Tesi realitzada a l'Institut de Ciències de la Terra Jaume Almera (CSIC) / In this thesis I present a geophysical and petrological study that aims to define the lithosphere structure and the chemical variations in the compositions in the lithosphere mantle in the Iberian plate, the western Mediterranean and North Africa. Also, the low Pn velocities measured in the western Mediterranean basins and the sub-lithospheric low-velocity anomaly imaged from tomography models in the Iberian plate and North Africa and the relationship with high mean topography are investigated. I present the crust and upper mantle structure along four transects, crossing the NE-Iberian Peninsula, the Western Mediterranean basin and the Algeria margin and ends at the Tell—Atlas Mountains, two profiles crossing the entire Iberian plate in N-S direction and another transect across the southern Central Iberian Zone, the Gibraltar Arc System and the Atlas Mountais. The modeling in the present work is based on an integrated geophysical-petrological methodology combining elevation, gravity, geoid, surface heat flow, seismic and geochemical data. Unlike previous models proposed for the region where the density of the lithospheric mantle is only temperature-dependent, the applied methodology allows inferring seismic velocities and density in the mantle down to 400 km depth from its chemical composition through self-consistent thermodynamic calculations. The crustal structure is mainly constrained by active-source and passive-source seismic experiments, whereas the upper mantle is constrained by tomography models. In lithospheric mantle composition, this methodology allows us to reproduce the main trends of the geophysical observables as well as the inferred P-, Pn- and S-wave seismic velocities from tomography models and seismic experiments available for the study region. The first geo-transect is a new model on the present-day lithospheric structure along a 1100 km crossing the NE-Iberian Peninsula, the Western Mediterranean basin and the Algeria margin and ending at the Tell—Atlas Mountains. Five lithospheric mantle compositions are considered including predominantly average Phanerozoic and lherzolitic Proterozoic in the continental mainland, and more fertile PUM (primitive upper mantle) compositions in the Western Mediterranean basin. The second profile running from the North-Iberian Margin to the Duero basin and is extended to the Alboran basin in the third profile. In this case I have considered four lithospheric mantle compositions: a predominantly average Phanerozoic in the continental mainland, two more fertile compositions in the Alboran Sea and in the Calatrava Volcanic Province, and a hydrated uppermost mantle in the North-Iberian Margin. In the fourth geo-transect, I defined three distinct chemical lithospheric mantle domains: a predominantly average Phanerozoic composition in the continental mainland, and two rather fertile mantle compositions beneath the Volcanic areas, close to the Calatrava Volcanic Province and the Atlas Mountains. Mantle petrology affects the resulting density distribution and LAB (lithosphere—asthenosphere boundary) geometry and allows a direct comparison with tomography models and seismic data. The obtained LAB geometries in lithosphere show large variations in lithospheric mantle thickness. Deepest LAB geometries are found below the Pyreenes, Cantabrian Mountains, Betics Range and Strait of Gibraltar while the shallowest LAB is reached in the Mediterranean basins (Valencia Through, Balearic Promontory, Algerian and Alboran basins). The LAB depth beneath the Iberia Meseta is deeper than in previous studies while in the Atlas Mountains the resulting LAB is relatively shallow as expect from others studies. Measured low Pn velocities in the Western Mediterranean basin can be explained by either serpentinization and/or seismic anisotropy and only partly by transient thermal effects whereas in the Bay of Biscay is explained by only by serpentinization. Also, the sub-lithospheric negative anomaly imaged in tomography models below the Iberian plate and the Atlas Mountains, is related to the high mean topography in these areas and can be partly consistent with a low-velocity/high- temperature/low-density modelled layer in the sublithospheric mantle. / En esta tesis se presenta un estudio geofísico y petrológico con el objetivo de definir la estructura litosférica y las variaciones laterales en composición del manto litosférico en Iberia, el Mediterráneo occidental y África del Norte. También se ha estudiado las bajas velocidades Pn registradas en las cuencas marinas del Mediterráneo occidental y en el golfo de Vizcaya, y la anomalía sublitosférica de baja velocidad detectada en los modelos tomográficos en Iberia y el norte de África además de su relación con la alta topografía encontrada en estas áreas. Para ello, se han realizado cuatro diferentes transectas litosféricas. La primera empieza en el NE de la Península Ibérica, cruzando el Mediterráneo occidental para terminar en la cordillera Tell-Atlas. El segundo perfil empieza en el golfo de Vizcaya, cruza la Cordillera Cantábrica y finaliza en la Cuenca del Duero. El tercero es una extensión del segundo cruzando el Sistema Central, la Cuenca del Tajo, las Béticas terminando en Alborán. Por último, el cuarto, comienza en la Cuenca del Tajo, cruza el estrecho de Gibraltar, el Rif y el Atlas para terminar en la Plataforma sahariana. Para realizar estos modelos hemos usado la metodología LitMod. Esta metodología combina observables geofísicos como elevación, gravedad, geoide, flujo de calor superficial, velocidades sísmicas y datos geoquímicos. La estructura cortical es construida a partir de datos de experimentos sísmicos y de cortes geológicos en la parte más superficial mientras que el manto superior es constreñido mediante modelos tomográficos. A lo largo de los perfiles encontramos variaciones composicionales y de espesor litosférico, engrosándose bajo Pirineos, la Cantábrica, Béticas y Rif fundamentalmente, y adelgazándose en las cuencas marinas del Mediterráneo, en la provincia volcánica de Calatarava y en el Atlas marroquí. Las bajas velocidades Pn registradas en el en el Mediterráneo occidental pueden explicarse por una combinación de serpentinización, anisotropía sísmica y por el efecto térmico transitorio, mientras en el golfo de Vizcaya sólo puede explicarse por serpentinización. Además, la alta topografía en Iberia y el Atlas, puede ser parcialmente explicada con una capa de baja velocidad/alta temperatura/baja densidad como se intuye de los modelos tomográficos.

En un periodo de tiempo determinado, solamente una fracción de la cantidad total de una sustancia química presente en la columna de agua o en el sedimento está en forma bioaccesible o biodisponible. Por otra parte, aun cuando la fracción disuelta de un contaminante puede ser muy baja y a veces indetectable, una exposición muy larga puede dar lugar a su acumulación por parte de los organismos. Esta cuestión es especialmente relevante para los contaminantes hidrofóbicos, que tienden a persistir en el ambiente uniéndose a las partículas de sedimento y a ser acumulados por la biota. Una determinación precisa del riesgo asociado a la presencia de estos contaminantes en el medio acuático debe partir de medidas que tengan en cuenta su disponibilidad espacial y temporal para los seres vivos en cada circunstancia. La tesis se enmarca en este contexto y se centra en dos grupos de contaminantes haloaromáticos: el histórico pesticida diclorodifeniltricloroetano (DDT) y sus productos de transformación (DDX, en conjunto) y los retardantes de llama difeniléteres polibromados (PBDE), incluidos más recientemente en la legislación. El objetivo general era el desarrollo y aplicación de métodos analíticos con los que medir sus concentraciones en las distintas fases o compartimentos del medio acuático que fuesen representativas exposición real de los organismos vivos. En la primera parte de la tesis, se empleó una técnica moderna para la extracción cuantitativa en sedimento y en peces, adecuada a los requisitos normativos actuales de exhaustividad para la vigilancia de contaminantes. Para ello, se optimizó un método analítico mediante extracción selectiva con líquidos presurizados (SPLE) acoplada a cromatografía de gases y espectrometría de masas (GC-MS) que permitió realizar una extracción y purificación simultánea de las muestras con una reducción importante del tiempo de análisis, la manipulación de la muestra y el uso de disolventes frente a métodos tradicionales. Los métodos optimizados fueron aplicados para el análisis de PBDE y DDX en muestras de sedimentos y peces procedentes de distintos puntos de la costa peninsular y en la cuenca del río Ebro. La metodología desarrollada permitió, además, la detección en estas muestras de hexabromociclododecano (HBCD), un retardante de llama que comenzaba a utilizarse como sustituto de los PBDE y cuya presencia en el medioambiente apenas había sido descrita en ese momento. El análisis de las muestras demostró las diferencias relativas con que los peces acumulan cada uno de los analitos respecto a sus cantidades en el sedimento. Posteriormente, se evaluaron dos tipos de técnicas biomiméticas que utilizan una fase sustituta para cuantificar el contaminante bioaccesible y bioacumulable en el medio. En primer lugar, la extracción exhaustiva de los contaminantes presentes en los sedimentos realizada mediante el método de SPLE fue comparada con la extracción acuosa con Tenax®, lo que permitió cuantificar la fracción susceptible de pasar a la fase disuelta en periodos concretos de tiempo o fracción bioaccesible. La existencia de fracciones residuales de contaminante que mantienen asociados a la fase particulada de manera casi irreversible, diferentes según los analitos, es una de las causas que contribuyen a la formación de los patrones diferenciales entre biota y sedimento. Por último, dentro de la línea de trabajo de técnicas biomiméticas, se evaluó la aplicabilidad de distintas versiones de un dispositivo de muestreo pasivo en fase experimental, el Chemcatcher®, capaz de acumular los PBDE y DDX disueltos en el medio y proporcionar una medida promediada en el tiempo. Los límites de detección obtenidos indican que este sistema podría ser apto para el monitoreo de estos contaminantes en cuerpos de agua muy contaminados como efluentes de depuradoras, pero no para determinar las concentraciones en que se suelen encontrar en aguas superficiales. / In a given period of time, only a fraction of the total amount of a chemical present in the water column or in the sediment is bioaccesible or bioavailable. In turn, even though the dissolved fraction of a contaminant may be very low, sometimes undetectable, a long exposure can lead to accumulation by the organisms. This issue is especially relevant for hydrophobic contaminants, as they tend to persist in the environment bound to sediment particles and to be accumulated by biota. The thesis is focused on two groups of pollutants haloaromatics: the historical pesticide dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) and its transformation products, and the flame retardants polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), most recently included in legislation. The overall objective was the development and application of analytical methods by which to measure their concentrations in different phases or compartments in the aquatic environment that take into account the spatial and temporal availability for living beings. In the first part of the thesis, a modern technique for quantitative extraction from sediment and fish, adapted to current regulatory requirements of exhaustiveness for monitoring of pollutants, was used. In order to do so, an analytical method by selective extraction with pressurized liquids (SPLE) coupled to gas chromatography and mass spectrometry (GC-MS) was optimized. Optimized methods were applied for the analysis of sediment and fish samples from different parts of the mainland coast and the Ebro river basin. The developed methodology also allowed detection of hexabromocyclododecane (HBCD), a flame retardant that was just beginning to be used as a substitute for PBDEs and whose presence in the environment had just been described in that time. Afterwards, two types of biomimetic techniques using a surrogate phase for measuring the bioavailable and bioaccumulative pollutant in the medium were evaluated. First, the exhaustive extraction of contaminants in the sediment carried by SPLE method was compared with the aqueous extraction with Tenax®, allowing to quantify the fraction susceptible of passing to the dissolved phase in specific time periods or bioaccessible fraction. Finally, within the line of work of biomimetic techniques, the applicability of different versions of an experimental passive sampling device, the Chemcatcher®, able to accumulate PBDEs and DDX dissolved in the medium and provide a time-averaged measure was assessed.

Tesi realitzada a l'Institut de Diagnosi Ambiental i Estudis de l'Aigua (IDAEA-CSIC) / En los últimos años, los contaminantes emergentes (ECs) están recibiendo una creciente atención debido a los efectos nocivos que suponen para los organismos vivos y al riesgo ambiental que representan. Existen una gran cantidad de productos considerados como ECs presentes en el medio ambiente acuático. En la presente tesis se han estudiado dos de estas familias, los ácidos perfluoroalquilados (PFAAs), compuestos antropogénicos, y las microcistinas (MCs), toxinas de origen natural. Los PFAAs son una familia de contaminantes orgánicos considerados como emergentes, persistentes y bioacumulables, que se transportan a largas distancias, se biomagnifican en la cadena trófica y pueden tener efectos nocivos inmediatos o a largo plazo sobre el medio ambiente y la salud humana. Por su parte, las MCs se producen como metabolitos secundarios en el interior de las células de las cianobacterias y están consideradas como hepatotóxicas. Debido a que la información actual que se dispone relativa a la presencia y eliminación en el medio acuático de estas dos familias de ECs es aun limitada, es de interés disponer de métodos de análisis rápidos y fiables que permitan su determinación con una elevada sensibilidad y selectividad. En este contexto, en esta tesis se han desarrollado metodologías analíticas de alto rendimiento, sensibles, selectivas y robustas para el análisis en agua de las dos familias de ECs. Por un lado, se han utilizado técnicas de extracción en fase sólida en línea, inyección directa e ionización por desorción por láser y asistida por la matriz (MALDI), que han permitido el análisis rápido, automatizado y sencillo, minimizando el tratamiento de la muestra y evitando posibles fuentes externas de contaminación y mejorando la eficiencia económica del análisis. Por otro lado, se ha estudiado, la potencialidad de la espectrometría de masas en tándem (MS/MS) y de alta resolución (HRMS) mediante métodos de LC-ESI-MS/MS (triple cuadrupolo), MALDI-TOF/TOF y LC-ESI-HRMS (Orbitrap-Exactive HCD) para la identificación y cuantificación fiable de los analitos. Estos métodos se han combinado y comparado poniendo de manifiesto sus ventajas, desventajas y su complementariedad. Los métodos desarrollados se han aplicado al estudio de la presencia de los analitos en muestras acuosas. Por un lado, se ha estudiado la presencia de PFAAs en aguas superficiales, subterráneas y tratadas y su eliminación en una estación de tratamiento de aguas potables (ETAP) que combina tratamientos convencionales y avanzados en líneas paralelas, lo que ha permitido el estudio de ambos tipos de tratamientos simultáneamente y a escala real. Los tratamientos que han resultado efectivos para la eliminación de los PFAAs en estudio han sido la filtración con carbón y la ósmosis inversa. Por otro lado, se ha estudiado la presencia de MCs en aguas superficiales y tratadas y se han caracterizado diversos cultivos y materiales de referencia de cianobacterias. Se ha trabajado con la muestra total de agua, analizando la fracción disuelta y sestónica independientemente y se han descrito las cianobacterias y variantes de MCs presentes. La presencia de las distintas floraciones y el potencial de las cianobacterias tóxicas en los embalses estudiados indican la necesidad de programas de vigilancia para evitar el riesgo para la salud humana y los animales. También se muestran los resultados de la monitorización de la presencia de MCs a la entrada y salida de una ETAP. Durante los años en que se ha controlado, no se ha observado la presencia de blooms y el tratamiento realizado en la ETAP ha sido efectivo para la eliminación de las MCs a niveles traza. Por su parte, la caracterización de cultivos de cianobacterias permite establecer las bases del desarrollo tecnológico y la producción de estándares analíticos de toxinas y materiales de referencia para la cuantificación e identificación individual de variantes de MCs y su utilización en estudios de validación y ejercicios de intercomparación. / Water pollution is a severe worldwide problem. In recent years, emerging contaminants (ECs) are receiving increasing attention due to their harmful effects on the environment and human health. This thesis has focused on two families of ECs: anthropogenic perfluoroalkyl acids (PFAAs), considered as persistent organic pollutants; and microcystins (MCs), a family of more than 94 natural toxins produced as secondary metabolites of cyanobacteria. The current available information on the presence and disposal into the aquatic environment of these two families of ECs is still limited. Accordingly, it would be interesting to have reliable and fast methods of analysis for their determination with high sensitivity and selectivity. In this regard, the mainly aims of this thesis were to study the potential of tandem (MS/MS) and high resolution mass spectrometry (HRMS) for reliable identification and quantitation and to develop high throughput analysis of PFAAs and MCs in water. Different MS methodologies by LC-ESI-MS/MS (triple quadrupole), MALDI-TOF/TOF and LC-ESI-HRMS (Orbitrap-Exactive HCD) have been developed and combined. On-line solid phase extraction, direct injection and matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) techniques have been allowed rapid, automated and simple analysis, minimizing sample treatment and avoiding possible external sources of contamination and improving economic efficiency analysis. Developed methods have been applied to the study of the presence of analytes in surface, ground and treated waters. PFAAs behaviour was studied in a drinking water treatment plant (DWTP) with conventional and advanced treatments in parallel lines, allowing the study of two types of treatments simultaneously in real scale. The results of monitoring the presence of MCs at the influent an effluent of other DWTP are also shown. The analysis of MCs was performed in whole water sample and the dissolved and sestonic fractions were analysed independently. The cyanobacteria species and MCs variants present in both fractions were described. Finally, different cyanobacteria cultures and reference materials have been characterised in order to provide the basis for technological development and production of toxins analytical standards and reference materials.

El problema de la resistència bacteriana ha esdevingut un problema de salut pública global. Cada cop apareixen més soques bacterianes resistents a dos o més fàrmacs i és especialment preocupant la manca d'antibiòtics en el mercat per a combatre les infeccions que aquests provoquen. És per això que un dels grans objectius del descobriment de nous fàrmacs antibiòtics és la recerca de nous compostos capaços de combatre aquests microorganismes. Els pèptids antimicrobians són una classe d'antibiòtics que en el darrers anys han despertat interès degut al seu particular mecanisme d'acció: actuen principalment sobre la membrana bacteriana, i són menys susceptibles de generar resistència per part del bacteris. Destaquem entre aquests pèptids antimicrobians, la polimixina, antibiòtic natural produït pel Bacillus polymyxa. És un compost antibacterià actiu contra bacteris Gram-negatius, però que presenta l'inconvenient de ser tòxic a nivell renal i neuronal. En aquesta tesi es descriu el disseny, la síntesi i l'activitat d'anàlegs de polimixina. Es va simplificar l'esquelet peptídic del producte natural, de manera que fos mes assequible la síntesi química dels anàlegs, la preparació a gran escala, i una potencial reducció de toxicitat. Les modificacions que es van dur a terme van ser substituïr l'enllaç lactàmic que tanca el cicle, per un enllaç disulfur, l'àcid gras natural ramificat, es va substituir per un de lineal, i es van fer substitucions d'alguns aminoàcids per observar l'efecte que provocaven en l'activitat bacteriana. També es van sintetitzar anàlegs retroenantiòmers, per tal de veure la implicació de l'esquelet peptídic en la interacció amb les membranes, i finalment es va preparar un compost conjugat d'un anàleg de polimixina i l'espermina, una poliamina de cadena llarga. Es va estudiar la seva activitat antibiòtica in vitro amb assajos de concentració mínima inhibitòria (CMI). I posteriorment es van realitzar estudis d'activitat biofísica, realitzant assajos amb models de membrana bacteriana, com són els liposomes i les monocapes lipídiques. Aquesta tesi demostra que és possible simplificar l'estructura de la polimixina, obtenint-se compostos antibiòtics actius in vitro que mostren propietats biofísiques similars a les del producte natural. / The problem of bacterial resistance has become a global public health issue. Bacterial strains are becoming resistant to existing drugs and it is particularly worrying lack of antibiotics on the market to fight the infections they cause. That is why one of the major goals of antibiotic drug discovery today is the search for new compounds capable of combating these microorganisms. Antimicrobial peptides are a class of antibiotics that have raised particular interest these recent years due to its mechanism of action: they act primarily on the bacterial membrane, and are less likely to generate resistance by the bacteria. Among these antimicrobial peptides, the polymyxins, natural antibiotic produced by Bacillus polymyxa takes special interest for us. This antibacterial compound is active against Gram-negative bacteria, but it is nephrotoxic an neurotoxic. This thesis describes the design, synthesis and activity of polymyxin analogues. We report a simplified peptide structure, with a chemically accessible scaffold and upscalable, that might show potential toxicity reduction. The modifications that were carried out were substitution of the lactam bond that closes the heptapeptide cycle by a disulphide bond; branched natural fatty acid, was replaced by a linear one, and they were made some amino acid substitutions in order to observe the effect in the bacterial activity. We also synthesize analogues retroenantiomers, to see the involvement of the peptide scaffold when binding to bacterial membranes, and finally it was prepared a conjugate compound of an analogue of polymyxin and spermine, a long chain polyamine. We carried out assays of minimum inhibitory concentration (MIC) in vitro and also studies of biophysics activity, conducting tests with bacterial membrane models, such as liposomes and lipid monolayers. This thesis shows that it is possible to simplify the structure of polymyxin, obtaining active compounds in vitro with biophysical properties that are similar to the natural product.

Food and drinking water are the principal routes of exposure to arsenic (As) for humans. More than 50 different naturally occurring As-containing compounds have been identified. Regarding the toxicological aspects of arsenic in food, inorganic arsenic (iAs, (arsenite or As(III) and arsenate or As(V)) is considered to be the most dangerous form and is classified as a nonthreshold, class 1 human carcinogen. The organic forms are mainly considered to be non-toxic. Therefore, species-dependent differences in toxicity must be considered when establishing the maximum tolerated levels in food directives. Recently, maximum levels have been fixed for iAs in rice and rice products in EU legislation. Scientific opinions on arsenic in food were issued by the European Food Safety Authority and the FAO/WHO Joint Expert Committee on Food Additives, focusing on dietary iAs exposure. Both reported the urgent need for further data on As species, particularly iAs data, in food groups that provide a significant contribution to the dietary exposure to iAs. As a general recommendation, dietary exposure to iAs should be reduced. Furthermore, the organisations also called upon further initiatives towards development of validated methods for specific and selective determination of inorganic arsenic in various types of foodstuffs. In view of the above, the main goal of this thesis was to develop and validate robust analytical methodology for the determination of iAs as well as other arsenic species in foodstuffs. As external quality control of the validated methods, the validated methods were tested participating in feasibility studies for the preparation of Certified Reference Materials with certified arsenic species and in proficiency tests for iAs determination The proposed methodology was applied to rice and rice products, infant cereals, cereal-based food, seaweeds, mushrooms, fish, bivalves and crustaceans, providing reliable results in response to demands made by international safety agencies. Additionally, daily dietary exposure to tAs and iAs intake to assess the toxicological implications of the ingestion of the selected foodstuffs was estimated. The main conclusions derived from the work conducted in this doctoral thesis are summarized as follows: - The proposed speciation method was successfully validated according to the ISO/IEC 17025:2005 standard, is sensitive and selective and could be considered fit for purpose, i.e. iAs determination in food. This method is straightforward enough for routine analysis for the determination of toxic iAs and other arsenic species in several foodstuffs, even in challenging matrices such as those of marine origin. Furthermore, since maximum limits of iAs in rice and rice products have recently been established by the European Union, the method could be useful in food control laboratories. - Based on our results on marine foods, wide variability in arsenic species can be expected when dealing with seafood such as seaweeds, bivalves and crustaceans, highlighting the need to carry out speciation to discern the toxic from the non-toxic species. On the other hand, only toxic iAs species were found in cereal products and iAs was the major As compound found in rice products, highlighting the importance of these food groups as a possible source of iAs in rice and cereal-based diets. - All arsenic speciation data obtained in this thesis are useful for assessing the daily intake of arsenic in the Catalan population. Furthermore, these results may contribute to on-going discussions regarding establishing and implementing maximum levels in inorganic arsenic in food commodities, as recommended within the European Union. - The average estimated iAs daily intake in the adult Catalan population is below the EFSA and JECFA BMDL ranges, but given the ratio between iAs intake and some BMDL for distinct end points, the possibility of risk for high consumers of rice and rice products cannot be excluded. / El interés en la determinación de arsénico inorgánico (iAs) en los alimentos se debe al amplio reconocimiento de sus efectos tóxicos en los humanos, incluso a bajas concentraciones. Varios métodos de especiación de arsénico se han publicado, sin embargo es necesario establecer su idoneidad para una serie de muestras de alimentos y /o especies de arsénico Además, existe una necesidad urgente de métodos analíticos robustos y validados y adecuados para la determinación de arsénico inorgánico en una gama de productos alimenticios. Esta necesidad se destacó por varias agencias internacionales de seguridad y salud, y por las organizaciones encargadas de establecer los niveles máximos de la iAs en los productos alimenticios. En vista de todo esto, el objetivo principal de esta tesis es desarrollar y validar metodología analítica robusta para la determinación de arsénico inorgánico, así como otras especies de arsénico en alimentos. La metodología propuesta es aplicada a arroz, alimentos a base de cereales, productos infantiles, setas, algas, peces, crustáceos y bivalvos proporcionando resultados fiables como una respuesta a la demanda de las agencias internacionales de seguridad. Las principales conclusiones derivadas del trabajo llevado a cabo en la presente tesis doctoral se resumen a continuación: • El método de especiación propuesto fue validado con éxito de acuerdo con la norma 17025 ISO/IEC: 2005, es sensible y selectivo y podría ser considerado apropiado para su finalidad, es decir, la determinación de iAs en los alimentos. Este método es sencillo para análisis de rutina para la determinación del tóxico iAs y otras especies de arsénico en varios productos alimenticios, incluso en matrices difíciles tales como las de origen marino. Además, debido a que límites máximos de iAs en arroz y productos de arroz han sido recientemente establecidos por la Unión Europea, el método podría ser útil en los laboratorios de control de los alimentos. • La ingesta diaria promedio de iAs estimada en la población adulta Catalana está por debajo de los rangos BMDL de la EFSA y JECFA, pero teniendo en cuenta relación entre la ingesta de iAs y algunos BMDL para distintos puntos finales, la posibilidad de riesgo para los grandes consumidores de arroz y productos de arroz no pueden ser excluidos.

L'administració continuada d'antibiòtics veterinaris genera recel en el consumidor degut a l'increment de casos de resistència microbiana i d'al•èrgies a medicaments per la presència de residus en aliments d'origen animal. Per aquestes raons, la Unió Europea ha establert límits màxims de residus (MRL) per a les drogues veterinàries permeses en aliments d'origen animal i un nivell de concentració mínim a detectar (minimum required performance limit, MRPL) als mètodes analítics que determinen substàncies prohibides (Reglament 37/2010). Atesa la importància del control de la presència de residus d'antibiòtics en aliments d'origen animal, és necessari disposar de mètodes d'anàlisi ràpids, senzills i amb bona selectivitat i sensibilitat. Les excel•ents prestacions de l'espectrometria de masses tant pel que fa a sensibilitat, selectivitat i a la gran quantitat d'informació estructural que ofereix, especialment acoblada a tècniques de separació, fan que avui dia sigui l'eina de referència en molts laboratoris analítics per a la determinació de compostos orgànics regulats. Per aquest motiu, aquesta tesi està centrada en l'aplicació de l'espectrometria de masses a l'anàlisi de dues famílies d'antibiòtics veterinaris, els fenicols i els aminoglicòsids. En aquesta tesi s'ha estudiat, d'una banda, la separació cromatogràfica dels compostos seleccionats (fenicols i aminoglicòsids) mitjançant cromatografia de líquids acoblada a l'espectrometria de masses amb l'objectiu de desenvolupar mètodes d'anàlisi. L'elevada polaritat dels aminoglicòsids i d'alguns dels fenicols comporta que presentin una baixa retenció en les fases estacionàries convencionals d'octadecilsilà. En aquest context, s'ha avaluat tant la utilització de fases estacionàries alternatives a les d'octadecilsilà per a afavorir la retenció de compostos polars, com els avenços en el desenvolupament de les partícules del rebliment cromatogràfic (partícules sub-2 iim i de nucli sòlid) per a millorar tant les eficàcies com les resolucions obtingudes. Per a la separació dels fenicols, els millors resultats es van obtenir amb la columna de partícula de nucli sòlid fenil-hexil, que va permetre aconseguir una separació ràpida i eficaç i amb una retenció suficient per al metabòlit polar florfenicol-amina. Pel que fa referència als aminoglicòsids, s'ha proposat l'ús d'una columna amb fase estacionària multimodal que proporciona adequada retenció i elució dels anàlits sense necessitat d’emprar formadors de parell iònic o concentracions elevades de sals en la fase mòbil. Els mètodes LC- MS/MS desenvolupats, han demostrat bons paràmetres de qualitat i s'ha aconseguit arribar a la sensibilitat necessària per a determinar els anàlits al nivell de concentració fixat pel MRL de cada matriu. D’altra banda, s’ha estudiat el comportament per espectrometria de masses de les famílies de compostos esmentades, i s’han establert les rutes de fragmentació per poder determinar les transicions més sensibles i selectives. L’estudi de les rutes de fragmentació també ha permès la identificació d’un ió característic per als fenicols, que pot ser emprat en mètodes de cribratge per a la identificació de compostos anàlegs. També s’ha estudiat la formació d'adductes en espectrometria de masses en tàndem amb diferents analitzadors de masses, fenomen que pot distorsionar els espectres de fragmentació i dificultar la identificació de compostos en base a aquests. Així, s’ha determinat que els factors clau en la formació d’aquests adductes són la configuració de l’instrument, especialment pel que respecta a la disposició de la font d’ionització, la humitat del gas de col·lisió emprat i el temps de residència en l’analitzador. Finalment, s’ha aplicat l’anàlisi per injecció en flux (FIA) acoblat a l’espectrometria de masses d’alta resolució pel desenvolupament d'un mètode de cribratge ràpid per a l'anàlisi directa i global de nous productes estupefaents. En aquest cas, s’han avaluat les estratègies d’identificació per espectrometria de masses més adients per a la identificació de compostos desconeguts que han permès identificar la presència de medicaments humans i veterinaris (benzocaïna, levamisol) com a adulterants en mostres d’estupefaents així com la presència de metamizol en una mostra fraudulenta de cocaïna. / The impact of the residues of veterinary drugs on human health is considered one of the biggest problems of the 21st century. For this reason, maximum residue levels (MRLs) for these compounds in foodstuffs of animal origin have been established in many countries. So, there is a need for fast, sensitive and selective methods for the control of the presence of said residues in foods. Liquid chromatography coupled to mass spectrometry is the technique of choice for method development, as it provides high sensitivity and selectivity and high quality spectral information. In this work fast, sensitive and selective LC-MS methods for the determination of two families of veterinary drugs, phenicols and aminoglycosides, in foodstuffs from animal origin have been developed. The liquid chromatography separation of these polar analytes has been evaluated using different stationary phases to achieve good retention and elution for all compounds. A fused-core phenyl-hexyl column has been proposed for the separation of phenicols, whereas a mixed-mode column has been used for the highly polar aminoglycosides. Moreover, the behavior of phenicols and aminoglycosides has been studied using different atmospheric pressure ionization sources to determine the most intense and selective product ions for quantitation and confirmation and to propose their fragmentation pathways. Also, multistage tandem mass spectrometry has been utilized to propose new structures and fragmentation mechanisms for the product ions used for quantitation and confirmation of the studied compounds. Ion-molecule adduct formation inside the mass analyzer has been observed, which can lead to dubious identifications due to the presence of product ions of m/z difficult to explain. So, the importance of several factors such as instrument configuration and CID gas purity in adduct formation has been examined. Finally, the applicability of a direct analysis method such as FIA coupled to high resolution mass spectrometry has been evaluated for the wide-range screening of psychoactive substances. Data dependent analysis has been employed to obtain high quality spectral information that allowed the identification of target, suspect and unknown compounds in the samples. Moreover, the use of in silico fragmenter softwares in combination with the structural information from the product ion scan spectra has been proposed for the identification of unknown compounds.

La tècnica de LA-ICP/MS presenta certs avantatges respecte altres tècniques d'anàlisi molt interessants per l'aplicació en el Camp de l'estudi del Patrimoni Cultural. Per una banda l'Ablació Laser aporta la possibilitat de la presa de mostra no manual, metodologia en moltes ocasions, més adequada en termes de destructivitat que els mètodes tradicionals. D'altra banda l'ús d'un ICP/MS com a detector aporta un nivell de sensibilitat per a la detecció de majoritaris i minoritaris però també de components en molt baixes concentracions que permet l'obtenció de resultats amb molt poca quantitat de mostra. Malgrat això, el seu ús per la caracterització materials d'objectes del Patrimoni Cultural està molt restringit i fins a dia d'avui només es troben estudis aplicats a objectes ceràmics, metàl·lics i algunes aproximacions a materials d'arxiu, però no en l'aplicació específica a obra pictòrica. Una de les restriccions més importants ve relacionada amb les dimensions dels objectes, en general massa grans per ser analitzats en equips comercials. Des d'un punt de vista analític existeixen dos aspectes importants a tenir present per la caracterització material d'aquest tipus d'objectes. Per una banda la heterogeneïtat intrínseca que presenten, fet que implica una complexitat important per la gran varietat de materials i estructures que es poden trobar. Per l'altre, la necessitat de conservar la integritat física, el que limita en molts casos la metodologia i procediments que es poden aplicar. En aquest context, l'objectiu d'aquesta tesi doctoral ha estat el desenvolupament d'un sistema de LA-ICP/MS per a la caracterització material no destructiva d'objectes del Patrimoni Cultural i la seva aplicació a diferents tipologies d'objectes, especialment a Pintura de Cavallet i Materials d'Arxiu. Dues de les aportacions més importants en el marc d'aquest treball han estat el desenvolupament d'un sistema òptic i la construcció d'una cel·la d'ablació. El sistema òptic permet dirigir el laser sobre un punt concret de l'objecte. A més permet també controlar tant el diàmetre del feix làser incident (diàmetre dels cràters d'ablació 100 µm) com la zona irradiada mitjançant una microcàmera de control. D'altra banda la cel·la d'ablació dissenyada és de fons obert i pot ser posicionada en qualsevol punt de l'objecte permetent l'anàlisi in situ sense restriccions en les seves mides, sense la necessitat d'extreure una mostra prèviament. Finalment l'aplicació de polsos successius sobre un mateix punt permet obtenir la informació estratigràfica, amb bona resolució espaial, tant en superfície com en profunditat. En l'aplicació a Pintura de Cavallet els objectius responen a l'avaluació del senyal obtingut, la capacitat d'identificar la composició tant de majoritaris com de minoritaris, així com la resolució en profunditat, per l'adquisició de la informació estratigràfica de capes pictòriques i de preparació, fent especial èmfasi en la capacitat de detectar capes primes com veladures. Aquesta fase es va dur a terme mitjançant l'anàlisi de pintures simulacre realitzades al laboratori i també amb obra real. En el cas d'obra real s'han analitzat dues pintures sobre taula, una amb tècnica al tremp Verge amb el nen i un àngel atribuïda a Jan Massys, i una a l'oli titulada Retrato de Piero de Medici 'il Gotoso', de Jacomo Pontormo. En ambdós casos s'ha determinat la composició tant de superfície com de capes subjacents i s'ha contribuït a la contextualització i atribució de les obres. En el cas de Material d'Arxiu, l'estudi s'ha centrat també en la caracterització material de manuscrits antics, fabricats a mà de draps i escrits amb tinta ferrogàl·lica. En aquest cas s'han estudiat les capacitats en termes de caracterització i distribució espaial en superfície, tant dels materials constitutius com dels efectes induïts per tractaments de conservació, en especial de desacidificació i laminació, avaluant els efectes de factors de corrosió i la seva influència en la conservació dels manuscrits. Per les dues aplicacions la tècnica ha aporta informació útil i es constitueix com una alternativa complementària a altres tècniques utilitzades en el camp com el SEM-EDX o FTIR. / Laser Ablation -ICP/MS is a technique which presents certain advantages regarding analysis of objects from Cultural Heritage field. In one hand the Laser Ablation device provides and alternative sampling procedure that may be more suitable for the analysis in this context. On the other hand the use of the ICP/MS as a detector, allows for the determination of the elemental composition in a wide range of concentrations with a minimum amount of material required. Nevertheless, its use for the material characterization of Cultural Heritage objects is highly restricted and only some experiences are published on the field of ceramic objects, metallic and some few cases study in manuscript analysis, but not on the analysis of paintings. One of the main drawbacks is the dimensions of the objects. As a consequence there are no commercially available instruments for LA-ICP/MS, including ablation cell, that permit the analysis of large objects like artworks neither Laser Ablation systems for “in situ” sampling had not been described until recently. From an analytical point of view, there are two primary concerns when characterizing works of art composition: the heterogeneity in the distribution of the components, at the macro and micro levels, and the need to preserve the physical integrity of each object In order to accomplish the analysis of objects regardless their size and material heterogenic composition, a specific optical system and ablation cell have been designed and coupled to the ICP/MS. The whole system has been applied on two different type of objects, easel Painting and Manuscripts, and some capabilities for each application evaluated. The capability of the developed LA-ICP/MS system for the analysis of paintings was evaluated in terms of damage produced on the artwork and its potential for stratigraphic composition determination by analyzing real painting such as the portrait of a member of the Medici Family attributed to Jacopo Pontormo, and a mannerist painting attributed to Jan Massys. Regarding the application to Manuscripts the main objective was the characterization of the original material composition and the effects of some restoration interventions in the pH, corrosion and degradation, evaluating the superficial resolution and the possibility to perform maps of the distribution. Results were compared with those obtained by SEM/EDX and FTIR.

Tesi realitzada amb el suport tècnic de l'Institut de Química Teòrica i Computacional (IQTCUB) / Thesis made within the research facilities of the Institute of Theoretical and Computational Chemistry (IQTCUB) / This thesis presents a theoretical and computational approach to the accurate description of magnetic exchange interactions in a variety of complex systems. These include two main families of compounds. The first family is formed by inorganic coordination complexes, presenting localized magnetic centres and well-defined crystal structures. The second family consists of purely organic, π−conjugated odd alternant neutral polyradicals, which display a much larger structural flexibility and greater delocalization of the unpaired electrons over the π system. The thesis has two main parts. The first one refers to the adopted strategy for the accurate extraction of magnetic exchange interactions. The systems used to investigate this issue are coordination compounds of increasing complexity, including heterobinuclear and homotrinuclear complexes, for which experimental crystal structures and magnetic data are available. The adopted strategy is based on the mapping approach, which relies on a one to one correspondence between the non-relativistic, time-independent exact Hamiltonian and two model spin Hamiltonians, the so-called HDVV and Ising. Ultimately, the mapping approach consists on describing both the energy and the wave function of the pure spin states by means of broken symmetry functions, using a spin projector to establish a univocal relation. In this thesis, a detailed analysis of the mapping approach has enabled establishing an alternative and accurate manner for extracting magnetic interactions in complex systems. By pointing out two main deficiencies that make the standard mapping approach proposed by Noodleman not appropriate to certain systems, and following previous work in our group, we propose an alternative approach. This is based on a direct use of the energy of the broken symmetry solutions which are mapped into the energy expectation values of the corresponding broken symmetry solutions of the HDVV Hamiltonian. This strategy relies on the one-to-one correspondence of the diagonal terms of the HDVV and Ising matrix representations. This proposal has been applied to the three-centre three-electron problem, and is further verified by comparison of the calculated coupling constants with the available experimental data and by means of effective Hamiltonian theory. The exchange coupling constant values obtained with this approach are consistent. Additionally, effective Hamiltonian theory offers the possibility to check whether the system can be described as a Heisenberg system. The second part of the thesis deals with purely organic π−conjugated neutral radicals interacting through-bond, and applies the strategy developed for inorganic molecules to extract the magnetic coupling constants between the unpaired electrons in these compounds. On the basis of chemical stability, different building blocks are investigated. Then, by considering different coupling schemes (strategies to assemble them leading to different dimensionalities) and the role of structural flexibility, the main goal of the investigation is to establish the main electronic and structural factors to enhance the stability of the radical centres and promote a robust ferromagnetic interaction among them. Thus, Chapter 1 compares explicitly through-space and through-bond interacting organic radicals, providing experimental arguments for the choice of the latter as building blocks. Chapter 2 introduces the theoretical foundations on which all computational methodologies used in this thesis are based. Chapter 3 provides an analysis of electronic structure methods to establish an accurate scheme to compute magnetic coupling constants in complex systems with well-defined structural parameters. Based on different studies on organic polyradicals, Chapter 4 offers reliable arguments to design purely π−conjugated organic polyradical interacting through-bond, with large S value, high-spin ground state, robust ferromagnetic properties, strong magnetic anisotropy and chemical stability. The appearance of a secondary structure in these flexible molecules is found to be crucial for stabilizing the polyradical high-spin ground state. Altogether, the main conclusions of this thesis are that the proposed strategy for the extraction of magnetic exchange interactions provides consistent results and the proposal for using linear π-conjugated polyradicals, based on molecular units derived from triarylmethyl radicals, to achieve robust ferromagnetic properties in stable purely organic systems. / Esta tesis presenta un estudio teórico y computacional sobre la predicción precisa de constantes de acoplamiento magnético en una serie de sistemas complejos. Estos incluyen dos familias de compuestos principales. La primera familia está formada por complejos de coordinación inorgánicos, los cuales presentan centros magnéticos localizados sobre los átomos metálicos y estructuras cristalinas bien definidas. El segundo grupo se trata de radicales puramente orgánicos, con conjugación del sistema π, los cuales presentan una flexibilidad estructural mucho mayor y una deslocalización de los electrones desapareados más extensa. La tesis tiene dos partes principales. La primera se dedica a establecer una estrategia para la extracción de constantes de acoplamiento magnético, lo cual se lleva a cabo en una serie de complejos de coordinación heterodinucleares y homotrinucleares. La estrategia se basa la propuesta de una formulación alternativa del mapping approach, que evita el uso de un proyector de espín y con ello las deficiencias derivadas de ello, en comparación con la formulación inicial propuesta por Noodleman. Esta propuesta es aplicada al problema de tres-electrones tres-centros, y validada por comparación con el experimento y a través de le teoría del Hamiltoniano efectivo. La segunda parte de la tesis se centra en compuestos radicalarios puramente orgánicos π—conjugados, que presentan interacción entre los electrones desapareados a través de enlace. Con el objetivo de promover la estabilidad química de los centros radicalarios, diferentes unidades básicas son consideradas. En base a diferentes esquemas de acoplamiento de estas unidades, y del papel de la flexibilidad estructural, el principal objetivo es establecer los principales factores electrónicos y estructurales para aumentar la estabilidad del radical y promover una interacción ferromagnética robusta entre ellos. Las principales conclusiones de la tesis son dos: primero, la propuesta para extraer constantes de acoplamiento en sistemas complejos resulta en valores consistentes; segundo, esta tesis propone utilizar poliradicales lineales π-conjugados, basados en unidades moleculares derivados de poliarylmethyl radicales, para lograr propiedades ferromagnéticas robustas en sistemas puramente orgánicos estables.

La tomografia elèctrica de resistivitat és una tècnica geofísica no intrusiva àmpliament utilitzada en la caracterització de les propietats elèctriques del subsòl i, més recentment, en el seguiment de processos dinàmics, tant amb elèctrodes en superfície com en fondària. Un dels aspectes clau en la seva utilització és l'elecció de la configuració més adient a cada context. Si s'utilitzen elèctrodes en fondària aquesta elecció no és fàcil, ja que les capacitats d'aquest tipus de configuracions no estan tan establertes com les de superfície. A més, en el cas d'estudis de seguiment de processos dinàmics pot ser necessari reduir el nombre de dades de les configuracions per a ajustar el temps d'adquisició a la durada del procés a seguir. La utilització de la tomografia elèctrica amb elèctrodes en fondària i la seva aplicació per al seguiment de processos dinàmics implica situar dels elèctrodes en pous i utilitzar noves tècniques d'inversió per a l'obtenció dels models de les variacions de la resistivitat en l'experiment. Els objectius principals d'aquesta tesi han estat cercar estratègies d'adquisició de dades que permetin simplificar l'elecció de la configuració més adient reduint alhora el temps de registre, i comparar diferents tipus d'instal.lacions d'elèctrodes en pous i diferents tècniques d'inversió per a l'obtenció dels models de variació de la resistivitat del subsòl en estudis de seguiment. En aquesta tesi es presenten dues estratègies d'adquisició i el disseny d'un experiment de seguiment de la perforació del túnel de la nova línia L9 del metro de Barcelona. La primera estratègia es va desenvolupar a partir de l'estudi de la llei d'addició del potencial, el teorema de reciprocitat i les relacions entre diferents configuracions. Aquesta estratègia es va centrar en estudis de caracterització amb elèctrodes en superfície i es va validar mitjançant simulacions i dades experimentals. Es va crear una nova configuració tetra-electròdica capaç de generar les dades dels dispositius Wenner-Schlumberger i dipol-dipol, però amb un menor temps d'adquisició. A més, es va introduir un control de qualitat de les dades, semblant al que s'obtindria comparant dades normals i recíproques, sense augmentar el temps de registre. En la segona estratègia es va quantificar la detecció d’anomalies i la simetria en el patró de sensibilitat de les configuracions d’elèctrodes. Aquesta estratègia es va centrar en les configuracions d’elèctrodes en pous i es va validar mitjançant la simulació d’un experiment de seguiment de la migració d’un plomall. A partir dels resultats obtinguts es va crear una configuració optimitzada utilitzant les combinacions d’elèctrodes amb els majors valors de detecció d’anomalies i amb la menor simetria en el patró de sensibilitat. Aquesta configuració optimitzada va permetre reduir d’una manera important el temps d’adquisició i mantenir la resolució espacial necessària per a resoldre l’experiment plantejat. L’experiment de seguiment de la perforació del túnel de la línia L9 del metro de Barcelona va incloure la fabricació i instal·lació dels elèctrodes en pous, i la comparació entre diferents tècniques d’inversió per a l’obtenció dels models de variació de la resistivitat durant la perforació. La construcció i instal·lació dels elèctrodes en els pous es va utilitzar per a establir els aspectes més importants a tenir en compte a l’hora d’escollir el tipus d’instal·lació desitjada, permanent o no permanent. La comparació entre les diferents tècniques d’inversió va permetre identificar la més adient i discriminar entre els canvis de resistivitat deguts a la perforació del túnel i els deguts al propi procés d’inversió. Aquesta tesi suposa una contribució important en tomografia elèctrica, tant per a estudis de caracterització com de seguiment de processos dinàmics. Les estratègies desenvolupades permeten postergar l’elecció de la configuració d’elèctrodes més adient a cada context inclús després de la interpretació dels models de resistivitat i optimitzar les combinacions a enregistrar amb la finalitat d’ajustar el temps d’adquisició a les exigències de cada experiment mantenint una resolució espacial adequada. L’experiment realitzat va permetre establir una metodologia d’actuació en estudis de seguiment de processos dinàmics amb elèctrodes entre pous. / Electrical resistivity tomography is a non-intrusive geophysical technique widely used for subsurface electrical properties characterization and, more recently, for dynamic processes monitoring, both using surface and deep electrodes. A key aspect is the choice of the most suitable configuration in each context. If deep electrodes are used this choice can be difficult because the capabilities of such configurations are not as well established as the surface ones. Besides, in the case of monitoring experiments may be necessary to reduce the data quantity to adjust the acquisition time to the length of the process to be followed. The use of electrical tomography with deep electrodes and its application for monitoring involves placing the electrodes into boreholes and to use new inversion techniques to obtain the resistivity variations models. The main objectives of this thesis is searching acquisition strategies to simplify the choice of the most suitable configuration while reducing the acquisition time, and evaluating different types of electrode installation into boreholes and different inversion techniques to obtain the resistivity variations models in monitoring experiments. In this thesis, two acquisition strategies and the design of an experiment which consisted of monitoring the tunnel drilling of the new metro line, L9, in Barcelona, are presented. The strategies developed here allow delaying the choice of the most suitable electrode configuration even after the interpretation of the resistivity models and optimizing configurations to adjust its acquisition time to the requirements of each experiment maintaining an adequate spatial resolution. The monitoring experiment of the tunnel drilling of the metro line, L9, in Barcelona included the manufacture and installation of the electrodes into boreholes, and the comparison between different inversion techniques to obtain the resistivity variation models. This experiment allowed us to establish a methodology in monitoring experiments with deep electrodes.

La introducció dels feixos amb polaritzacions no uniformes ha aportat grans avenços en multitud d'àrees. En un nivell més fonamental, ha permès entendre la naturalesa de la llum d'una manera més amplia, estenent les teories òptiques conegudes, com ('escalar, a d'altres més precises com la vectorial. La síntesi de feixos amb una distribució no uniforme de la polarització segueix sent una tasca desafiant. Mentre que algunes tècniques utilitzen sistemes totalment òptics, en aquesta tesi, s'ha optat per incorporar dispositius optoelectrònics per modular la llum, obtenint així una major flexibilitat a la hora de dissenyar el feix. Per altra banda, el muntatge òptic utilitzat està basat en un interferòmetre de Mach-Zehnder per tal de manipular les dues components del feix, d'una manera independent, en cada braç de l'interferòmetre. D'aquesta manera, utilitzant en cada braç de l'interferòmetre un modulador de cristall líquid, tenim la capacitat de modular ambdues components del feix incident. Aquests moduladors són els proporcionats per Holoeye, concretament el model HEO 0017, els quals treballen en transmissió. Compten amb una configuració pixelada, dotant-nos d'una capacitat de modulació espacial amb una resolució de 32gm. Complementant aquesta modulació amb una tècnica d'holografia digital, som capaços de modular tant l'amplitud com la fase d'ambdues components del camp i, per tant, d'esculpir qualsevol forma amb qualsevol distribució de la polarització. Per tal de mostrar aquesta flexibilitat, s'ha sintetitzat un conjunt de feixos amb diversos perfils i diverses distribucions de la polarització. Els feixos generats s’han avaluat mitjançant un analitzador, compost d’una làmina retardadora λ/4 i un polaritzador lineal, enfront d’una càmera CCD de 14 bits de rang dinàmic del model Stingray F080B A5G. D’aquesta manera, s’han obtingut les distribucions dels paràmetres d’Stokes en el pla de la càmera. Aprofitant aquesta capacitat de modulació, s’ha dissenyat una tècnica d’encriptació hologràfica utilitzant el mateix sistema òptic amb lleugeres modificacions. Les claus secretes, que garanteixen la seguretat en la codificació, són màscares de polarització. Per incrementar el nivell de seguretat del sistema, s’han afegit dos paràmetres físics necessaris per poder desencriptar la informació. A més, s’ha simulat, sobre els resultats experimentals obtinguts, la resposta del sistema sota condicions de molt baixa il·luminació. Aquestes condicions, sovint utilitzades en treballs previs, augmenten significativament la robustesa del mètode d’encriptació. Un cop garantida la correcta manipulació d’ambdues components d’un feix paraxial, s’ha procedit a desenvolupar un marc teòric per sintetitzar feixos altament focalitzats amb una polarització tridimensional arbitrària. Per tal d’obtenir aquests feixos, s’ha utilitzat un objectiu de microscopi amb una obertura numèrica de NA=0.85, on s’ha modulat el camp en la pupil·la d’entrada mitjançant el mètode hologràfic anterior. El disseny del camp en la zona focal, en funció de la distribució de la polarització en la pupil·la d’entrada, s’ha realitzat en el marc de la teoria vectorial desenvolupada per B. Richards i E. Wolf. Per avaluar el funcionament del sistema, s’ha sintetitzat un feix altament focalitzat amb polarització circular en qualsevol pla, i s’ha comparat els resultats obtinguts experimentalment amb els extrets numèricament. La definició del grau de polarització en feixos altament focalitzats, encara ara, genera certs debats degut a que no es pot expandir d’una manera inequívoca com una suma directa del camp totalment polaritzat i del camp totalment despolaritzat. En aquesta tesi, hem fet l’estudi en el marc dels paràmetres d’Stokes generalitzats, obtenint una correspondència entre la distribució del paràmetres d’Stokes en la pupil·la d’entrada i la distribució del paràmetres d’Stokes de la contribució transversal del camp focalitzat. S’ha proposat un feix paraxial, que, un cop focalitzat, genera un camp amb les components transversals despolaritzades i que compta amb una component longitudinal no nul·la. Aquests tipus de feixos són de gran utilitat, entre d’altres camps, en la confecció de capes de invisibilitat. / Non uniformly polarized beams have provided great strides in many areas. The synthesis of arbitrary polarized beams remains a challenging task. While some techniques use full optics systems, in this dissertation we introduce a system where optoelectronic devices modulate the light, providing more flexibility in the beam design. Complementing this modulation with a digital holography method, we modulate both amplitude and phase of the field. Moreover, the optical assembly is based on a Mach-Zehnder interferometer where the two components of the field can be independently manipulated in each arm of the interferometer. Applying an arbitrary modulation in both compontents, we can sculpt any profile with any distribution of polarization. To show this flexibility, a set of beams with multiple profiles and polarization distribution have been presented. In addition, taking this modulation capability, we introduce an holographic encryption technique where the secret keys are polarization masks. Two physical parameters are necessary to decrypt the information, increasing the security of the system. We have simulated the system response under very low illumination. Once guaranteed the flexibility in the design of paraxial beams with arbitrary polarization distribution, a theoretical framework to synthesize highly focused beams with an arbitrary three-dimensional polarization has been developed. The B. Richards y E. Wolf theory relates the polarization distribution on the entrance pupil of a microscope objective with the vectorial structure of the field in the focal region. To evaluate the performance of the system we have implemented a highly focused beam (NA=0.85) with circular polarization in any plane. The definition of the degree of polarization in highly focused beams even now generates some discussion because it can not be expanded unequivocally as a direct sum of completely polarized fields and completely depolarized fields. In this thesis, we have made the study within the frame of generalized Stokes parameters. We have obtained a correspondence between the distribution of the Stokes parameters in the entrance pupil and the distribution of the transverse Stokes parameters in the focused field. We have proposed a paraxial beam, which once focused, it generates a field with the transverse components depolarized and a non-zero longitudinal component.