Tesi realitzada a l'Institut de Diagnòstic Ambiental i Estudis de l'Aigua (IDAEA-CSIC) / Els contaminants orgànics persistents (COP) són un ampli grup de substàncies orgàniques molt resistents a la degradació fotolítica, biològica i química en el medi ambient, fet que els concedeix llargs temps de vida mitja en sòls, sediments, aire o biota. Això, sumat a la gran dispersió arreu del planeta d’aquests contaminants degut al seu transport a llargues distàncies (per les seves propietats físico-químiques) i a la seva toxicitat, fa que els COP esdevinguin un problema a escala global. Les dioxines (PCDD/Fs) i els bifenils policlorats similars a les dioxines (dl-PCBs) són dues de les principals famílies de COP, conegudes per la seva gran toxicitat i el seu potencial carcinogènic. Els dl-PCBs van ser produïts per a diverses aplicacions industrials, però durant les dècades dels 70 i dels 80 es va prohibir la seva producció a la majoria dels països industrialitzats. Les dioxines no han estat mai produïdes a propòsit, però són subproductes de diverses activitats industrials i processos de combustió. En les darreres dècades s’ha començat a prendre consciència de la perillositat d’aquestes substàncies tant pel medi ambient com per a la salut humana i s’han establert diverses regulacions per a controlar les seves emissions al medi així com organismes internacionals de control de COP com el Conveni d’Estocolm, que compromet els països signants a controlar els seus nivells ambientals existents. Les mostres analitzades en aquesta tesi en territori espanyol formen part dels compromisos adquirits amb el Conveni d’Estocolm. En aquesta tesi s’han analitzat els nivells de PCDD/Fs i dl-PCBs presents en diferents matrius ambientals i en diferents àrees, tant continentals com oceàniques, per tal de tenir una visió més global de la seva distribució i compartimentació ambiental, així com dels diferents processos que defineixen el seu destí final. Per una banda s’han analitzat ous de gavina, considerats un excel·lent bioindicador, en 5 parcs naturals distribuïts en la zona costanera d’Espanya durant 4 anys, analitzant les diferències espacials, temporals i entre dues espècies de gavina cohabitants en la mateixa àrea. Les gavines es troben situades en una alta posició de la cadena tròfica marina, fet que fa que l’acumulació de COP a través de la dieta sigui important. En cada posta es transfereix una part d’aquests contaminants als ous, esdevenint un bon bioindicador ambiental. Per altra banda s’han analitzat diverses mostres atmosfèriques de zones terrestres en diferents localitzacions d’Espanya i Colòmbia, en zones rurals/remotes, urbanes i industrials, utilitzant tant captadors actius, amb els que s’ha col·lectat la fracció de PM10, com captadors passius. En les 12 estacions espanyoles s’han recollit mostres des del 2008 fins a l’actualitat en cada estació de l’any, observat les tendències temporals i estacionals de les àrees estudiades. A Colòmbia l’estudi es centra en una ciutat andina, situada a més de 2000 metres d’altitud i propera a un volcà actiu. L’estudi de la fracció de PM10 amb captadors actius, al mateix temps que l’estudi atmosfèric amb els captadors passius, ha permès analitzar la diferent compartimentació de dioxines i bifenils policlorats en l’atmosfera i observar les seves principals fonts d’emissió. Entre els aspectes més innovadors d’aquesta tesi en podem destacar un darrer apartat que mostra els resultats de PCDD/Fs i dl-PCBs obtinguts en àrees oceàniques. L’oceà obert es considera un ambient clau en la dinàmica global dels contaminants degut a la seva enorme cobertura espacial de la superfície terrestre, el seu elevat potencial de degradació i la seva capacitat d’actuar com a reservori i desguàs de substàncies químiques antropogèniques. La seva amplitud espacial i el difícil accés a la recol·lecció de mostres fa que existeixin poques o nul·les dades sobre els nivells de PCDD/Fs i dl-PCBs en l’oceà obert. Durant la campanya de circumnavegació Malaspina 2010 a través de les zones tropicals i subtropicals dels oceans Atlàntic, Pacífic i Índic van ser recollides i analitzades 39 mostres atmosfèriques (fase gas i aerosol) i 29 mostres de plàncton. Amb les mostres atmosfèriques s’ha pogut conèixer els nivells atmosfèrics oceànics globals i avaluar la degradació i la deposició seca atmosfèrica de les PCDD/Fs i els dl-PCBs, parametritzant amb les dades de deposició seca per tot l’oceà, la quantitat d’aquests contaminants que es dipositen anualment sobre la superfície oceànica des de l’atmosfera. Els resultats de PCDD/Fs i dl-PCBs en el plàncton oceànic són els primers que s’obtenen ja que fins ara només existien dades d’algunes zones costaneres. S’han pogut estudiar els diferents processos biogeoquímics que determinen els nivells de contaminants en el plàncton oceànic així com la biodilució, la influència de la deposició atmosfèrica i els fluxos verticals associats a la sedimentació de matèria orgànica (bomba biològica) per tal de poder entendre i identificar les dinàmiques i el destí final dels contaminants orgànics persistents en l'Oceà Obert.

Esta tesis doctoral abarca el uso de técnicas avanzadas de análisis (HPLC-QTOF, HPLC-QqQ-MS/MS y LC-LTQ-Orbitrap) y software computacional (Artificial Neural Networks (ANNs), Sieve, MsXelerator) desde la predicción de tiempo de retención cromatográfico a la detección cualitativa y cuantitativa de productos farmacéuticos y drogas ilícitas en aguas residuales y superficiales de toda Europa. El uso de espectrometría de masas de baja y alta resolución, como triple cuadrupolo (QqQ), cuadrupolo tiempo de vuelo (QTOF) y trampa de iones lineal (LTQ) Orbitrap, permite el análisis exhaustivo de contaminantes emergentes en aguas ambientales, mediante análisis “target” (QqQ), “suspect” (QTOF y LTQ-Orbitrap) y “non-target” (LTQ-Orbitrap). La predicción del tiempo de retención, tanto por un método basado únicamente en logKow como por un método más complejo y preciso basado en ANNs, ha demostrado ser una gran herramienta complementaria en los análisis “suspect” y “non-target”, especialmente para los compuestos cuyos patrones no estaban disponibles. / This doctoral thesis covers the use of advanced analytical techniques (UHPLC-QTOF, UHPLC-QqQ-MS/MS and LC-LTQ-Orbitrap) and computational software (Artificial Neural Networks (ANNs), Sieve, MsXelerator) from the prediction of chromatographic retention time to the qualitative screening and quantification of pharmaceuticals and illicit drugs (PIDs) in wastewater and surface water from around Europe. The use of (hyphenated) low and high resolution mass spectrometry such as triple quadrupole (QqQ), quadrupole time-of-flight (QTOF) and Linear ion Trap (LTQ) Orbitrap, allows comprehensive analysis of emerging contaminants in environmental waters, through the use of target (QqQ), suspect (QTOF and LTQ-Orbitrap) and non-target (LTQ-Orbitrap) analyses. The additional investigation of retention time prediction, both a simple approach based solely on logKow and a more complex and precise method based on ANNs, has proven itself a great complementary tool in suspect and non-target approaches, especially for compounds for which reference standards are not available.

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.

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.

L’arsènic és un element que es troba en el medi sota diverses formes químiques, cadascuna de les quals presenta una toxicitat i una reactivitat diferent. A l’aigua de mar, l’arsènic és present en concentracions baixes (0,001 mg As kg-1). Per altra banda, les algues tenen una concentració total d’arsènic molt superior (1-350 mg As kg-1). Tot i així, la fórmula química en aquest cas és predominantment la organo-metàl.lica, sobretot, com a arseno-sucres. Pel que fa a la tesi, la primera part de l’estudi experimental n’estudia la metodologia. S’han comparat diversos tipus de tractament previ de la mostra, s’han desenvolupat mètodes cromatogràfics i s’han preparat materials de referència per al control de qualitat. A la segona part, s’han analitzat mostres originàries de zones que no havien estat estudiades fins ara, com el golf Termaïc i Santorini (Grècia), la Terra del Foc (Argentina) i el Carib panameny. A més, s’ha comparat l’especiació d’arsènic dins d’estructures morfològiques d’algues brunes i com afecta el seu embarracat a la platja. També s’ha realitzat un estudi amb mostres d’aigua continental a Xile. La conca del Loa es troba en una regió minera amb uns nivells ambientals d’arsènic alts. En aquest estudi s’han trobat algues hiperacumuladores, les quals es podrien usar en estudis futurs de bioremediació. En el decurs de la tesi s’ha treballat en col.laboració amb les universitats següents: Universidad Católica del Norte (Xile), Universitat de Bremen (Alemanya), Universitat de Creta (Grècia), Universitat Aristotèlica de Salònica (Grècia). També s’ha comptat amb la col.laboració del Departament de Biologia Vegetal de la Universitat de Barcelona (UB). / Arsenic in the marine ecosystem may derive from natural sources or anthropogenic activities. Inorganic arsenic predominates in seawater. In living organisms, organoarsenic compounds were detected years ago. Marine algae contain most of their arsenic in the form of arsenosugars. In recent decades, a number of studies have described the mechanisms of the transformation and accumulation of arsenicals as well as correlations among arsenosugars and algal orders. Furthermore, there have been several reports of the potentially toxic character of such organoarsenic compounds. The presence and behaviour of arsenic compounds in algae is of interest not only to assess the pollution level in a particular zone, but to evaluate the health risk posed by the consumption of seaweed. The first part of the project was focused on the analytical procedures regarding arsenic speciation. Firstly, the effect of pre-treatments in samples and the storage condition were studied. The second study was the adaptation of our chromatographically method in order to use MSD-TOF as an analyser. The third lane followed was the preparation of reference materials. Individual solutions for each arsenosugar were prepared from algal extracts and a feasibility study was conducted on a Reference Material prepared from the alga wakame for arsenic species. The second part consisted of a series of studies in unstudied geographical zones such as Thermaikos Gulf (Greece), Santorini (Greece), Tierra del Fuego (Argentina) and Panama’s Caribbean Rivera. In addition, freshwater algae and plants from Atacama Desert in Chile were analysed. We had also compared the speciation of arsenic in different structural parts and in algae that were collected on the coast. For these studies we collaborated with the following universities: Universidad Católica del Norte, Universität Bremen, University of Creta and the Aristotle University of Thessaloniki. We had also worked with the Department of Plant Biology of the University of Barcelona.

El selenio es un elemento considerado esencial y a la vez tóxico para el organismo humano. Para establecer una correlación con la biodisponibilidad del elemento in vivo, se pueden emplear diversos métodos de bioaccesibilidad in vitro que simulen condiciones de digestión. De entre los métodos in vitro utilizados en la literatura, el método Physiologically Based Extraction Test (PBET) es uno de los métodos más sencillos y más ampliamente utilizado. La mayor parte del presente trabajo ha tratado sobre los estudios de bioaccesibilidad de selenio basados en el consumo de vegetales comestibles. Para determinar el contenido de Se en los vegetales, se diseñaron diferentes sistemas de crecimiento con condiciones controladas. En este estudio, las plantas comestibles (3 tipos de brotes y 9 tipos de vegetales) se cultivaron en dos medios suplementados (hidropónico y turba, respectivamente) para obtener plantas con un contenido de Se similar a aquéllas que crecen en zonas con una concentración de Se elevada. Para ello, se utilizaron suplementos de sales solubles de Se y el aditivo Selcote Ultra ®. Otra parte del estudio ha sido sobre la bioaccesibilidad de selenio en suelos. En el presente estudio los suelos analizados fueron procedentes del suroeste de los Estados Unidos y su contenido natural fue de 6,8 ± 0,1 mg kg - 1 y 7,6 ± 0,2 mg kg - 1. Durante el presente estudio, el contenido total de selenio y la concentración de las especies de selenio se determinaron en los diferentes materiales utilizando diversas técnicas y procedimientos. Respecto al medio hidropónico, se comprobó que el Se (VI) era más fácilmente absorbido por las plantas que la especie de Se (IV). Respecto a la determinación de Se total se observó que todos los vegetales estudiados absorbieron más cantidad de selenio a medida que aumentaba la concentración de este elemento en el medio fortificado con sales solubles, apareciendo síntomas de deterioro y de inhibición del crecimiento de los vegetales con las fortificaciones de selenio más elevadas. También se observó que las plantas crecidas en presencia del aditivo Selcote Ultra® absorbieron más lentamente el selenio presente en la turba, que las plantas crecidas con sales solubles de selenio. El selenio inorgánico absorbido por las plantas fue transformado principalmente en SeMet, excepto para las plantas del género Allium que contenían principalmente la especie γ-glutamil-Se-MeSeCys. Con respecto al trabajo experimental llevado a cabo durante la estancia de investigación en el Laboratorio de Química Analítica, Bio-Inorgánica y Medio Ambiente (LCABIE), de la Université de Pau et des Pays de l’Adour, se trabajó con diferentes técnicas y procedimientos y se consiguió ampliar la información obtenida con respecto a la especiación de Se. El método PBET se utilizó para estudiar la fracción bioaccesible de Se en suelos y plantas. Mediante la extracción PBET se comprobó que, para los suelos estudiados, la fracción considerada como bioaccesible fue atribuida principalmente a la etapa gastrointestinal del método PBET y correspondió al 50% de Se, incluyendo las especies de Se (IV) y Se (VI). Además, el método PBET de las especies de Se presentes en suelos, se equiparó a una extracción simple con ácido fosfórico. Respecto a los vegetales analizados (col y ajo), se consiguieron extraer las especies de selenio predominantes: selenometionina y γ-glutamil-Se-MeSeCys. También se observó que un porcentaje de este segundo selenocompuesto se degrada a Se-MeSeCys debido a la acción enzimática. En el caso de los vegetales, también se estudió el efecto de diferentes tratamientos aplicados previamente al método PBET (como el proceso de cocción). Se observó que el tratamiento de cocción de las muestras de col favoreció el incremento de la concentración de la especie selenometionina y redujo la concentración de Se (VI) en los extractos gastrointestinales del método PBET, debido a que un gran porcentaje de Se inorgánico se extrajo previamente en el proceso de cocción. Finalmente se han puesto de manifiesto los resultados más importantes obtenidos en el presente estudio y se han comparado con los datos encontrados en la literatura. / Selenium is considered both an essential and toxic element for the human health. Therefore, it is of great interest to study the presence and bioavailability of the selenocompounds in foods and the possible toxic effects from the ingestion of contaminated materials, which depend on their absorption and metabolism. Therefore, given the effects that different Se species can have in the organism, it is necessary to establish a method to study the bioaccessibility of this element, as a step prior to determining bioavailability. Among the in vitro methods used in the literature, the Physiologically Based Extracted Test (PBET) seems to be the easiest and most widely used method. A broader part of this study concerned Se bioaccessibility based on plant consumption. To determine the Se content in plants, different growth systems involving controlled conditions were designed. In this study, the edible plants (3 kinds of sprouts and 9 kinds of vegetables) were grown in two media supplemented (hydroponic and peat, respectively) to obtain plants with a natural Se content similar to those growing in areas with a high Se concentration. Another part of the study was about the Se bioaccessibility in soils. Little information is known about this topic, since most studies on bioaccessibility have concerned heavy metals (such as Pb, Cd, or Cr). In the present study the soils analyzed were obtained from the southwestern United States with Se natural content. During the present study, the total Se content and the concentration of the Se species were determined in the different materials using various techniques and procedures. The PBET method was then used to study the bioavailable fraction of Se in soils and plants. Finally, we highlighted the most important results obtained in the present study and we compared our results with data found in the literature.

Orientador: José Eduardo de Oliveira / Coorientador: Laudemir Carlos Varanda / Banca: Carla Verônica Rodarte de Moura / Banca: Claudio José Mota / Banca: Paula Cristina M. Crnkovic / Banca: Isabel Cristina P. Fortes / Resumo: A produção de biodiesel na atualidade se baseia em óleos refinados de qualidade alimentar e na catálise realizada com o uso de bases ou ácidos fortes, em meio homogêneo, que acarretam problemas de processo ou desgaste de motores e plantas. Matérias-primas de baixa qualidade como óleos não manufaturados e Óleos e Gorduras Residuais (OGR) são um grande potencial para aumentar a oferta de biodiesel e reduzir custos de produção. Todavia, a utilização de matéria-prima dessa natureza limita a utilização de catalisadores convencionais e demandam a aplicação de catalisadores heterogêneos não susceptíveis à interferência de acidez e gomas e atuem na reação de glicerídeos e ácidos graxos simultaneamente para obtenção de ésteres alquílicos. O SrO é um catalisador sólido que tem apresentado bons resultados no processamento de glicerídeos em condições brandas. O ZrO2 é um óxido ácido com comprovada atividade catalítica em reações ácidas para obtenção de biodiesel, todavia em condições enérgicas de tempo e temperatura. O objetivo deste trabalho é desenvolver rota de síntese que produza um óxido misto, baseado em Sr e Zr, capaz de catalisar eficientemente a transesterificação e que apresente potencial para trabalhar em meio ácido. Pela rota citrato amorfo sintetizou-se a perovskita Zirconato de estrôncio com atividade catalítica resultando em 98% em ésteres para 3% de catalisador. Porém, a matriz perovskita (SZCRA) é composta por mais três tipos de fases: carbonato e hidróxido de estrôncio e óxido de zircônio (ZrO2). Destas fases, o hidróxido de estrôncio apresentou-se insolúvel e com atividade catalítica alcançando 97% quando utilizado em 0,4%. A fase ZrO2 sustenta o potencial ácido da matriz perovskita e justifica o aprofundamento de estudos utilizando o material inicial... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Present biodiesel production is based on refined oils of eatable quality and on the catalysis using either strong acid or base, in homogeneous way, which causes processes drawback or plants and engines waste. Raw materials of low quality as non-processed oils and residual oils and fats (OGR) are great potential for increase biodiesel offer and to reduce production costs. However, use of raw material like that turns difficult the conventional catalysts uses and demands application of heterogeneous catalysts which are non-affected by acidity and gums which acts either in glycerides or fat acid reaction simultaneously in order to obtain ethyl ester. SrO is a solid catalyst which presents good results in glycerides processing under mild conditions. ZrO2 is an acid oxide presenting catalytic activity in acid reactions for biodiesel obtaining, but just under several condition of time and temperature. Main goal of this work is to reach a suitable rout to produce a mix oxide based on Sr and Zr capable to catalysis transesterification and present potential to work in acid reaction. Amorphous citrate route produced a strontium zirconate perovskite with catalytic activity resulting in 98% of ester yield using 3% of catalyst. Besides, perovskite matrix (SZCRA) contains three more phases: strontium carbonate and hydroxide and zirconium oxide (ZrO2). Strontium hydroxide is insoluble and presented high catalytic activity once it has converted 97% of oil to ester using 0,4%. ZrO2 phase supports acid potential of the perovskite matrix and justify a deeper study using SZCRA. Reaction conditions were optimized using conventional reactor systems and, as a scale up way, using OBR reactor system with SZCRA as catalyst. A minimal reaction conversion of 36% was attended when using perovskite matrix for three times in transesterification... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Maria Valnice Boldrin Zanoni / Banca: Manoel Lima de Menezes / Banca: Sônia Maria Alves Jorge / Banca: Nivia Maria Melo Coelho / Banca: Teresa Cristina Rodrigues dos Santos Franco / Resumo: O presente trabalho investiga novos métodos analíticos para análise de aminas aromáticas selecionadas em virtude de suas proprideades toxicológicas e/ou mutagênicas em amostras de interesse ambiental usando técnicas cromatográficas com diversos detectores. Após otimização das condições cromatográficas as aminas aromáticas: 4,4'-oxidianilina, anilina, 2,4- diaminotoluidina, 4,4'-diaminobifenila, 4,4'-metileno-bis-(2-cloroanilina), 3,3'-diclorobenzidina, 2- aminonaftaleno, 2-metilanilina, 2-metoxianilina, 4,4'-diaminodifenilmetano, 2-cloro-4-nitroanilina, 4-aminobifenila, 2-metoxi-5-metilanilina, 3,3'-dimetoxibenzidina, 4-cloroanilina e 3,3'- diclorobenzidina apresentaram picos bem DEfinidos em fase móvel metanol/água 70:30 (v/v) e vazão de 0,8 ml min-1 classificadas como grupo I. As aminas 1,4-diaminobenzeno, 4,4'- metilbenzeno-1,4-diamina, p-aminofenol, N-monoacetil-1,4-diaminobenzeno, 2,5-dimetilanilina, 4,4'-metileno-bis-2-metilanilina e 4-cloro-2-metilanilina foram agrupadas no grupo II, melhor separadas em fase móvel acetonitrila/água 60:40 (v/v), vazão 0,8 ml min-1 e T= 40 C. A comparação entre os detectores de arranjo de diodos (DAD) e eletroquímico (ED) foram conduzidos nestas condições otimizadas e curvas analíticas lineares foram construídas para todas estas aminas entre 1 a 250 mg L-1 (detector DAD = 230 nm) e 0,5 a 250 mg L-1 (detector ED - Ep = +1,0V)), utilizando para isto a adição de 30 x 10-3 Mol L-1 do líquido iônico BMIm-NTf2 (1-butil-3-metilimidazólio de bis(trifluorometilsulfonil)imida). A adição do líquido iônico promoveu melhor separação e aumento na intensidade dos picos cromatográficos em ambos os detectores. O limite de detecção das aminas por HPLC-DAD e HPLC-ED mostraram valores entre 1,27 a 10,2 mg L-1 e 1,33 a 6,04 mg L-1, respectivamente. O limite de quantificação das aminas por HPLC-DAD e HPLC-ED mostraram valores entre 4,24 a 34,0 mg L-1 e 4,44 a 20,1 mg L-1, ... / Abstract: This work investigates new analytical methods for analysis of aromatic amines selected because of their toxicological and/or mutagenic properties in samples of environmental interest using chromatographic techniques with various detectors. After optimization of chromatographic conditions as aromatic amines: 4,4'-oxydianiline, aniline, 2,4-diaminotoluidina, 4,4'- diaminobifenila, 4,4'-methylenebis-(2-chloroaniline), 3,3'-dichlorobenzidine, 2- aminonaphthalene, 2-methylaniline, 2-methoxyaniline, 4,4'-diaminodiphenylmethame, 2-chloro- 4-nitroaniline, 4-aminobifenila, 2-methoxy-5-methylaniline, 3,3'-dimethoxybenzidine, 4- chloroaniline and 3,3'-dichlorobenzidine showed well defined peaks in the mobile phase methanol/water 70:30 (v/v) and a flow rate of 0.8 mL min-1 classified as group I. The amines 1,4- diaminobenzene, 4,4'-methylbenzene-1,4-diamine, p-aminophenol, N-monoacethyl-1,4- diaminobenzene, 2,5-dimethylaniline, 4,4'-methylene-bis-2-methylaniline and 4-chloro-2- methylaniline were grouped in group II, best separated in the mobile phase acetonitrile/water 60:40 (v/v), flow rate 0.8 mL min-1 and T = 40°C. The comparison between the diode array detector (DAD) and electrochemical (ED) were conducted on these optimized conditions, linear calibration curves were constructed for all these amines from 1 to 250 mg L-1 (DAD detector = 230 nm) and 0.5 to 250 mg L-1 (detector ED - Ep = +1.0 V), using for this purpose the addition of 30 x 10-3 mol L-1 of BMIm-NTf2 ionic liquid (1-butyl-3-methylimidazolium-bis- (trifluoromethylsulfonyl)imide). The addition of ionic liquid promoted better separation and increase in the intensity of the chromatographic peaks in both detectors. The HPLC-DAD and HPLC-ED detection limit of the amines showed values between 1.27 to 10.2 mg L-1 and 1.33 to 6.04 mg L-1, respectively. The HPLC-DAD and HPLC-ED limit of quantification of the amines showed values between 4.24 to 34.0 mg L-1 and from 4.44 to 20.1 mg L-1,... / Doutor