E,12E)-tetradeca-10,12-dien-2-one (1), analog of the apple pest, Cydia pomonella, sex pheromone. Mate disruption field experiments with methyl ketone 1 have not shown any reduction of captures compared with the use of pheromone. The monoenic analogues of grape wine pest, Lobesia botrana, (E)-9-tetradecen-2-one (2), (E)-1,1,1-trifluoro-9-tetradecen-2-one (3), (Z)-11-tetradecen-2-one (4) and (Z)-1,1,1-trifluoro-11-tetradecen-2-one (5), have been obtained. In field experiments these compounds have not shown antagonistic effect in a pheromone-inhibitor (1:10) proportion. It has been carried out the synthesis of the peach pest, Grapholita molesta, pheromone analogues: (Z)-10-tetradecen-2-one (6), (Z)-1,1,1-trifluoro-10-tetradecen-2-one (7), (E)-10-tetradecen-2-one (8) and (E)-1,1,1-trifluoro-10-tetradecen-2-one (9). In electrophysiology experiments, trifluoromethyl ketone 7 has induced a 60% of inhibition of the antennal response to a pheromone stimulus, and the same compound produced a significant inhibitory effect in wind tunnel tests. Further, methyl ketones 6 and 8 showed antagonistic activity in field experiments. A new synthetic route of the pheromone components of the devastating tomato pest, Tuta absoluta, has been achieved in a higher overall yield (23.5%) than previously reported and an excellent stereoselectivity. Additionally, eight pheromone analogues have been synthesized; (5E,10Z,13Z)-5,10,13-hexadecatrien-2-one (10), (5E,10Z,13Z)-1,1,1-trifluoro-5,10,13-hexadecatrien-2-one (11), (5E,10Z)-5,10-hexadecadien-2-one (12), (5E,10Z)-1,1,1-trifluoro-5,10-hexadecadien-2-one (13), (5E,13Z)-5,13-hexadecadien-2-one (14), (5E,13Z)-1,1,1-trifluoro-5,13-hexadecadien-2-one (15), (10Z,13Z)-10,13-hexadecadien-2-one (16) and (10Z,13Z)-1,1,1-trifluoro-10,13-hexadecadien-2-one (17). Analogues 10 and 13 have produced a reproducible significant reduction of captures in field tests. In order to identify a possible sex pheromone component of palm tree pest, Paysandisia archon, the following compounds have been obtained: (E)-2-octadecen-1-yl acetate (18), (Z)-2-octadecen-1-yl acetate (19) and (E)-3-octadecen-1-il acetate (20), among which compound 20 showed the closest structural similarity to the unknown pheromone component.

Tesi realitzada a l'Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC) / Els iminociclitols són compostos alcaloides cíclics polihidroxilats mimètics de sucres, en els quals l’àtom d’oxigen endocíclic es troba substituït per un àtom de nitrogen. Són atractius farmacològicament ja que molts d'ells mostren activitat inhibidora d'enzims relacionats amb el processament d'hidrats de carboni i han resultat vitals pel desenvolupament de nous fàrmacs, com antiinflamatoris, antitumorals, antivírics i antibiòtics. Així doncs, és un repte i objectiu important disposar d’aquestes molècules polifuncionalitzades mitjançant síntesis senzilles. La síntesis orgànica clàssica d’aquestes molècules és complexa a causa de principalment tres factors: la necessitat de múltiples i complexes seqüències de protecció/desprotecció, dificultats en el control de la estereoselectivitat a causa de l’elevat nombre de centres estereogènics i en el seu aïllament i purificació. Per tant, una bona alternativa és la utilització d’enzims com catalitzadors en síntesis asimètriques donat els avantatges sobre les metodologies químiques clàssiques com són l’elevat grau de control de la estereoquímica i les condicions suaus de reacció. Les reaccions es duen a terme en medi aquós, fet que ofereix una opció mediambiental més atractiva. En la present Tesi es presenten excel·lents estratègies quimioenzimàtiques per a l'obtenció d'iminociclitols mono i bicíclics on l'etapa clau i central del procés és l'addició d'un donador a un aldehid acceptor catalitzada per aldolases natives o modificades genèticament. Les aldolases són un grup específic de liases que catalitzen de manera reversible la formació estereoselectiva d’enllaços caboni-carboni mitjançant una reacció aldòlica. Generalment aquests enzims són molt selectives en quan a llur tolerància del substrat donador (nucleòfil), però accepten una gran diversitat estructural d’aldehids acceptors (electròfil). En aquest treball s'han emprat aldolases dependents de glicina, de dihidroxiacetona fosfat (DHAP) i la D-fructosa 6-fosfat aldolasa d’Escherichia coli (FSA). En la primera part de la Tesi, es presenta un innovadora estratègia quimioenzimàtica que permet la síntesi d'una col·lecció de noves estructures de derivats polihidroxilats de l'àcid pipecòlic, homoiminociclitols piperidínics i pirrolidínics a partir de substrats simples i aquirals en tres passos sintètics i creant fins a cinc centres estereogènics. L'estratègia es basa en dues etapes claus d'addició aldòlica consecutives biocatalítiques. En la primera etapa clau biocatalítica s'empraren aldolases dependents de glicina, obtenint derivats d'àcid .-hidroxiamínics amb estereoquímica controlada. Llurs adductes aldòlics obtinguts es convertiren en els substrats de la segona etapa clau per mitjà de transformacions químiques senzilles. Les aldolases dependents de glicina D-treonina aldolasa són poc conegudes. Per això, prèviament es dugué a terme un estudi de la producció de la D-treonina aldolasa d'Achromobacter xylosoxidans i la seva aplicabilitat com a biocatalitzador. En la subsegüent etapa aldòlica clau, s'empraren les aldolases dependents de DHAP rhamnulosa 1-fosfat aldolasa i fuculosa 1-fosfat aldolasa, ambdues de E.coli, i la FSA. Finalment, els productes finals s'obtingueren per mitjà de l'aminació reductiva dels adductes aldòlics obtinguts. En la segona part del treball es presenta la síntesi d'una col·lecció de 47 iminociclitols mono i bicíclics de tipus pirrolidines, piperidines, pirrolizidines, indolizidines i quinolizidines. L'etapa clau en aquesta síntesi fou l'addició aldòlica dels donadors a-hidroxicarbonílics DHA, HA i GO a N-Cbz-aminoaldehids catalitzades per noves variants de FSA. L’iminosucre final s’obté per mitjà de la desprotecció del grup amino i aminació reductora en un sol pas per hidrogenació catalítica de l'adducte aldòlic. Les noves variants de FSA s'obtingueren prèviament en aquest treball a partir del redisseny del centre catalític de l'enzim per enginyeria de proteïnes a fi d'incrementar l'afinitat d'aquest biocatalitzador en les addicions aldòliques d'interès de DHA, HA i GO a N-Cbz-aminoaldehids voluminosos o conformacionalment restringits. Les noves variants de FSA es produïren a partir de les plataformes FSA A129S/A165G per DHA i HA i FSA L107Y/A129G/A165G per GO per mitjà de mutagènesi de lloc dirigit o de saturació de lloc. Les variants FSA A129S/R134X/A165G/S166G i FSA L107Y/A129G/R134X/A165G/S166G on X: P, R, S i V generaren conversions més elevades en les addicions aldòliques d'interès. / Iminocyclitols are an attractive class of glycomimetics which possess inhibitory properties against glycosidases and glycosyltranferases and an enormous therapeutic potential for the treatment of several diseases such as cancer, viral infections, type II diabetes, and lysosomal storage disorders, among others. The synthesis of these compounds can be obtained by chemoenzymatic strategies in an excellent and fashion way. A chemoenzymatic approach in organic synthesis is based on the combination of chemical reactions and biocatalytic, using microorganism or enzymes, to prepare organic compounds with minimal steps and high atom economy. Furthermore, the mild conditions required for enzymatic transformations and the use of water as a solvent makes biocatalysis one of the greenest technologies able to fulfill the ongoing need for economically and environmentally more sustainable industrial processes. Among enzymes, aldolases are one of the most promising classes of biocatalysts being able to construct chiral molecular frameworks from simple precursors by means of direct asymmetric aldol additions. In the first part of this Thesis a multistep chemoenzymatic synthesis for stereodiverse polyhydroxypipecolic acid analogues, homoiminocyclitols and polyhydroxylated piperidine and pyrrolidine derivatives combining glycine-dependent aldolases and both D-fructose-6-phosphate aldolase (FSA) or dihydroxyacetone phosphate (DHAP)-dependent aldolases is presented. The methodology allowed the preparation of known and innovative imine-derived molecules with a great structural diversity from simple achiral substrates. In the second part, a structure-guided redesign of D-fructose-6-phosphate aldolase from E. coli (FSA) was devised for improving the acceptor tolerance towards alpha-substituted and conformationally constrained aldehydes. FSA A129S/R134X/A165G/S166G and L107Y/A129G/R134X/A165G/S166G variants, where X was R, V, P, or S were the most suited biocatalysts for dihydroxyacetone, hydroxyacetone and glycolaldehyde additions to 20 alpha-substituted N-Cbz-aminoaldehydes including pyrrolidine and piperidine derivatives. Full kinetic stereocontrol for si-si face addition of the FSA-bound nucleophile to the N-Cbz-aminoaldehyde carbonyl was observed furnishing the corresponding D-threo configured aldol adduct in >95:5 dr as assessed by NMR. After reductive amination, 47 different iminocyclitols were identified and characterized. In some examples partial racemization of the corresponding aldehyde was observed, which appears to be produced mostly during the aldol addition reactions.

El principal objetivo de esta Tesis es el estudio de la viabilidad analítica de nuevos dispositivos electródicos como son los electrodos serigrafiados modificados con bismuto o antimonio como materiales alternativos al mercurio en la determinación y especiación de metales pesados mediante técnicas voltamperométricas. La tecnología del serigrafiado permite la fabricación de dispositivos económicos y desechables de sistemas electródicos como alternativa a los electrodos clásicos que se pueden adaptar a instrumentación portátil. Los electrodos serigrafiados (SPEs), pueden ser modificados con metales como el bismuto o el antimonio por métodos de electrodeposición vía in-situ o ex-situ, utilizando una solución de Bi(III) o de Sb(III); también pueden modificarse a través de un precursor metálico, o se puede obtener mediante la técnica de sputtering. Por otro lado existe un creciente interés en la búsqueda de materiales electródicos alternativos del mercurio, menos tóxicos que éste pero con un comportamiento electroquímico similar (amplio rango catódico de trabajo, sensibilidad y reproducibilidad), especialmente para cumplir con las crecientes demandas de dispositivos para monitoreo ambiental in-situ de metales pesados. Entre estos materiales, el bismuto y más recientemente el antimonio han demostrado tener un comportamiento analítico adecuado que los hace aparecer como una alternativa en la determinación de metales pesados mediante técnicas voltamperométricas. Para conseguir los objetivos planteados se han realizado diversos estudios que se comentan a continuación. En primer lugar se presentan los resultados obtenidos cuando se utilizan BiSPEs. Se caracterizan los dispositivos considerados (ex-situ BiSPCE, in-situ BiSPCE, BiOxSPCE y BispSPE) tanto física como analíticamente, se compara el comportamiento de los diferentes dispositivos entre ellos y el electrodo de gotas de mercurio y se aplican estos dispositivos a la determinación de Cd(II) y Pb(II) en un material de referencia (agua subterránea) y en aguas de pozo de El Salvador. Los BiSPEs demostraron ser una alternativa a los electrodos de mercurio en la determinación de estos metales. Además, de entre estos electrodos se presenta al BiSPE obtenido por técnicas de sputtering como una alternativa ventajosa a los BiFEs y a los BiSPCEs obtenidos modificando un SPCE vía in-situ o ex-situ, debido a que no es necesario ningún tratamiento antes del análisis de la muestra ya que presentan unos LOD muy favorables. El electrodo BispSPE demostró tener un comportamiento analítico similar al del HMDE en la determinación de Cd(II) y Pb(II) en muestras de aguas de pozos. En esta Tesis se ha utilizado por primera vez un electrodos serigrafiados de carbono modificados con bismuto vía ex–situ en estudios de complejación; en concreto se han estudiado las interacciones del Cd(II) con ligados de interés medioambiental por voltamperometría de impulsos diferencial y técnicas quimiométricas para el tratamiento de los datos. Estos dispositivos han demostrado ser una alternativa a los electrodos de mercurio y a los de película de bismuto en este tipo de estudios. En segundo lugar se han estudiado las posibilidades que presentan los electrodos serigrafiados modificados con antimonio en la determinación de metales pesados. En concreto se ha considerado un SPCE modificado vía in-situ y se ha aplicado a la determinación de Cd(II), Pb(II) y Cu(II) en un material certificado (agua subterránea). Este dispositivo demostró ser una opción al in-situ BiSPCE para la determinación de estos metales en particular para el Cu(II), no solo por presentar un menor LOD para este metal, sino porque no se observa competencia entre el Sb(III) y Cu(II) por depositarse en la superficie del electrodo. Como resultado de los estudios de investigación llevados a cabo en esta Tesis, se han publicado cuatro artículos en diferentes revistas científicas. Estas publicaciones son la base del trabajo expuesto en esta Tesis. / The main goal of this Thesis is to study the analytical possibilities of screen printed electrodes (SPEs) modified with bismuth or antimony as new alternative materials to mercury for the determination and speciation of heavy metals by voltammetric techniques. The screen printing technology permits the fabrication of low cost, small size and disposal devices, as an alternative to classic electrodes that can be suitable for portable instrumentation. The SPEs can be modified with metals as bismuth or antimony by electrodeposition methods via ex-situ or in-situ, also can be modified using a metallic precursor or by sputtering the metal on a ceramic substrate. First of all, SPE modified with bismuth were studied. The devices considered (ex-situ BiSPCE, in-situ BiSPCE, BiOxSPCE and BispSPE) were characterized microscopically and analytically compared between them and with the HMDE, and applied for the determination of heavy metals in natural samples. The BiSPEs proved to be an option to mercury electrodes for the analysis of these metals. Between them the electrode obtained by the sputtering techniques has demonstrated to be a good alternative to HMDE, and also to classic BiFEs. The provided LOD and LOQ for Pb(II) and Cd(II) analysis were in all cases at the level of μg L-1. Furthermore ex-situ BiSPCEs have been used for the first time for the analysis of the complexation of Cd(II) by thiol containing compounds as glutathione (GSH) and phytochelatin (PC2). The data were treated by multivariate curve resolution by alternating least squares (MCR-ALS), demonstrating that the results are in good agreement with those previously obtained with mercury electrodes. Finally, the possibilities of SPCEs modified with Sb(III) via in-situ for the determination of Cd(II), Pb(II) y Cu(II) in natural samples were studied. The SbSPEs were microscopically characterized and experimental parameters for the determination of heavy metals by anodic stripping voltammetry were optimized. The in-situ SbSPCE demonstrated to be a good alternative to in-situ bismuth film electrodes for the determination of these metals ions in particular for copper, since no competition between copper and antimony for surface sites was noticed.

This thesis aims at providing a better understanding of the micro- and nanofabrication of conducting polymers for biomedical devices and presents novel processes that widen the application range of conducting polymers in this field. The thesis is divided in four chapters, namely “Materials and Methods”, “Biocatalytically-produced polypyrrole thin films and microelectrodes on insulating surfaces”, “Azide-PEDOT electrodes. Application to DNA sensors” and “Fabrication of polypyrrole single nanowire devices”. Chapter 1, entitled “Materials and Methods”, describes the materials used in this work and the fabrication and characterization methods required for the development of the thesis. Here, theoretical and experimental details about the techniques employed, are provided. Chapter 2, entitled “Biocatalytically-produced polypyrrole thin films and microelectrodes on insulating surfaces”, presents a new on-surface biocatalytical procedure for the fabrication of polypyrrole microelectrodes on insulating surfaces, with resolutions comparable to the ones of conventional photolitography. This is an environmentally respectful microfabrication method that allows the entrapment of biomolecules during the polymer synthesis in a single step. As a proof of concept, biotin was trapped in the polypyrrole matrix and then released in a controlled way through electrical stimulation. It was proven that the polymer keeps its electroactivity after the fabrication and functionalization processes. This biocatalytical-based technique represents a straightforward method for the microfabrication of biological-active conducting polymers, which could be implemented in implantable devices for remotely controlled tissue interactions. Chapter 3, entitled “Azide-PEDOT electrodes. Application to DNA sensors”, describes the fabrication and testing of an electrochemical label-free DNA hybridization sensor, based on novel azidomethyl-modified poly(3,4-ethylenedioxythiophene) electrodes (azide-PEDOT electrodes). These azide-PEDOT electrodes were used as platforms for the immobilization of acetylene-DNA probes, complementary to the “Hepatitis C” virus. The acetylene-DNA probes were covalently grafted to the polymer backbone via the robust “Click” reaction, which a part from being a very selective functionalization method, preserves DNA from denaturation during the synthesis of the polymer. DNA hybridization was detected by Differential Pulse Voltammetry (DPV), where the electrochemical change of the polymer behaviour, produced by the recognition event, was directly evaluated. This fabrication procedure is a powerful tool for the preparation of label-free DNA sensors able to selectively recognize a specific DNA sequence, down to the nanomolar range. Finally, Chapter 4, entitled “Fabrication of polypyrrole single nanowire devices”, discusses the fabrication of polypyrrole at the nanoscale. Two fabrication techniques were investigated here, namely dip pen nanolithography and electrochemical polymerization on template-assisted surfaces. On one hand, the dip pen nanolithography proved to be a simple deposition technique with good control over size and location of the polypyrrole nanowires. On the other hand, the electrochemical polymerization on template-assisted surfaces provided as well nanoscaled polypyrrole, but added the possibility to chemically manipulate the polymer. This chemical manipulation was translated into polymer devices with different electrical properties. By the use of these techniques, the capability of fabricating single nanowire devices (ready to use in different applications) and arrays of ordered nanowires based on conducting polymers is demonstrated. Additionally, two appendixes can be found at the end of the thesis: Appendix A: “Fabrication of azide-PEDOT microwire-based devices” and Appendix B: “Fabrication of nanopatterns by electron-sensitive silanes”. They provide short experimental results obtained during the course of this work, which are first steps for future investigations. A general conclusions section can be found at the end of the thesis, where a summary of the main achievements and contributions of this thesis are listed. / Aunque los polímeros conductores se presentan como una alternativa viable a los materiales convencionalmente usados en aplicaciones biomédicas, las técnicas de fabricación adaptadas a ellos y el aprovechamiento de sus propiedades están lejos de ser completos. Existen importantes limitaciones en la fabricación de micro y nano estructuras basadas en polímeros conductores. Debido a la agresividad de las técnicas tradicionalmente usadas en microelectrónica, se hace necesaria la búsqueda de nuevas estrategias de fabricación adaptadas a polímeros conductores, así como de nuevos procesos que puedan mejorar el rendimiento de los dispositivos diseñados. En esta tesis titulada “Conducting polymers micro and nano electrodes. Application to biomolecule sensing and release”, se han investigado nuevas técnicas de fabricación y de funcionalización de polímeros conductores, poniendo un especial interés en su aplicación biomédica. Una nueva técnica de fabricación de microestructuras de polipirrol por método biocatalítico sobre superficies aislantes ha sido desarrollada con resoluciones comparables a las de la litografía óptica. Dicha técnica es compatible con la incorporación de biomoléculas durante el proceso de síntesis, lo que garantiza su utilización en entornos biológicos. Esto fue demostrado mediante la incorporación de biotina durante el proceso de polimerización y su posterior liberación, mediante estimulo eléctrico. También se ha desarrollado un nuevo sensor de ADN sin marcaje basado en electrodos de azida-PEDOT, para la detección de secuencias basadas en la “Hepatitis C”. Estos electrodos, permiten la directa y covalente funcionalización con secuencias de ADN, modificadas con grupos acetileno, por medio de la química “Click”. La hibridación fue detectada mediante la evaluación de la electroactividad del polímero tras el suceso de reconocimiento. Esta novedosa modalidad de sensores demostró ser selectiva y sensible, siendo capaz de detectar secuencias complementarias en el rango nM, sin necesidad de marcajes, ni complejas técnicas de microfabricación. Finalmente, se estudiaron dos técnicas de fabricación de nanohilos de polímero conductor: nanolitografía de dip-pen y electropolimerización sobre superficies con plantillas. Estos estudios proveen al incompleto campo de la fabricación de nanoestructuras de polímeros conductores de resultados adicionales, que amplían el campo de aplicación de dichos materiales.