La industria farmacéutica tiene por finalidad fabricar un fármaco que cumpla unas condiciones de calidad que aseguren la satisfacción del usuario, lo que solo puede conseguirse mediante el cumplimiento de criterios estrictos de calidad. El proceso de fabricación es complejo y variado, consta de distintas etapas y se lleva a cabo por lotes. Hasta el momento presente la forma habitual de asegurar la calidad del producto final es la determinación de parámetros de calidad del producto acabado y este proceso es previo y necesario para la liberación del producto. Asegurar la calidad es un proceso largo, implica la utilización de diferentes técnicas analíticas, costoso y lento que afecta de manera importante a la productividad de la empresa. Por ello la Food and Drug Administration (FDA) promueve una iniciativa, Process Analytical Technology (PAT), que tiene por objeto incorporar al proceso productivo nuevas tecnologías que aporten un mejor y más amplio conocimiento del proceso productivo, reduzcan el tiempo de control y aumenten la productividad. Se han propuesto una amplia variedad de técnicas instrumentales capaces de aportar soluciones a este reto, pero sin duda es la Espectroscopía NIR la más adecuada por sus características propias tales como: rapidez, no preparación de muestra, capacidad de determinación de la composición química y de propiedades físicas, facilidad de incorporación al proceso productivo, etc. Con el objeto de aportar mejoras en diferentes etapas relacionadas con los procesos de producción farmacéuticos que permitan asegurar la calidad del fármaco no solo en el final del proceso productivo sino también en etapas intermedias del proceso, hemos abordado el estudio de la aplicación del NIR en algunas situaciones de interés de la fabricación mediante la aplicación de nuevos métodos basados en espectroscopía NIR tanto convencionales como de técnicas de Imagen Química. La finalidad última es que las aplicaciones desarrolladas se implanten en el proceso productivo, bien en el control de fases intermedias bien en el del producto acabado reemplazando las actuales metodologías; el conseguirlo será la palpable demostración de que se han alcanzado los objetivos propuestos. En la realización de la tesis se han publicado 5 trabajos en revistas científicas en los campos de la Química Analítica y del Análisis Farmacéutico que pueden agrupar atendiendo a su aplicabilidad dentro de la industria farmacéutica: Se han propuesto nuevos métodos analíticos para la determinación del principio activo, API, en tres fármacos acabados; estos métodos son una alternativa mucho más rápida y simple que los métodos convencionales a los que substituyen. En uno de estos estudios se demuestra la posibilidad de crear modelos de calibración sin necesidad de aplicar métodos de referencia para establecer la concentración de las muestras de calibración; puede decirse que la espectroscopia NIR puede considerarse un método absoluto de análisis en el campo farmacéutico. En otro se pone de manifiesto la capacidad de determinar componentes a muy baja concentración ( 0.02 %) en una matriz altamente absorbente (gel hidro-alcohólico); se demuestra que la sensibilidad de la técnica es mayor que lo que recoge la bibliografía. Esta mejora se obtiene por la aplicación adecuada de técnicas de diseño experimental. Estos estudios se realizaron mediante medidas en el laboratorio de investigación con un espectrofotómetro NIR convencional. En otro trabajo se ha utilizado un espectrofotómetro NIR portátil que dispone de una sonda de fibra óptica para realizar la monitorización de un proceso de granulación y secado de una mezcla en un equipo de lecho fluido a través del registro de los espectros NIR durante el proceso. En este estudio se ha realizado el seguimiento de tres parámetros de interés a lo largo del proceso mediante medidas no invasivas en tiempo real. Los espectros registrados se han utilizado de dos maneras distintas: preparación de modelos cualitativos, a través de un Análisis en Componentes Principales (PCA), en el que los scores a lo largo del proceso permiten seguir la evolución del proceso de granulación y por otro lado la preparación de modelos cuantitativos en los que se han construido modelos PLS para la determinación de humedad, distribución de tamaño de partícula y de densidad. Estos trabajos constituyen estudios preliminares enfocados a futuras aplicaciones PAT para su implementación en la industria farmacéutica. También hemos iniciado una nueva línea de investigación consistente en el desarrollo, dentro de nuestro grupo de investigación, de estudios de Imagen Química - NIR, con la que se pretende explorar nuevas posibilidades dentro del campo farmacéutico que ofrecen estas técnicas en estudios de distribución de componentes en procesos de mezcla, homogeneidad de preparados farmacéuticos, análisis no destructivos de muestras sin realizar calibración con datos químicos de referencia, etc. Todos ellos son temas de gran relevancia y que hasta ahora no había sido posible abordar de forma adecuada. El trabajo realizado en la presente Tesis toma el relevo a otros estudios ya realizados en el grupo de investigación y a la vez abre nuevas perspectivas de trabajos futuros de gran interés farmacéutico y que en algunos casos ya se han iniciado y que darán lugar a nuevas tesis. / The pharmaceutical industry aims to manufacture a drug that meets quality conditions that ensure user satisfaction, which can only be achieved through compliance with strict quality criteria. The manufacturing process is complex and diverse, comprising different stages and takes place in batches. Up to now the standard way of ensuring final product quality is the determination of quality parameters of the finished product and this process is necessary prior to the release of product. Ensuring quality is a long process, involving the use of different analytical techniques, expensive and slow that significantly affects the productivity of the company. Therefore, the Food and Drug Administration (FDA) promotes initiative, Process Analytical Technology (PAT), which aims to incorporate new technologies into the production process to provide a better and wider knowledge of the production process, reduce time and increase control productivity. A wide range of instrumental techniques capable of finding solutions to this challenge have been proposed, but it is certainly the most suitable NIR spectroscopy for their characteristics such as speed, no sample preparation, ability to determine the chemical composition and physical properties, ease of incorporation into the production process, etc.. In order to bring about improvements in various stages associated with pharmaceutical production processes to ensure the quality of the drug not only at the end of the production process but also in intermediate stages of the process, we have approached the study of the application of NIR in some situations of interest in the manufacture through the application of new methods based on NIR spectroscopy both conventional and chemical imaging techniques. The ultimate goal is that applications developed are implemented in the production process, either in control or in the intermediate stages of the finished product replacing the current methodologies; the get will be the tangible proof that they have met their stated objectives. Within this thesis published 5 papers in scientific journals in the fields of analytical chemistry and pharmaceutical analysis have been published that can be grouped according to their applicability within the pharmaceutical industry: Have proposed new analytical methods for determining the active ingredient, API, finished on three drugs, these alternative methods are much faster and simpler than conventional methods which substitute. In one of these studies demonstrate the ability to create calibration models without the need for reference methods to establish the concentration of calibration samples, it can be said that NIR spectroscopy can be considered an absolute method of analysis in the pharmaceutical field. In another demonstrates the ability to identify components at very low concentration (0.02%) in a highly absorbing matrix (hydro- alcoholic gel) shows that the sensitivity of the technique is greater than that which gathers the literature. This improvement is obtained by proper application of experimental design techniques. These studies were performed using measures in the research laboratory with a conventional NIR spectrophotometer. Another study used a portable NIR spectrophotometer which has a fibber optic probe for monitoring a process of granulation and drying a mixture in a fluidized bed through the recording of NIR spectra during the process. This study has followed up on three parameters of interest throughout the process by non-invasive measures in real time. The recorded spectra have been used in two ways: qualitative modelling, through a principal component analysis (PCA), in which scores throughout the process can follow the evolution of granulation process on the other hand quantitative modelling in which PLS models were constructed for the determination of moisture, particle size distribution and density. These documents are preliminary studies focused on future applications for deployment PAT in the pharmaceutical industry. We have also launched a new line of research consists of development within our research group, imaging studies Chemistry - NIR, which aims to explore new possibilities within the pharmaceutical field that offer these techniques in studies of distribution of components in mixing processes, homogeneous pharmaceutical preparations, non-destructive analysis of samples without performing calibration reference chemical data, etc.. All are topics of high importance and so far not been possible to address adequately. The work in this thesis takes over to other studies undertaken in the research group at the same time opens new perspectives for future work of great pharmaceutical interest and in some cases have already begun and will bring forward new theses.

Conseguir una elevada calidad en el producto acabado es un reto cada día más importante en la industria moderna. Para asegurar esta calidad los productos antes de salir al mercado, deben cumplir especificaciones estrictas establecidas tanto por organismos reguladores como por el propio mercado. Con el objetivo de proporcionar a la industria nuevas metodologías de análisis se han desarrollado diversos trabajos basados en la espectroscopia NIR. Se ha colaborado con la industria del mortero y la farmacéutica ofreciéndoles soluciones concretas a sus problemas analíticos. En el primer trabajo junto con la industria del mortero, se han desarrollado modelos de cuantificación para aditivos en morteros. Se ha desarrollado un diseño de muestras original basado en la figura del antiprisma de base hexagonal, donde se han tenido en cuenta el rango de concentración de los analitos. Para incorporar la variabilidad de los aditivos, se usó el diseño D-óptimo que proporcionó las diferentes combinaciones entre clases de aditivos. Se ha obtenido un modelo de calibración PLS para cada aditivo, presentando ambos una correcta capacidad predictiva. Los métodos desarrollados han sido validados con un conjunto de muestras externas. En un segundo estudio realizado con áridos (materia prima de los morteros), se han estudiado 2 perfiles diferentes de distribución de partículas con diferente número de puntos en la curva (número de tamices utilizado en la determinación). Se han construido 2 modelos de calibración (PLS2 y ANN) para cada curva con el objeto de obtener la mejor calidad de ajuste en términos de coeficiente de correlación entre la curva de referencia y la predicha por el modelo quimiométrico y obtener los mejores errores de predicción. Los 4 modelos de calibración proporcionan resultados estadísticamente iguales, en cuanto al error de predicción, demostrando la posibilidad de obtener curvas de distribución de tamaño de partícula a partir de datos NIR y modelos de calibración PLS2 y ANN. El uso de ANN como técnica de modelado no lineal no mejora estadísticamente los resultados. Los siguientes trabajos se han realizado para la industria farmacéutica. El principal nexo de unión es la construcción de modelos de calibración sin usar método de referencia para obtener la variable dependiente. En el primer trabajo se ha realizado un estudio de determinación de API a lo largo del proceso de fabricación estudiando las diferentes variables que pueden afectar al proceso (tamaño de partícula, forma galénica, presión de compactación y grosor de la capa de lacado) y se han propuesto diferentes estrategias que tienen por objeto construir modelos de calibración simples y adecuados para la cuantificación del API en las diferentes etapas del proceso. En el segundo y tercer trabajo para la industria farmacéutica se ha desarrollado y aplicado una nueva metodología para construir conjuntos de calibración adaptados a cada tipo de comprimido. Dicha metodología se basa en la obtención del espectro proceso calculado como diferencia entre el espectro de un comprimido de producción y el de una muestra de laboratorio en polvo de la misma composición. El conjunto de diferencias calculadas para varios comprimidos constituyen un conjunto de vectores matemáticos que definen la variabilidad del proceso. Esta matriz de variabilidad se ha adicionado a un conjunto de espectros NIR de diferentes mezclas en polvo, que cubren el rango deseado de concentración del principio activo y excipientes, dando lugar a la matriz de espectros del conjunto de calibración. Aplicando el algoritmo PLS al conjunto de calibración se construye un modelo para cada uno de los analitos. Los resultados obtenidos en la predicción tanto de API como de excipientes en comprimidos de ibuprofeno y metformina muestran errores de predicción inferiores al 1,5%. / Obtaining a high quality final product constitutes a challenge with increase importance in the modern industry. The products should fulfil strict specifications established by regulatory agency just before their releasing to the market. Several new methods based on NIR spectroscopy have been developed for the industry in order to provide the optimum tools to achieve these objectives. This PhD Thesis provides the analytical knowledge to solve real industrial problems usually present in the mortar and pharmaceutical industries. Two studies have been conducted for the cement industry, with the aim of improving the value of the final product. Firstly, quantitative calibration models for additives in mortars have been developed. In order to ensure the calibration set contain natural variability of the samples, we used an experimental design to select the best representative set of samples. This novel approach is based on a hexagonal antiprism that encompasses the concentration ranges spanned by the analytes and the natural variability inherent of each additive. The D-optimality criterion has been used to obtain several combinations between additive classes. The PLS calibration models thus constructed for each additive provided accurate predictions. The ensuing analytical methods have been validated using an external sample set. Secondly, particle size distribution is a key quality attribute of mortars. Different approaches have been carried out to quantify this distribution in mortars. Two different profiles of particle size distribution have been studied and PLS2 and ANN calibration models have been calculated for each one. The objective has been to achieve the best predictive ability of the calibration models in terms of high correlation coefficient between the reference and predicted distribution curve and low prediction errors. The results obtained with the four calibration models were not statistically different. Therefore, the combined use of NIR spectroscopy and PLS2 or ANN calibration models allowed an accurately determination of particle size distribution in mortars. The use ANN for non-linear modelling of the data set has not improved the results. In the pharmaceutical field, the studies have been conducted to the determination of API at different stages of the manufacturing process and also in the final product. The main link of the following works is the development of calibration models without using reference method for determining the dependent variable. In the first work, the API concentration has been quantified throughout the entire production process of a pharmaceutical formulation. The authors have evaluated the influence of particle size, galenic form, compaction pressure and coating thickness on the NIR spectra of the sample. The eventual influence of these variables was included in the calibration model in a simple way that allowed the accurate and precise prediction of the API at the different stages of the production process. In the second and third work, a new methodology has been developed to construct calibration sets. This methodology is based on obtaining the process spectra, which is calculated by the difference between the NIR spectra for production tablets and those for laboratory samples containing the nominal concentrations of API and excipients. The body of differences thus calculated for several tablets constitutes a set of mathematical vectors that define the overall variability of the process. This new matrix is added to a set of NIR spectra for several powder mixtures spanning the desired content range for the API and excipients in order to obtain the spectral matrix for the calibration set. Applying PLS algorithm to calibration set allows constructing of calibration models for each analyte. This methodology has been applied successfully on API and excipients determination in commercial pharmaceutical tablets. In this way, tablet contents can be predicted with errors less than 1.5%.

El desarrollo de nuevos procedimientos analíticos e instrumentación automáticos para la monitorización de parámetros (bio)químicos, tales como los que afectan a la calidad del agua, es de especial importancia debido a las graves consecuencias que puede tener el uso o consumo de un agua (bio)químicamente contaminada. Los microsistemas de análisis total o dispositivos Lab-On-a-Chip son cada vez más empleados con este propósito debido a la gran integración y automatización que ofrecen estos dispositivos, a través de la miniaturización, y a la posibilidad de realizar medidas in situ. Por otro lado, el uso de nanopartículas con fines analíticos ha demostrado mejorar la sensibilidad y límites de detección de métodos ópticos. Así, esta tesis se centra en el desarrollo de microsistemas analíticos automatizados que llevan a cabo análisis colorimétricos o fluorimétricos, basados en el uso de nanopartículas como marcadores ópticos, para la rápida detección de analitos o microorganismos de contaminación hídrica, tales como metales pesados o bacterias. Sin embargo, es necesario utilizar nanopartículas con idénticas características físicas para obtener medidas analíticas fiables. Así, la primera parte de este trabajo abarca el desarrollo de microreactores para la síntesis controlada y reproducible de nanopartículas metálicas, semiconductoras y de carbono. Se muestran un total de siete microreactores, en los que se ha realizado un estudio de los parámetros de diseño e hidrodinámicos. Además, se ha implementado un sistema de detección óptica miniaturizado para la monitorización en línea de la síntesis; y se ha desarrollado un módulo térmico que permite alcanzar y controlar temperaturas de hasta 300 ºC para aquellas reacciones que lo requieran. Es de destacar que los microsistemas trabajan de forma automática y programable, lo cual simplifica el procedimiento de síntesis y mejora la reproducibilidad de las nanopartículas obtenidas. La segunda parte del trabajo se centra en el desarrollo de microsistemas analíticos basados en la utilización de las nanopartículas sintetizadas para el análisis de algún parámetro de la calidad del agua. Se han construido y evaluado dos prototipos. El primero de ellos está diseñado para la monitorización de ión mercurio en agua. El sistema se basa en el reconocimiento selectivo del analito mediante un ionóforo (un derivado de la tiourea) unido a la superficie de nanopartículas de oro. La interacción metal-ionóforo provoca un cambio en la banda del plasmón superficial de las nanopartículas, generando una señal óptica cuantificable que se registra en línea mediante un sistema óptico integrado en la plataforma microfluídica. Una vez optimizado, el dispositivo es capaz de detectar hasta 11 ppb de mercurio(II). Finalmente, y como primera aproximación al uso de nanopartículas fluorescentes en microsistemas, se ha desarrollado un prototipo para la determinación de Escherichia coli en agua utilizando como marcador la enzima β-galactosidasa. Este cambio responde a la necesidad de mejorar el sistema óptico miniaturizado (manteniendo su portabilidad y bajo coste), debido a la baja sensibilidad observada cuando nanopartículas fluorescentes fueron usadas como marcadores. El dispositivo desarrollado lleva a cabo un ensayo tipo sándwich de oligonucleótidos, dónde se emplea como sonda diana un oligonucleótido específico del patógeno. El uso de micropartículas magnéticas como sustrato soporte del ensayo permite simplificar y mejorar las distintas etapas del análisis, mientras que el enzima usado como marcador de la sonda de reconocimiento genera un producto coloreado al añadir el sustrato, registrado mediante el sistema óptico miniaturizado implementado. Tras su optimización, es posible detectar 1 ppb de la sonda diana en 20 minutos. Los resultados presentados en este trabajo muestran el gran potencial de los microsistemas analíticos automatizados basados en el uso de nanopartículas para monitorizar la calidad del agua. Se ha demostrado también la idoneidad de los microreactores para la síntesis de nanopartículas. / Demand for new automated analytical procedures and instrumentation for the continuous monitoring of (bio)chemical parameters, such as those affecting water quality, gathers special importance due to the significant consequences that the use or the consumption of (bio)chemically contaminated water might have. µ- Total Analysis Systems or Lab-On-a-Chip devices are increasingly employed with this purpose owing to the high integration and automation of these devices that allow, through miniaturization, the possibility of performing in situ measurements. Besides, the use of nanoparticles with analytical purposes has demonstrated to improve the sensitivity and detection limits of optical methods. Within this general context, the present work is focused on the development of automated analytical microsystems to perform colorimetric or fluorimetric analyses, based on the use of nanoparticles as optical labels, for the rapid detection of water pollutants or organisms, such as heavy metals or bacteria. However, the use of nanoparticles with identical physical characteristics is a must in order to obtain reliable and reproducible analytical measures. Therefore, the first part of this work is addressed to the development of microreactors for the synthesis of metallic, semiconductor and carbon nanoparticles. Seven different ceramic microreactors are developed, in which the influence of the design (dimensions and configuration of the channels) and the hydrodynamic (flow rates and dosage volumes) parameters have been studied. Moreover, a miniaturized optical detection system has been implemented for the in-line monitoring of the synthesis; and a thermal module has been also developed to reach and accurately control temperatures up to 300 ºC for when required. It is important to highlight that all prototypes operate automatically, which simplifies the syntheses and improves the reproducibility of the obtained nanoparticles. The second part focuses on the development of analytical microsystems based on the use of the nanoparticles previously synthesized for water quality analysis. Two different prototypes have been constructed and tested. The first described allows the monitoring of mercuric ion in water. The system is based on the selective recognition of the analyte by an ionophore (a thiourea derivative), attached onto gold nanoparticles surface. The metal-ionophore interaction generates a change on the surface plasmon resonance band of the nanoparticles, resulting in a quantifiable optical signal, which is in-line registered by a miniaturized optical detection system integrated in the microfluidic platform. Once optimized, the device is capable to automatically detect up to 11 ppb of mercuric ion. Finally, and as a first approximation to the use of fluorescent nanoparticles within microsystems, a prototype for the determination of Escherichia coli in water has been developed, which uses the β-galactosidase enzyme as label. This change responds to the necessity of improving the miniaturized optical system (while maintaining its portability and low cost) due to the low sensitivity observed when fluorescent nanoparticles were used as labels, which at the moment is not feasible. An oligonucleotide sandwich assay is performed in the microfluidic system based on the use of a specific oligonucleotide of the pathogen as target. On the other hand, magnetic beads are employed as substrate support of the assay, which allow simplifying and improving the different steps of the procedure, while the enzyme used as probe label generates a coloured product (o-nitrophenol) with the addition of the substrate, which is registered through the miniaturized optical system implemented. Once optimized, the device can detect up to 1 ppb of the target oligonucleotide in only 20 minutes. The presented results demonstrate the great potential of automated analytical microsystems based on the use of nanoparticles for the monitoring of water quality. Similarly, the suitability of microreactors for the synthesis of nanoparticles has been well proved.

Los estudios que se han llevado a cabo en esta tesis se basan en el desarrollo de métodos para la eliminación de contaminantes en aguas mediante procesos en lo que no se utilizan reactivos, lo que proporcionan un valor añadido al tratamiento del agua contaminada. En nuestro caso, los métodos utilizados se centrar en la eliminación de oxoaniones de arsénico y selenio en disoluciones acuosas mediante procesos de adsorción-desorción. Estos procesos caracterizados por la no utilización de reactivos se desarrollaron mediante el estudio de parámetros termodinámicos, como por ejemplo, la temperatura y/o el potencial redox de las disoluciones de estudio. Por tanto, estos métodos no solo nos proporcionarán un ahorro de reactivos en la recuperación del adsorbente, sino que permitirán el reciclado de dicho adsorbente y su reutilización. La capacidad de adsorción del arsenito/arsenato en la esponja cargada con nanoparticulas de óxido de hierro superparamagneticas (SPION) está influenciada por el pH, el tiempo de contacto, la concentración inicial, cantidad de adsorbente, la temperatura y por el potencial redox. La adsorción máxima para el arsenato en el sistema esponja-SPION se ha obtenido en medio ácido (pH 3.6) tras 1 hora a 20ºC, mientras que el equilibrio de desorción se alcanzó a las 2h a 70ºC. Las constantes del equilibrio de adsorcion se determinaron como logK20=4,198 y logK70=1.023 a 20°C y 70°C respectivamente. La disminución de estos valores se relacionan un valor de ∆G negativo, lo que indica un aumento de la adsorción de As(V) cuando la temperatura disminuye. Los valores de ∆H y ∆S calculados son -122,150 kJ mol-1 y 337 J mol-1 K-1 respectivamente, lo que indica que el proceso de adsorción es exotérmico. La oxidación de As(III) a As(V) y el proceso de reducción correspondiente fueron caracterizados para probar el concepto de potencial redox como parámetro clave en estos procesos. La oxidación de As(III) a As(V) mediante dicromato de potasio (tasa de conversión>91%) y la reducción de As(V) a As(III) mediante zinc en polvo o estaño laminado (tasa de conversión>90%) en presencia del adsorbente han mostrado el efecto que tiene el potencial redox en el proceso de adsorción. Por otro lado, también se han estudiado las características del proceso de adsorción/desorción de los aniones selenito/selenato utilizando como adsorbente nanoesferas de γ-Al2O3 y esponja cargada con SPION. La máxima adsorción que presentan selenato y selenito sobre γ-Al2O3 se alcanzó a las 6 horas en un medio ácido (pH 2) a 20ºC y a las 14h a 70ºC, respectivamente. Los estudios cinéticos y termodinámicos muestran que los datos se ajustan a una cinética de pseudo-segundo orden y a una isoterma de Frendlich. El valor de ∆H obtenido para Se(IV) y Se(VI) entre 20ºC y 70ºC fue de 13,955 KJ mol-1 y -3,927 KJ mol-1 respectivamente. Por tanto, el sistema esponja-SPION tiene una mayor capacidad de adsorción para arsenato y selenato que para arsenito y selenito. La máxima adsorción para selenato en el sistema esponja-SPION se alcanzó tras 1h en medio ácido (pH 3,6) a 20ºC y tras 6h a 70ºC respectivamente, mientras que el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio en el caso del selenito fue de 14h a 20ºC y 24h a 70ºC. En conclusión, se han estudiado el efecto que tiene sobre el proceso de adsorción-desorcion la combinación de los aspectos que depende de la temperatura con el potencial redox. El modo en columna utilizado para el tratamiento de aguas residuales, que contienen arsenato/arsenito o selenato/selenito, confirma que estos oxoaniones tóxicos se pueden eliminar con estos adsorbentes, que además pueden ser regenerados y reutilizados controlando combinando la temperatura y el uso de un agente reductor. / The studies that have been carried out in the present PhD thesis project are based on the development of methods to remove water pollutants by using reagent-less processes and to provide and added value to the contaminated water treatment. In our case, the methods are related to arsenic or selenium oxyanions removal in aqueous solution. Methods are based on sorption-desorption processes for the indicated oxyanions. Nanostructured materials have been implemented as adsorption substances, being either iron or aluminum oxides the nanoparticles active constituents. Reagent-less processes were developed by using intensive thermodynamic parameters, e.g, temperature and/or redox potential of the target solution. Appropriate tuning of these parameters will allow both process selectivity and regeneration of the adsorption material. Synergic interaction of thermo-tuning with redox variation will provide such results. Thus, this reagentless method could not only provide reagent savings for recovering the adsorbent, but also the adsorbent recycling to be reused will contribute to a-cost efficient process. The results show as follows: The adsorption capacity of arsenate/arsenite on sponge loaded with superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) is influenced by pH, contact time, initial concentration, adsorbent dosage, temperature as well as redox potential. The maximum adsorption for arsenate on sponge-SPION was obtained in an acid media (pH 3.6) in 1 hour contact time under 20ºC while desorption equilibrium was achieved with 2 hours under 70ºC. Equilibrium adsorption constants were determined as log K20=4.198 and log K70=1.023 under 20ºC and 70ºC respectively. These values correlate with the decrease of related negative ∆G° values, indicating the adsorption increase of As(V) when temperature decreases. ΔH° and ΔS° were found to be -122.150 kJ mol-1 and 337 J mol-1 K-1 respectively, indicating the adsorption reaction to be exothermic. The oxidation of As (III) to As(V) and the respective reduction processes were characterized to prove the concept of using redox potential as key parameter for a reagent-less process. Oxidation of As(III) to As(V) by potassium dichromate (conversion rate>91%) and reduction As(V) to As(III) by Zn powder or Sn foil (conversion rate>90%) in presence of the adsorbent, have shown the effect on the adsorption when tuning the solution redox potential, being As(V) of higher adsorption capacity than As(III). In addition, aqueous selenate/ selenite adsorption/desorption characteristics by γ-Al2O3 nanospheres or SPION loaded sponge were also investigated. The maximum adsorption for selenate and selenite on γ-Al2O3 nanospheres was achieved at pH 2 in 6 hours under 20ºC and 14 hours under 70ºC, respectively. The kinetic and thermodynamic studies show that they are fitted very well to the pseudo-second order and Frendlich isotherm model. The ∆H value of Se (IV) and Se (VI) between 20ºC and 70ºC were -13.955 KJ mol-1and -3.927 KJ mol-1,respectively. It shows that lower temperature favor removal of aqueous selenium. The results represent very similar adsorption phenomenon of selenate/selenite on sponge- SPION as that of arsenate/arsenite on sponge-SPION, thus, sponge-SPION has much higher adsorption capacity for arsenate or selenate than that of arsenite or selenite. The maximum adsorption for selenate and selenite on sponge loaded with SPION was achieved at pH 3.6 in 1 hour under 20ºC and 6 hours under 70ºC, respectively, while time for obtaining equilibrium of selenite needs 14 hours under 20ºC and 24 hours under 70ºC. More importantly, the temperature dependence aspects combined with the redox potential effect for controlling the adsorption-desorption process have been studied. The column mode for treating the waste water, which contains the arsenate/ arsenite or selenate/selenite systems, confirms that toxic oxyanions could be removed by the related adsorbent, which could be regenerated and reused by controlling the temperature combined with the tuning of the reducing reagent.

La urolitiasis es una de las enfermedades urológicas más frecuentes, que se producen tanto en los países industrializados como en vías de desarrollo. La tasa de incidencia es de hasta el 15% en hombres de raza blanca y el 6% de todas las mujeres. La recurrencia afecta aproximadamente a la mitad de los afectados. Los cálculos renales son agregados cristalinos que causan la obstrucción de la orina en el sistema colector renal, uréteres o uretra, resultando en dolor severo, sangrado o erosión local del tejido renal. La etiología del cálculo urinario formado es resultado de diferentes mecanismos que todavía no son bien entendidos. Los retos que plantea la litiasis urinarias son entre otros, mejores opciones terapéuticas, diagnóstico interdisciplinario y prevención secundaria. El propósito de esta tesis es ofrecer conocimiento a los retos mencionados utilizando nuevos métodos científicos o materiales. La tesis expone el trabajo desarrollado en tres áreas relativas a la urolitiasis: extracción de inhibidores clave de alimentos, determinación de inhibidores de fósforo mediante un nuevo material desarrollado, y el análisis de fraccionamiento isotópico de cobre de pacientes de urolitiasis En la primera sección se evalúa el uso de la extracción asistida por microondas (MAE) para extraer cuantitativamente los inhibidoresde litiasis ácido fítico (IP6) y pirofosfato (PPi) de nueces. Se escogieron nueces son un componente importante de la dieta humana, ricas en ácidos grasos poliinsaturados y tienen capacidad antioxidante Se optimizaron los parámetros: concentración del ácido utilizado para la extracción, el tiempo y la temperatura de tratamiento. También se ha evaluado la hidrólisis del ácido fítico. Los mejores resultados se obtuvieron para una mezcla de 0,52 M de H2SO4 y 0,66 M HCl a 100 °C durante 10 min. En comparación con el método de extracción convencional, MAE reduce el tiempo de extracción de 3h a 10 min obteniendo los mismos resultados de recuperación. La segunda sección de la tesis está dedicada a desarrollar un nuevo Polímero de Impresión Molecular (MIP) para adsorber y separar IP6 y PPi. En este trabajo, los polímeros han sido desarrollados utilizando tres compuesto organofosforados como plantilla, ácido fenilfosfónico (PA), Di‐ (2‐etilhexil) ácido fosfórico (DEHPA) y ácido pirofosfórico. El MIP se preparó mediante polimerización térmica utilizando N‐aliltiourea (AT) como monómero y dimetacrilato de etilenglicol (EGDMA) como agente de reticulación. Los resultados muestran que el MIP formado usando DEHPA presenta la mejor adsorción para IP6 y el proceso de adsorción es bastante rápido. El pH tiene un efecto significativo sobre el comportamiento de adsorción de IP6, PPi y fosfato por lo que utilizando diferentes concentraciones de pH IP6, PPi y fosfato pueden separarse mediante el uso del MIP en una extracción en fase sólida. La tercera parte de la tesis considera un aspecto fisiológico de la urolitiasis. En la literatura se describe al Cobre como inhibidor del crecimiento de cálculos renales y una disfunción en el metabolismo del cobre puede estar relacionado con la etiología de la enfermedad. El estudio de la relación isotópica de cobre en sangre (suero y glóbulos rojos) de pacientes urolitiásicos del área de Barcelona se analizó y comparó con controles sanos. El Cu se separó y purificó mediante cromatografía de intercambio aniónico y analizó con un multi‐colector ICP‐MS. Los resultados muestran que, para la población considerada en este estudio, tanto la concentración como la relación isotópica (65Cu/63Cu) muestran diferencias entre pacientes y controles. Aunque se necesitan más estudios con un número mayor de muestras, los resultados son alentadores en cuanto a la utilización del análisis isotópico de Cu para el estudio de la enfermedad urolitiásica. / Urolithiasis is one of the most prevalent urological diseases, occurring in both industrialized and developing countries. The incidence rate is up to 15% of white men and 6% of all women and the recurrence affect about half of those people. Kidney stones are aggregates of crystals that cause obstruction of urine flow in the renal collecting system, ureters, or urethra and result in severe pain, bleeding or local erosion of kidney tissue. The etiological diversity of urinary stone formed as a result of different mechanisms which is still not well understood. The challenges posed by urinary lithiasis demands enhanced interdisciplinary diagnostic, therapeutic options and secondary prevention. The purpose of this thesis is to offer knowledge to the previous mentioned challenges using novel scientific methods or materials. The dissertation exposes the work developed in three areas concerning urolithiasis, which embeds urolithiasis key inhibitors extraction from food, phosphorous inhibitors determination by using novel material, and copper isotopic fractionation analysis from urolithiasis patients The first section in the dissertation is devoted to the use of microwave assisted extraction (MAE) technique to quantitatively extract the two phosphorous inhibitors of urolithiasis, phytic acid (IP6) and pyrophosphate (PPi), from walnut since the existing extraction method and quantitative analysis show inconveniences. Walnuts were chosen since they are highly consumed, rich in polyunsaturated fatty acid and provide significant benefits due to the antioxidant capacity. Three main parameters were considered to optimize the condition of microwave-assisted extraction: acid content of extracting solvent, extraction time and treatment temperature. The hydrolysis of phytic acid by microwave treatment was also investigated for all the tested conditions. The extraction using mixture of 0.52 M H2SO4 and 0.66 M HCl under MAE condition (100°C, 10min) shows a better extract ability for both IP6 and PPi. Compared with the conventional acid extraction method, the microwave-assisted extraction method developed reduces extraction time from 3h to 10 min obtaining the same recovery results. The second section in the dissertation is devoted to develop a novel material based on molecular imprinted technology for selectively adsorb and separate the IP6 and PPi. In this work, polymers have been molecularly imprinted using three organophosphorus compounds as template, phenylphosphonic acid (PA), Di-(2-ethylhexyl) phosphoric acid (DEHPA) and pyrophosphoric acid. The Molecularly Imprinted Polymer, MIP, was prepared by thermal polymerization using Nallylthiourea (AT) as functional monomer and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as crosslinker. The batch adsorption experiments show that the MIP using DEHPA has the best specific adsorption for IP6 and the adsorption process is quite fast. The pH has a significant effect on the adsorption behavior of IP6, PPi and phosphate. Through modification of the pH of the eluting solvent, IP6, PPi and phosphate can be separated by SPE procedure using the developed MIP. The third part of the thesis considers the physiological aspect of urolithiasis. In the literature Copper has shown inhibitory effect on the growth of kidney stone and disordered in copper metabolism may be important in the aetiology of disease. The blood Copper isotope fractionation from urolithiasis patients from Barcelona area was analyzed and compared to healthy controls. The serum and red cell samples Cu isotope compositions was measured by multi-collector ICP-MS after separation and purification by anion exchange chromatography. Our results show that, for the population considered in this study, Cu concentration and Cu isotopic ratio (65Cu/63Cu) show different value between the urolithiasis patients and the healthy people. Although further studies with a larger number of samples are needed, results are encouraging as far as the use of Cu isotopic analysis for the study of urolithiasis disease.

La presente Tesis describe el diseño y la evaluación de nuevas estrategias, tanto ópticas como electroquímicas, para la detección rápida de bacterias patógenas en seguridad alimentaria. En la misma, se evalúan diferentes plataformas electroquímicas, basadas principalmente en biocompósitos de grafito-epoxi así como en el acoplamiento de partículas magnéticas a compósitos de grafito-epoxi. Las partículas magnéticas utilizadas permitieron la inmovilización covalente del bioreceptor en su superficie, tales como partículas magnéticas modificadas con estreptavidina, anticuerpos o bacteriófagos, así como también la inmovilización electroestática del analito mediante las partículas magnéticas de sílice. De este modo, se estudiaron diversas interacciones de bioafinidad tales como biotina-avidina, anticuerpo-antígeno y bacteriófago-receptores de superficie bacterianos. En primer lugar, se evaluó un método rápido de cribado para la tuberculosis bovina en leche y productos lácteos basado en un genosensor electroquímico de ADN específico para M. bovis. En este estudio se evaluaron dos plataformas: i) biocompósitos grafito-epoxi de avidina (Av-GEB), y ii) magneto-electrodos basados en compósitos grafito-epoxi (m-GEC) acoplados a partículas magnéticas. Se determinaron muestras de leche provenientes de granjas y se compararon con el test de tuberculina, así como en un ensayo inter-laboratorio de PCR. A continuación se estudiaron diferentes estrategias bioanalíticas para la detección de bacterias patógenas utilizando Salmonella como modelo. La primera estrategia se basa en un doble bioreconocimiento de la bacteria, i.e. inmunológico y genético. Las bacterias fueron capturadas y pre-concentradas de muestras alimentarias mediante partículas magnéticas modificadas con el anticuerpo específico para Salmonella a través de la reacción inmunológica. Tras la separación inmunomagnética, las bacterias capturadas fueron lisadas y el ADN amplificado específicamente mediante PCR con cebadores doblemente marcados. Por último, el amplicon fue detectado mediante un magneto-genosensor electroquímico. La segunda estrategia se basó, por primera vez, en el uso de bacteriófagos como elemento de bioreconocimiento en la separación magnética de bacterias patógenas. Así, se exploró el potencial de los fagos tomando como modelo el fago P22 específico para Salmonella, el cual se inmovilizó de forma orientada sobre las partículas magnéticas. A continuación las bacterias fueron capturadas y pre-concentradas mediante las partículas modificadas a través de la interacción fago-huésped. Para confirmar la identidad de las bacterias se procedió a la amplificación del ADN mediante PCR de doble marcación y detección mediante un magneto-genosensor electroquímico. La tercera estrategia presentada para detección de Salmonella se basó en la detección de la célula entera mediante un doble reconocimiento inmunológico. Las bacterias fueron capturadas y pre-concentradas de muestras alimentarias mediante separación inmunomagnética. A continuación, la marcación enzimática se realizó mediante un segundo anticuerpo específico para Salmonella, llevándose a cabo de este modo la detección mediante un magneto-inmunosensor electroquímico. Aunque los límites de detección obtenidos fueron superiores, el tiempo de ensayo y la complejidad del procedimiento fueron reducidos considerablemente. Las características analíticas de esta estrategia fueron evaluadas no solo para detección electroquímica sino también óptica, desarrollando de este modo un magneto-inmunoensayo óptico como última estrategia presentada para detección de Salmonella. Finalmente, la última estrategia desarrollada en la Tesis se basó en la detección de los tres patógenos más frecuentes en seguridad alimentaria (Salmonella, Listeria y E. coli) mediante un magneto-genosensor electroquímico. Tras la extracción del genoma bacteriano se realizó la amplificación de este mediante PCR utilizando cebadores con tres marcas diferentes. Los amplicones marcados fueron inmovilizados en partículas magnéticas de sílice y posteriormente detectados electroquímicamente. Cabe destacar que biosensores basados en las estrategias presentadas en esta Tesis son herramientas ideales para ser utilizados en la detección rápida, económica y sensible del riesgo de contaminación de patógenos en una gran variedad de matrices. / This dissertation reports the design and evaluation of novel strategies, based on both optical and electrochemical detection, for the rapid detection of pathogenic bacteria in food safety applications. Different electrochemical platforms, based on the coupling of magnetic particles with magneto graphite-epoxy composite as well as graphite-epoxy biocomposite, were explored. Magnetic particles which allow covalent or electrostatic immobilisation were used, e.g. silica, streptavidin, antibody and phage-modified magnetic particles. Thus, several bioaffinity interactions such as biotin-avidin, antibody-antigen and bacteriophage-bacterial surface receptors were evaluated. Firstly, a rapid method for screening-out of bovine tuberculosis in milk and dairy products based on electrochemical genosensing of DNA specific of M. bovis is presented. In this study, two different platforms for electrochemical genosensing were evaluated: i) an avidin-biocomposite (Av-GEB), and ii) streptavidin-modified magnetic particles coupled with a magneto-electrode based on graphite-epoxy composite (m-GEC). The comparison with the tuberculin skin test and an inter-laboratory PCR assay was performed with raw milk samples collected from local dairy farm tanks. Moreover, different biosensing strategies for pathogenic bacteria were evaluated by using Salmonella as a model. The first approach relies on a double biorecognition of the bacteria, i.e. immunological and genetic biorecognition. The bacteria were captured and pre-concentrated from food samples with magnetic particles by the immunological reaction with the specific antibody against Salmonella. After the immunomagnetic separation, the captured bacteria were lysed, and further amplification of the genetic material by Polymerase Chain Reaction with a double-tagging set of primers was performed to confirm the identity of the bacteria. The double-tagged amplicon was then detected by electrochemical magneto- genosensing. The second strategy is based, for the first time, on the use of bacteriophages, as biorecognition element for the magnetic separation of pathogenic bacteria. The phage capabilities were explored by using the phage P22 towards Salmonella as a model which was immobilised in an oriented way on magnetic particles. The bacteria were then captured and pre-concentrated by the phage-modified magnetic particles throughout the phage-host interaction. To confirm the identity of the bacteria, further double-tagging PCR amplification of the captured bacteria DNA and electrochemical magneto-genosensing of the amplicon were performed. The third strategy for Salmonella detection relies on the detection of the whole bacteria by a double immunological recognition. The bacteria were captured from food samples and pre-concentrated by immunomagnetic separation. Then, the enzymatic labelling of the bacteria was also performed using a specific antibody against Salmonella, performing thus the electrochemical magneto-immunosensing. Although higher LODs were obtained, the assay time and complexity of the procedure were reduced considerably. The analytical features of the magneto-immunosensing of Salmonella were evaluated not only for electrochemical but also for optical detection, developing thus an optical magneto-immunoassay as the last strategy presented for Salmonella detection in this dissertation. Finally, the last strategy developed is based on the electrochemical magneto-genosensing of the three most common pathogenic bacteria in food safety (Salmonella, Listeria and E. coli). This approach was performed by the release of the bacteria genome followed by PCR in order to obtain the tagged amplicons by using three different coding tags. The tagged amplicons were then immobilised on silica magnetic particles. To confirm the identity of the three bacteria, the tagged amplicons were detected by electrochemical magneto-genosensing using three different electrochemical reporters. It is important to highlight that biosensing devices based on these strategies are ideal tools for being used as an alarm to rapidly detect the risk of contamination by pathogens in an inexpensive and sensitive manner and in a wide variety of matrixes.

La presente Tesis Doctoral aborda uno de los campos en los que la RMN de alta resolución se ha introducido en los últimos años: el estudio del fenómeno de la difusión traslacional molecular en disolución y su importancia en el análisis de mezclas de compuestos, determinación de tamaños moleculares y en el estudio de una gran variedad de interacciones inter- e intra-moleculares. En la tesis se describe la puesta a punto de los experimentos de RMN diseñados para la determinación de coeficientes de difusión, se presenta una breve introducción al concepto de difusión molecular y de gradientes de campo magnético, se realiza un estudio detallado de las diferentes metodologías existentes para medir la difusión molecular y se detalla la parte experimental necesaria para adquirir y procesar los datos. Gran parte del trabajo se centra en el estudio de los factores experimentales que más afectan la precisión y la reproducibilidad de las medidas de difusión, concentrándonos sobretodo en las llamadas corrientes de convección. Se evalúa la realización de experimentos de difusión girando el tubo a velocidades apropiadas para minimizar estos efectos de convección y se hace un estudio comparativo con secuencias diseñadas específicamente para dicho fin. También se estudia la dependencia de ciertos factores experimentales (la temperatura, el disolvente, la concentración…) en las medidas de difusión, y se muestran algunas de las principales aplicaciones. / The present Doctoral thesis deals with one of the fields in which high resolution NMR has been introduced in recent years: the study of the phenomenon of molecular translational diffusion motion in dissolution and its importance in the analysis of mixtures of compounds, determination of molecular sizes and the study of a wide variety of inter- and intra-molecular interactions. The thesis describes the development of NMR experiments designed to determine diffusion coefficients, presents a detailed study of the different existing methodologies to measure the molecular diffusion and point out the experimental part necessary to acquire and process data. Much of the work focuses on the study of the experimental factors that most affect the precision and reproducibility, concentrating especially on convection currents. It is proposed the realization of diffusion experiments with the appropriate speeds to minimize these effects of convection and makes a comparative study with sequences designed specifically for this purpose. Finally, the dependence of certain experimental factors (temperature, solvent, concentration...) and some of the main applications was also presented.

El objetivo del presente trabajo es desarrollar metodologías para la determinación de biomarcadores en productos alimenticios específicos para evaluar tanto su trazabilidad,p.e, el jamón curado, como su actuación como indicadores dela contaminación ambiental p.e., moluscos de mar (ostras y mejillones). Las metodologías se han basado en la especiación química de algunos elementos identificados, como elementos clave en las muestras, presetando atención particularmente a las metodologías basadas en la observación directa de las muestras. Incluyendo el estudio de imágenes hiperespectrales (HSI), XANES (Sincrotrón) y dilución isotópica de las muestras y análisis por ICP-MS. Entre los principales resultados para el jamón curado, cabe destacar el desarrollo de un modelo de clasificación por PLS-DA para los espectros obtenidos por HSI. La PLS-DA se constituyó con dos factores 86% y 90%, respectivamente. Cuyos valores de predicción están en el rango de 0,70 a 1,30 (RMSEC=0.114) para el jamón ibérico y un 1,70 a 2,30 para el jamón italiano (RMSEC=0.116), con una r2 de la CV=0.947, pudiendo diferenciarse por su origen Respecto a la búsqueda de biomarcadores para la trazabilidad del jamón curado, se realizó la especiación de Fe y Zn utilizando la técnica de sincrotrón XANES en muestras de diferentes tiempos de curado. Para el Fe, la especiación se basó en los estados de oxidación Fe+2 y Fe+3. Para Fe+2, no se identificaron especies orgánicas. Las especies inorgánicas se ajustaron a la estructura del compuesto (Fe (NH4)2(SO4)2) donde el Fe está unido a átomos de S y N. Éste compuesto podría explicarse por el proceso de proteólisis, ya que su contribución disminuye cuando aumenta el tiempo de curado en la muestra. Para Fe+3 se encontró que la principal especie inorgánica es similar al compuesto FeCl3, donde su contribución al inicio del proceso de curado (03-14 meses) presenta diferencias importantes en diferentes zonas de una misma muestra, presentando mayor contribución en la parte exterior. Para los demás tiempos de curado (26 a 40 meses) no se observaron diferencias entre la zona exterior e interior. Las especies orgánicas identificadas para Fe+3 fueron compuestos porfirínicos (mioglobina y hemín) siendo mioglobina el compuesto mayoritario. En resumen, el estudio las diferentes especies de Fe lo hacen ser un buen candidato como biomarcador de la trazabilidad del tiempo de curado de este tipo de jamón. En el caso de Zn, la especiación está basada en la naturaleza de las especies orgánicas e inorgánicas, donde no se muestran variaciones importantes en la contribución de estos compuestos en el periodo de curación, (cualquier alteración puede ser atribuida a factores externos no asociados al proceso de curación). Por otro lado, mediante el análisis de dilución isotópica se pudo diferenciar entre el origen del jamón curado, diferenciado entre ibérico, italiano y portugués. Cada región es isotópicamente diferente del resto, por tanto, este estudio proporciona la interacción e información geográfica para cada región, de donde se obtienen los cerdos utilizados para la producción de los jamones curados. En cuanto a los moluscos, fueron evaluadas la especiación de As y Zn debido a la toxicidad de sus especies (As) y el riesgo de bioacumulación (Zn). La especiación se llevó a cabo utilizando la técnica de sincrotrón XANES. En el caso de As, arsenobetaína fue el principal arsénico compuesto identificado, siendo entre 70%-96% del arsénico total. Para Zn, más de 50%, de las contribuciones de sus especies se atribuye a las metalotioneínas, al demostrar que el Zn está unido al átomo de azufre de la descomposición de los aminoácidos y no a restos de azufre inorgánicos. Por último, una de las principales aportaciones de la investigación de los moluscos ha sido la producción de un material de referencia para el control de la calidad del medio ambiente de las costas marinas, obtenido en un lugar de muestreo de los moluscos analizados en este trabajo de investigación. La caracterización definitiva de ese material de referencia está todavía en curso. / The aim of the present thesis work is to develop methodologies for determining biomarkers in specific food products to evaluate either their traceability, e.g, cured ham, or their role at the environmental observatory, e.g, sea mollusk (oysters and mussels ) as pollution indicators. A set of methodological guidelines based on the speciation of some elements identified as key differential for the indicated samples have been developed. Particular attention has been paid to the methodologies nature based on the direct observation of the target samples. In this concern, methodologies have been developed including the application of Hyperspectral Imaging (HSI), XANES (Synchrotron) and Isotope Dilution to a successful characterization of the samples. For the cured ham, the main results obtained, include the development of a classification model by PLS-DA for the spectra obtained by HSI. The PLS-DA is constituted by two factors 86% and 90% respectively. Predicting values were obtained in the range of 0.70 to 1.30 for Iberian ham and a 1.70 to 2.30 for Italian ham, the regression statistics showed an RMSEC of 0.114, an RMSECV of 0.116 and r2 from the CV of 0.947, so they can be differentiated by their origin To search for specific chemical biomarkers of cured ham traceability, speciation of Fe and Zn was performed using XANES synchrotron technique in samples of different curing times. For iron, speciation was based in the oxidation states Fe+2 and Fe+3. For Fe+2, no organic species were identified, but inorganic species of similar structure to (Fe (NH4)2(SO4)2) where Fe interact to an S and N atom were found. This compound could be explained from the proteolysis process, because its contribution to the sample spectra decreases when curing time increases. For Fe +3 the majority inorganic species was found to be similar to FeCl3, where its contribution at the beginning of the curing process (03-14 months) presented important differences in different parts of the ham, observing the major contribution in the outer region of the ham samples. For the rest of curing times (26 to 40 months) no differences were observed between inner and outer region. In addition, the organic species identified for Fe+3 were porphyrin compounds (myoglobin and hemin) being myoglobin the major compound found. In this sense, it has been demonstrated that the identification of Fe species is a good methodology in order to establish the traceability of the curing process for dry-cured ham. In the case of Zn, the speciation was based on the nature of organic and inorganic species, but the contribution of the species did not present any change throughout the different curing time samples, thus any change in the contribution of the specie can be attributed to external factors other than the curing process. On the other hand, by the Isotopic Dilution analysis it was possible to differentiate between the origin of the dry-cured ham, such as Iberian, Italian and Portuguese ham. Each region is isotopically different from the rest, thus this study provides geographical interaction and information for each region, where the pigs are obtained from for the production of cured hams. Concerning mollusks, speciation of As and Zn were considered due to the toxicity of their species (As) and the risk of bioaccumulation (Zn). Speciation was carried out using XANES synchrotron technique. In the case of As, arsenobetaine was the main species of Arsenio-compounds found in the samples analyzed, which ranged from 70% to 96% of the total arsenic. In the case of Zn, more than 50%, of the contributions of the Zn-species were attributed to metallothioneins, demonstrating that Zn is attached to the sulfur atom from the breakdown of amino acids and not from inorganic Sulphur moieties. Finally, one of the principal outputs of the mollusks research has been the production of a reference material for the environmental monitoring of sea coasts, obtained from a sampling location of the mollusk analyzed in the present work and as result of the analysis performed. The final characterization of such reference material is still in progress.

El reconocimiento de iones metálicos y de lantánidos es de fundamental importancia en muchas áreas de química y bioquímica. El enlace metal - azufre es una interacción fundamental en los sistemas bioquímicos y en aplicaciones de separación selectiva para la extracción de metales pesados y metales preciosos de la fase líquida. En esta tesis se presenta un estudio innovador sobre la termodinámica de la formación de complejos por varios tioéteres lineales y macrocíclicos con Zn(II), Cd(II) y Hg(II) en disolventes orgánicos, tales como acetonitrilo (AN) y dimetil sulfóxido (DMSO). El objetivo principal es poner a prueba su potencial como agentes complejantes y eficientes extractantes selectivos de iones metálicos de importancia ambiental y racionalizar el proceso de reconocimiento en un medio que tiene una constante dieléctrica relativamente baja y menos estructurado que el agua. Los valores de las constantes de estabilidad son obtenidos mediante potenciometría utilizando Ag(I) como ion competitivo. En el caso del mercurio, las titulaciones calorimétricas evidencian que las constantes de estabilidad son muy altas, y por esta razón, se han determinado con la polarografía. La valoración calorimétrica ha sido utilizado para determinar la entalpía de reacción (ΔH°), la cual permite calcular el término entrópico (TΔSo), términos que definen de la termodinámica de formación de complejos. Los resultados muestran una mayor selectividad para el Hg, respecto a otros metales, de todos los ligandos estudiados en la AN. La aplicación en sistemas de distribución líquido-líquido de Hg (II) se ha llevado a cabo para la formación de complejos entre el macrociclo tioéter 9AneS3 en hexano y una solución acuosa conteniendo Hg(NO3)2. Los resultados mostraron la distribución de 9AneS3 entre las fases acuosa y orgánica. El análisis de los datos con el programa LETAGROP-DISTR han demostrado la formación de complejos acuosos 1:2 y en menor medida, 1:3 de Hg (II):9AneS3. Por otro lado, ha sido desarrollado un sistema de pre-concentración de metales utilizando una esponja de celulosa o poliuretano impregnada con 9AneS3 y sucesivamente ha sido utilizada la técnica de “field portable XRF” (FP-XRF), la cual permite la determinación de la concentración de mercurio. Los resultados muestran que la esponja de celulosa tratada puede proporcionar más de un orden de magnitud (40 a 50 veces) en la concentración de Hg en relación con la esponja no tratada. Finalmente, para la obtención de complejos que emiten altamente en el UV-visible se estudiaron ligandos macrocíclicos capaces de formar una cavidad adecuada y eficaz para los iones lantánidos eliminando las moléculas del disolvente de la primera esfera de coordinación. Esto es importante en el campo de la luminiscencia, que está ampliamente estudiada para los lantánidos. Por esta razón, se determinaron en AN las constantes de formación para una serie de los lantánidos y la BTPA (N-donador) como agente complejante. / Metal ion and lanthanide recognition is of fundamental importance to many areas of chemistry and biochemistry. Metal - sulphur bond is a fundamental interaction in biochemical systems and in selective separation applications for the heavy and precious metals extraction from liquid phase. The studies reported in this thesis present the first thermodynamic investigation concerning the complex formation by several linear and macrocyclic thioethers and the Zn(II), Cd(II), and Hg(II) ions in organic solvents, such as acetonitrile (AN) and dimethyl sulfoxide (DMSO). The main objective is to test their potential as efficient complexing agents and selective extractants for environmentally important metal ions and rationalize the recognition process in a medium which has a relatively low dielectric constant and it is less structured than water. The stability constants are evaluated by potentiometry using Ag(I) as competitive ion. In the case of mercury, calorimetric titrations evidence that stability constants are extremely high, and for this reason, they have been determined by means of polarography. Titration calorimetry has been used to determine the reaction enthalpy (∆H°) and to calculate the entropic term (T∆S°) allowing the definition of the picture of the complexation thermodynamics. The results show a higher selectivity for Hg, with respect to other metals, of all the ligands studied in AN. Application to liquid-liquid distribution systems of Hg(II) has been carried out by the complex formation between the thioether derivative macrocycle 9AneS3 in hexane and aqueous Hg(NO3)2. The results showed the distribution of 9aneS3 between the organic and aqueous phase. Therefore, aqueous insoluble 9AneS3 becomes soluble in presence of aqueous Hg(II) because of corresponding aqueous soluble Hg(II)-9AneS3 complex formation. The analysis of data with LETAGROP-DISTR program has shown the formation of 1:2 and in less extent 1:3 Hg(II):9AneS3 aqueous complexes. On the other hand, a pre-concentration system including a 9AneS3 impregnated cellulose and polyurethane sponge uses field portable XRF technique which allows the determination of mercury concentration. The results show that the treated cellulose sponge can provide more than one order of magnitude (40 to 50 fold) on Hg concentration with respect to the untreated sponge. Finally, a way to obtaining highly emissive complexes is to employ flexible macrocyclic ligands capable of forming a suitable cavity for lanthanide ions and effectively eliminating solvent molecules from the first coordination sphere. This is important in the field of luminescence, which is extensively studied for the lanthanides. For this reason, formation constants for a series of lanthanide and the flexible BTPA (N-donor) as complexing agent were determined in AN.

La salud de los dientes y la cavidad bucal se encuentra relacionada con la salud y bienestar general, suponiendo un problema económico importante debido a su alto coste y los largos periodos de tiempo que requiere. Des del punto de vista científico, el cuidado oral es un campo multidisciplinario donde científicos de distintas especialidades contribuyen en el desarrollo de nuevos conocimientos y objetivos. En el presente trabajo, los estudios han sido desarrollados en el área de Química Analítica y están centrados en tres objetivos: mejora del proceso de remineralización dental, optimización de un blanqueante dental y prevención de la formación de sarro (cálculos dentales). Una de las enfermedades orales más comunes es la caries dental, infección que causa desmineralización de los tejidos duros y la destrucción del material orgánico debido a la producción de ácido por la hidrólisis de restos de comida. La administración de flúor es uno de los agentes principales de prevención participando en la formación de fluorapatita y combatiendo las bacterias presentes en el medio oral. La formación de una capa de fluorapatita en la capa externa del esmalte es uno de los objetivos de este estudio. La mayoría de los productos existentes que contienen fluoruros no forman fluorapatita debido a deficiencias en el sistema de liberación que únicamente les permite formar especies de fosfato cálcico. En la primera parte del estudio se han evaluado dos sistemas de intercambio de iones: macro y nanopartículas cargadas con flúor y los iones responsables de la remineralización. El sistema macro consiste en una mezcla de resinas de intercambio iónico débiles que ha sido desarrollado por el grupo. El segundo sistema consiste en un primer estudio con nanopartículas de sílice modificadas con los grupos químicos necesarios para el intercambio de los iones de interés. Con este propósito, se testaron diversas condiciones de carga para obtener los valores más elevados de concentración del ión deseado. Adicionalmente, se evaluó el efecto de la presencia de una proteína de origen dental en el proceso de remineralización. La caracterización de estos procesos se llevo a cabo mediante las técnicas de microscopia Raman e IR con radiación sincrotrón, permitiendo detectar la formación de una capa de fluorapatita en la superficie del esmalte. La observación mediante microscopio electrónico de rastreo (SEM) mostró la importancia de la proteína en la cristalización del esmalte. La segunda parte del trabajo consistió en la modificación de un blanqueante comercial con el fin de optimizar el proceso de blanqueo dental. La aplicación de las reacciones tipo Fenton en un medio heterogéneo, como el que proporcionan las zeolitas, permitió obtener una fuente de radicales hidroxilos evitando la transferencia de hierro al material dental y la formación de manchas que estos pueden provocar. Finalmente, se estudió un nuevo sistema antitártar o antisarro basado en la inhibición de la formación de cálculos dentales de oxalato de calcio. El sistema aprovecha el efecto sinérgico del fitato y pirofosfato como inhibidores cristalinos. Adicionalmente se evaluaron los efectos sobre la dureza del esmalte dental dando los primeros resultados para una futura aplicación en formulaciones de pastas de dientes o productos dentales. / The health of our teeth and mouth are linked to overall health and well-being in a number of ways. Dental diseases impose both financial and social burdens as treatment is costly and require time. From the scientific side, oral health is a multidisciplinary field where scientifics from different areas are interested and contribute in the development of new knowledge and novel goals. In the present work, the studies are developed from Analytical Chemistry area and are focused to three main targets: teeth remineralisation process, dental aesthetics represented by teeth whitening and prevention of dental calculus. The most common oral diseases are dental caries, nearly 100% of adults suffer this illness, often leading to pain, discomfort and occasionally the loss of tooth. Dental caries is an infection, usually bacterial in the origin, that causes demineralization of the hard tissues and the destruction of the organic matter of dental tissues due to the production of acid by hydrolysis of the food that remains. Fluoride administration is one of the main caries prevention agents producing: inhibition of demineralization at the crystal surfaces of the tooth, enhancement of remineralization and inhibition of bacterial enzymes. The formation of a layer of fluoroapatite in the external enamel is one important goal of the present studies. Most of the fluoride release systems developed up to now are inefficient for that purpose, since the release mechanism is not appropriate to generate fluoroapatite and only phosphate calcium species are obtained. In this first part of the work, two ion-exchange systems have been studied, macro and nanoparticles, loaded with fluoride and the other remineralizating ions. The macrosystem consist in a mixture of weak acid and weak base ion exchange resins loaded with calcium, fluoride and phosphate in the same molar ratio as they are found in fluorapatite. The second system is based on the appropriate derivatization of silica nanoparticles in order to control the ion release for its application on teeth treatments. The present study is one of the primary steps towards the development and design of advanced bionanomaterial for future application in restorative dentistry. In addition, it is known the importance of specific proteins in the formation process dental enamel. In this work, the results obtained in presence of amelogenin are evaluated when each of the two remineralization systems under study are applied in the mineralization process. Concerning the results, Raman and synchrotron IR microscopy techniques reveal differences in morphology and composition between treated and reference samples observing in the external layer of treated samples the presence of fluorapatite. The observation of surface thoughts scanning microscope show the importance of proteins (amelogenin in this study) during the remineralization process. The second part of the present work consists on a modification of a commercial dental whitener product to enhance the bleaching results. The application of a Fenton-like reaction by zeolite material in the process of bleaching provided a powerful source of hydroxyl radicals obtaining faster results. The problem of staining emergence caused by iron ions from Fenton reaction is solved using a zeolite system which fixes the cations in its matrix. Finally, the study of a novel antitartar system based on the in-vitro inhibition of oxalate calculi formation was realized. The system exploits the synergism effects between phytate and pyrophosphate as crystallization inhibitors.