This work outlines a series of developments and discoveries related to surface chemistry of controlled near-surface architectures. Through a combination of various X-ray spectroscopy techniques and innovative electrochemical fabrication techniques, valuable knowledge has been added to the fields of electrochemical fabrication, electrocatalysis, and fundamental surface chemistry. Described here is a specific new development in the technique of surface limited redox replacement (SLRR). This work, along with an accompanying journal publication1, reports the first-ever use of nickel as an intermediary for SLRR. In addition, this work identifies specific deviations from the nominal reaction stoichiometry for SLRR-grown films. This led to the proposal of a new reaction mechanism for the initial stages of the SLRR process, which will assist future fabrication attempts in this field. This work also discovered fundamental changes in Pt overlayer systems as the thickness of the overlayer on a gold support is increased from less than a single atomic monolayer to multilayer thicknesses. It was found that Pt overlayers below a certain threshold thickness exhibited increased affinity for hydroxyl groups, along with an increased propensity for formation of oxide and chloride species. These films were also studied for methanol, carbon monoxide, and ethylene glycol electro-oxidation. Finally, this work reports controlled surface architectures of Pt and Cu deposits on application-oriented TiO₂ nanotube arrays and Au-carbon supports.

Nous cherchons à développer une sonde permettant le relargage sélectif de cations métalliques. Un tel système permettrait de capter et relarguer des cations sans contamination ni perturbation importante de l'environnement proche de l'électrode. Par la suite le dispositif pourrait être miniaturisé et utilisé in vivo. La stratégie adoptée consiste à concevoir des composés possédant un centre redox à proximité d'un ligand ayant une grande affinité vis-à-vis des cations métalliques, en particulier pour le calcium. Des groupes fonctionnels, séparés par un espaceur modulable, permettent le greffage à la surface de l'électrode. Lors de l'oxydation du centre redox initialement neutre, on peut s'attendre à ce que la constante de complexation soit diminuée de manière importante, principalement à cause de la répulsion électrostatique qui tend à éjecter le cation de la cavité. Lors de mon travail de thèse, quatre nouvelles familles de ligands possédant une phénylènediamine comme centre redox ont été synthétisées et étudiées. Parmi ces composés, les dérivés de type " demi-BAPTA " ont permis de démontrer le concept de relargage de calcium pour la première fois en milieu aqueux, à pH physiologique. Cependant, la constante d'affinité étant trop faible pour des applications in vivo, des composés basés sur le ligand BAPTA ont été préparés et s'avèrent prometteurs

Electrochemical potentials of a series of anthraquinone derivatives were studied in both aqueous solution and acetonitrile. The long term goal of this work was to find derivatives which could be reduced easily for studies of photoinduced electron transfer in DNA. Our immediate goal was to find the substitution group that gave the least negative redox potential value. Of all derivatives studied, the anthraquinone imides as a class had the least negative redox potentials, in the range of -0.600 to -0.550 V vs. SCE. One of the anthraquinones studied, one derivative (deoxyadenosine conjugated with an ethynyl linker to an anthraquinone with two ester substituents) was also in this range. A study of a series of anthraquinones conjugated with ethynyl and ethanyl linkers showed that the ethynyl linker was more effective than the ethanyl linker in lowering the redox potential of anthraquinone.

Results have shown that flow batteries may be a solution in the future as an effective and environmental friendly method to an energy storage system (ESS). The technology is reliable and has a high efficiency that comes with low energy losses and a long lifetime. The range of possible fields is suitable for cutting energy peaks in the power grid, by always have a ready and available energy storage that balances the production. By comparing the advantages of flow batteries with conventional batteries it is mainly the fact that they can conserve energy for a long time without being self-discharged thanks to that the storage capacity is in principle endless and limited by the size of the electrolytes tanks that makes them a great energy storage system. The batteries won’t take any damage or decrease in performance when charging or discharging it or if you exhausts it to 100 % and leave it discharged for a long time. The only disadvantages with flow batteries are that they are built upon an advanced design and are built of components made of expensive materials. The main objective of this thesis is to develop an experimental basis for assessing a small pilot module of a flow battery with respect to how different concentrations of salts, flow rates and different currents/voltages affect the performance of the battery. We start by performing the experiment with a polymeric ion exchange membrane and see what values and the advantages and disadvantages it entails.

L'objectiu principal d'aquesta tesi fou aprofundir en el coneixement de la relació estrès hídric-estrès oxidatiu. L'estrès oxidatiu és una de les moltes respostes de les plantes al dèficit hídric. Mentre que l'estrès oxidatiu és la conseqüència d'un desequilibri entre les espècies actives de l'oxigen i les espècies antioxidants a favor de les primeres; el dèficit hídric es dóna quan l'absorció d'aigua per les arrels és menor que la pèrdua d'aigua deguda a la transpiració per les fulles. Entre les espècies actives de l'oxigen, el peròxid d'hidrogen està involucrat en: inducció de l'estrès oxidatiu; alleujament de cadenes de transport d'electrons sobrecarregades; mort cel·lular programada; enduriment de parets cel·lulars; formació de xilema i senyalització intra- i inter- cel·lular en les respostes de les plantes a molt tipus d'estrès.Per una altra banda existeix el que s'anomena regulació redox, que inclou l'equilibri entre les espècies actives de l'oxigen i les espècies antioxidants, així com l'equilibri entrte les diferents parelles redox, com són les formades per ascorbat/dehidroascorbat, NAD(P)H/NAD(P)+ i glutatió/diglutatió, entre d'altres. L'equilibri entre aquestes parelles redox influeix sobre la formació i la destrucció de ponts disulfur de gran nombre d'enzims, que al seu torn indueix canvis conformacionals i en regula l'activitat, de manera que la regulació redox és clau en el metaboisme cel·lular vegetal. En primer lloc es va incidir en conèixer en la funció del peròxid d'hidrogen en l'aclimatació al dèficit hídric d'una espècie arbustiva mediterrània resistent a la sequeraAmb aquest objectiu es va estudiar la funció del peròxid d'hidrogen en l'aclimatació al dèficit hídric de Cistus albidus L. en condicions de camp. C. albidus es pot fer servir com a model de planta mediterrània resistent a la sequera, doncs és una planta arbustiva escleròfila, semi-decídua amb una resposta molt característica i fàcil de caracteritzar. Resisteix continguts hídric molt baixos a les seves fulles durant períodes de temps llargs i no presenta exigència davant el tipus de sòl en el que creix. Els resultats obtinguts mostren que el peròxid d'hidrogen va augmentar en resposta al dèficit hídric i que contribueix a l'aclimatació de C. albidus a la sequera d'estiu. En primer lloc, es va comprovar que el peròxid d'hidrogen no provoca estrès oxidatiu, ans al contrari, doncs simultàniament va augmentar la concentració d'ascorbat i va disminuir la de MDA (marcador de peroxidació lipídica). Altres estudis complemetaris demostren que l'augment de peròxid d'hidrogen està involucrat en la formació d'esclerènquima (mort cel·lular programada i engruiximent de la paret); formació d'àcid ascòrbic via àcid abscísic; formació de xilema; i fins i tot podria estar involucrat en la síntesi de metil-jasmonat.En segon lloc, com a mesura directa de la relació estrès hídric estrès oxidatiu es van estudiar els canvis en l'estat redox del citoplasma de les cèl·lules foliars de plantes d'Arabidopsis thaliana transformades amb proteïnes c-roGFP1. Aquestes plantes expressen proteïnes amb fluorescència verda (Green Fluorescent Protein) que són sensibles a l'estat redox del citoplasma on s'expressen, en aquest cas el citoplasma. Els resultats obtinguts mostren que el dèficit hídric gradual incrementa l'estat redox del citoplasma, tot i que aquest canvi no és el primer que experimenten les plantes, doncs el primer paràmetre on es va observar el canvi fou a l'àrea foliar de les plantes estudiades. / The aim of this thesis was deepening into the knowledge of the relationship water stress-oxidative stress. Oxidative stress is one of the many responses of plants to water deficit. Whereas oxidative stress is the consequence of an imbalance between active oxygen species and antioxidant species, favouring the first; water deficit is produced when there is less absorption of water from the roots than the loss of water from the leaves (transpiration). Among active oxygen species, hydrogen peroxide is involved in oxidative stress induction, relieve of overreduced electron transport chains, programmed cell death, cell wall hardening, xylem formation and intra- and inter-cellular signalling.The first aim was to know the function of hydrogen peroxide in the acclimation of a drought-resistant Mediterranean shrub. The chosen plant species was Cistus albidus L. because it can be used as a model of Meditarrean drought-resistant plant. C. albidus is a schlerophyllous shrub, semi deciduous with a characteristic and easy to characterize response. It is able to resist very low water contents and it has no special necessities regarding to soil characteristics.The results obtained show that hydrogen peroxide increased in response to water deficit, and that contributes to the acclimation of C. albidus to summer drought. First of all it was shown that hydrogen did not induce oxidative stress. Complementary studies show that hydrogen peroxide increase is involved in sclerenchyma formation, ABA-induced ascorbate formation, xylem formation, and could even be involved in methyl jasmonate biosynthesis. The second aim, a direct measurement of the relationship water stress oxidative stress, was based on the changes in the redox state of the cytoplasm of the leaf cells of Arabidopsis thaliana plants transformed with c-roGFP1 protein. These plants express proteins with green fluorescence that are sensitive to the redox state of the compartment where they are espressed, in this case the cytoplasm. The results obtained show that gradual water deficit induces an increase in the redox state of the cytoplasm, even though this is not the first change experienced in these plants. Among the parameters studied, the first was the reduction of leaf area.

Les glutaredoxines són tiol oxidoreductases que regulen l'estat redox dels grups sulfidril de les proteïnes. Al llevat Saccharomyces cerevisiae Grx1 i Grx2 són glutaredoxines ditiòliques localitzades al citosol, mentres que Grx3, Grx4 i Grx5 són monotiòliques. Grx5 es localitza a la matriu mitocondrial i participa en la síntesi de centres ferro/sofre (Fe/S). Quan és absent, enzims amb centres Fe/S com l'aconitasa són inactives, no hi ha creixement en condicions respiratòries, hi ha acumulació de ferro intracel.lular i es produeix una oxidació constitutiva de proteïnes. Grx5 conté un domini tioredoxina simple. En canvi, Grx3 i Grx4 posseeixen un domini de tipus tioredoxina unit al domini glutaredoxina. Aquestes darreres dues proteïnes es localitzen al nucli, éssent el domini tioredoxina necessari per aquesta localització. S'ha utilitzat el mutant nul grx5 com model de cèl·lules que manifesten un estrés oxidatiu endògen constitutiu (oposat a les situacions on l'estrés és provocat per un estímul extern) per tal d'estudiar el transcriptoma cel·lular en les esmentades condicions. Així, s'ha observat que: (i) s'indueixen principalment gens del reguló Aft1 involucrats en la captació i utilització de ferro, i (ii) es reprimeix l'expressió de gens implicats en el metabolisme respiratori depenents del regulador Hap4. Aquest darrer efecte és suprimit per la sobreexpressió de HAP4, de manera que la inhibició del metabolisme respiratori en condicions moderadament oxidants podria constituir una resposta protectora per part de les cèl.lules del llevat. Utilitzant una construcció capaç d'internalitzar proteïnes a la mitocondria mitjançant la senyal de localització mitocondrial de Grx5, s'ha demostrat que les glutaredoxines ditiòliques de S. cerevisiae no poden rescatar els defectes d'un mutant grx5, mentres que les monotiòliques Grx3 i Grx4 sí que ho fan quan són adreçades a la matriu mitocondrial. Això demostra que les glutaredoxines ditiòliques són funcionalment divergents de les monotiòliques, però que aquestes darreres poden intercanviar les seues activitats biològiques entre elles quan s'eliminen les barreres dels compartiments cel.lulars. La conservació funcional entre glutaredoxines monotiòliques s'extén al llarg de l'escala evolutiva, ja que els defectes del mutant grx5 de S. cerevisiae són també suprimits per altres proteïnes de la mateixa família com són Grx4 de Escherichia coli, GrxC de Synechocystis sp. i les respectives proteïnes homòlogues de pollastre i de cèl.lules humanes. / Las glutaredoxinas son tiol oxidoreductasas que regulan el estado redox de los grupos sulfidrilo de las proteínas. En la levadura Saccharomyces cerevisiae Grx1 y Grx2 son glutaredoxinas ditiólicas localizadas en el citosol, mientras que Grx3, Grx4 y Grx5 son monotiólicas. Grx5 se localiza en la matriz mitocondrial y está involucrada en la síntesis de centros hierro/azufre (Fe/S). En su ausencia, enzimas con centros Fe/S como la aconitasa son inactivas, no hay crecimiento en condiciones respiratorias, hay acumulación de hierro intracelular y se produce una oxidación constitutiva de proteínas. Mientras que Grx5 contiene un dominio glutaredoxina simple, Grx3 y Grx4 poseen un domino tipo tioredoxina fusionado al dominio glutaredoxina. Estas dos últimas proteínas se localizan en el núcleo, siendo el dominio tioredoxina necesario para tal localización. Se ha utilizado el mutante nulo grx5 como modelo de células que manifiestan un estrés oxidativo endógeno constitutivo (opuesto a las situaciones de estrés provocadas por un estímulo externo) para estudiar el transcriptoma celular en dichas condiciones. Se ha observado que: (i) se inducen principalmente genes del regulón Aft1 involucrados en la captación y utilización de hierro, y (ii) se reprime la expresión de genes implicados en el metabolismo respiratorio dependientes del regulador Hap4. Este último efecto es suprimido por la sobreexpresión de HAP4, de modo que la inhibición del metabolismo respiratorio durante condiciones moderadamente oxidantes podría constituir una respuesta protectora por parte de las células de la levadura. Utilizando una construcción capaz de internalizar proteínas en la mitocondria gracias a la señal de localización mitocondrial de Grx5, se ha demostrado que las glutaredoxinas ditiólicas de S. cerevisiae no son capaces de rescatar los defectos de un mutante grx5, en tanto que las monotiólicas Grx3 y Grx4 sí lo hacen cuando son dirigidas a la matriz mitocondrial. Ello demuestra que las glutaredoxinas ditiólicas son funcionalmente divergentes de las monotiólicas, pero que estas últimas pueden intercambiar entre ellas sus actividades biológicas cuando se sobrepasan las barreras compartimentales. La conservación funcional entre glutaredoxinas monotiólicas se extiende a lo largo de toda la escala evolutiva, dado que los defectos del mutante grx5 de S. cerevisiae son también suprimidos por otras proteínas de la misma familia como son Grx4 de Escherichia coli, GrxC de Synechocystis sp. y las respectivas proteínas homólogas de pollo y de células humanas. / Monothiol glutaredoxins are thiol oxidoreductases that regulate the redox state of sulfhydryl groups in proteins. In the yeast Saccharomyces cerevisiae Grx1 and Grx2 are dithiol glutaredoxins located at the cytosol, while Grx3, Grx4 and Grx5 are monothiol ones. Grx5 is located at the mitochondrial matrix and is involved in the synthesis of iron/sulfur (Fe/S) centers. In its absence, enzymes with Fe/S centers such as aconitase are inactive, there is no growth in respiratory conditions, iron is accumulated inside the cells and a constitutive oxidation of proteins occurs. While Grx5 contains a single glutaredoxin domain, Grx3 and Grx4 have a thioredoxin type domain fused to the glutaredoxin domain. These two proteins are located at the nucleus, the thioredoxin domain being necessary for such location. The null grx5 mutant has been used as a model for cells that display constitutive endogenous oxidative stress (as opposed to situations where the stress is caused by external stimulus), in order to study the cell transcriptome in such conditions. Thus, it has been observed that: (i) there is a general induction of the Aft1 regulon genes involved in iron uptake and utilization, and (ii) there is a repression of genes required for respiratory metabolism that depend on the Hap4 regulator. This latter effect is suppressed by the overexpression of HAP4. It is proposed that inhibition of respiratory metabolism during moderately oxidative conditions would constitute a protective response by the yeast cells. By using a genetic construction that is able to internalize proteins into the mitochondria by means of the mitochondrial targeting sequence of Grx5, it has been demonstrated that the S. cerevisiae monothiol glutaredoxins are unable to rescue the defects of a grx5 mutant, while the monothiol ones Grx3 and Grx4 rescue such defects when internalized into the mitochondrial matrix. This fact demonstrates that dithiol glutaredoxins are functionally divergent from monothiol ones, but these latter can interchange their biological activities when the compartment barriers are surpassed. Functional conservation among monothiol glutaredoxins extends along the evolutive scale, since the defects of the grx5 mutant of S. cerevisiae are also suppressed by other proteins of the same family such as Grx4 of Escherichia coli, GrxC of Synechocystis sp. and the respective homologues of chicken and human cells.

DE LA TESIS EN CASTELLANOAntecedentesUn avance importante en el campo de química analítica se hizo por Clark y Lyons en los años setenta. Ellos propusieron acoplar la especificidad de la enzima glucosa oxidasa con la transducción electroquímica de la señal en "biosensores". En general, los biosensores son artefactos integrados autocontenidos, capazes de proporcionar información analítica, cuantitativa utilizando un elemento biológico de reconocimiento (receptor bioquímico) que se retiene en contacto espacial directo con un elemento de transducción. Posteriormente, los primeros biosensores de glucosa, basados en la detección amperométrica de peróxido de hidrógeno generado por glucosa oxidasa en la presencia de oxígeno fueron introducidos en el mercado por la empresa estadounidense Yellow Spring Instrument Co. (Ohio, EE. UU.) en 1975. La respuesta de biosensores electroquímicos basados en el uso de oxígeno como cosustrato para oxidasas se ve desviada por la presencia de interferencias que pueden contribuir a la corriente. Por lo tanto la superficie de electrodo debe estar protegida por una membrana no permeable por sustancias que pueden interferir con la señal. Para evitar corrientes que perjudican la selectividad de los biosensores, el potencial aplicado puede ser aminorado usando electrocatalizadores difusionales ("mediadores") en lugar de oxígeno, con un potencial redox controlable. Pero la respuesta de estos sensores también depende de la concentración de oxígeno porque este compite con los mediadores, para la reoxidación de las oxidasas. Un inconveniente adicional del uso de mediadores diffusionales artificiales en biosensores es la baja estabilidad de los mismos debida al escape de mediadores desde la superficie del electrodo cuando esto se usa en linea. Se puede aliviar este problema creando enlaces covalentes entre los mediadores y la superficie del electrodo o usando polímeros redox que se adsorben fućrtemente en la superficie del electrodo. Una de las posibles maneras para disminuir la influencia del oxígeno a la corriente de la respuesta de biosensores es el uso de las deshidrogenasas dependientes de la pareja redox NAD+/NADH. El potencial estándar redox de esta pareja es -0.56 V vs. SCE pero para conseguir la oxidación de NADH en la superficie de electrodos de carbono un sobrepotencial de +0.5 V vs. SCE debe aplicarse. Bajo estas condiciones los electrodos tienen tiempo de vida corto debido a la adsorción de los productos de oxidación en su superficie ya que la oxidación de NADH no es reversible químicamente. Por otro lado estos electrodos sufren por la oxidación no especifica de interferencias a estos potenciales de operación. Los electrodos modificados químicamente por mediadores pueden oxidar NADH a potenciales más bajos. Sin embargo, muchos de los mediadores mencionados en la bibliografía no son estables o/y no forman NAD+ enzimaticamente activo. Un problema adicional de los sistemas analíticos basados en deshidrogenasas dependientes de NAD+ es la necesidad de añadir este cofactór, que tiene alto coste y es inestable, en las muestras. Se puede inmovilizar NAD+ en la superficie de electrodos para producir biosensores capaces de funcionar en muestras que no contienen NAD+, biosensores reagentless (sin necesidad de adición de reactivos). Los métodos descritos en la bibliografía para la fabricación de biosensores reagentless se basan en cinco estrategias: (1) la inmovilización en hidrogeles formados in situ; (2) la inmovilización por una membrana; (3) la inmovilización en películas preparadas por electropolimerización; (4) la inmovilización en una pasta de carbono; (5) la inmovilización en monocapas auto ensambladas. Sólo los electrodos preparados con la estrategia (4) son biosensores reagentless con estabilidad operacional relativamente alta. Las demás estrategias no resultan en biosensores con suficiente estabilidad operacional por culpa de la perdida del mediador, de NAD+ o de la deshidrogenasa. Sin embargo la estrategia basada en electrodos de pasta de carbono no permite su aplicación a la producción de microsensores (electrodos con diámetro de menos de 10 m) para su uso in vivo. MetodologíaEl objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de nuevas estrategias para la fabricación de biosensores reagentless basados en deshidrogenasas dependientes de NAD+ con características mejoradas respecto a la densidad de la corriente, de la estabilidad operacional y de almacenamiento. Para cumplir el objetivo se han sintetizado dos nuevos mediadores para la oxidación de NADH: un polímero insoluble en agua [Os(1,10-fenantrolina-5,6-diona)2(PVP)4Cl]Cl, (Os-fendiona-PVP) y un complejo amfifílico [Os(1,10-fenantrolina-5,6-diona)24,4'-(n-C18H37NHCO)2bpi)](PF6)2 (Os-fendiona-surfactante). El polímero Os-fendiona-PVP fue producido vía la derivatización de poli(vinilpiridina) (peso molecular 50000) con [Os(1,10-fenantrolina-5,6-diona)2Cl2]. El estudio electroquímico de este polímero redox adsorbido en electrodos de grafito se realizó por voltametría cíclica a distintas velocidades de barrido para evaluar el número de protones y electrones que participan en la reacción redox, la influencia del pH a su potencial estándar formal, y la constante de la transferencia heterogénea del electrónes kS. Bajo bien definidas condiciones hidrodinámicas se realizaron estudios para encontrar la constante de la interacción con NADH k[NADH]=0. Os-fendiona-surfactante fue producido por la complejacion de [Os(1,10-fenantrolina-5,6-diona)2]Cl2 con el ligando hidrófobo octadodecilamida del acido 2,2'-Bipiridina-4,4'-dicarboxilico. Las monocapas de Langmuir-Blorgett de Os-fendiona-surfactante y las de su análogo [Os(bpi)24,4'-(n-C18H37NHCO)2bpi)](PF6)2 fueron estudiados en un equipo de Langmuir-Blodgett. Os-fendiona-surfactante fue aplicado a la construcción de biosensores reagentless del glutamato vía la inmovilización de glucosa deshidrogenasa y de NAD+ entre las bicapas en la fase lamelar formada por Os-fendiona-surfactante y el lípido 1,2-dioleoilo-sn-glicero-3-fosfatidilcolina. Dos métodos adicionales para la fabricación de los biosensores reagentless de glutamato y glucosa basados en deshidrogenasas fueron desarrollados. Los electrodos del grafito fueron modificados con Os-fendiona-PVP y utilizados para (a) la inmovilización de deshidrogenasa y de NAD+ en un hidrogel formado por entercruzamiento de poli(vinilpiridina) modificado por grupos amino con el éter diglicidil de poli(etilenglicol); (b) la inmovilización por adsorción de la deshidrogenasa y del ácido algínico modificado por NAD+. Se ha hecho un estudio de los biosensores reagentless para calcular sus constantes de Michaelis, el efecto del pH y de la temperatura en su respuesta y su estabilidad operacional. Además se ha comparado la estabilidad operacional a temperaturas elevadas de biosensores de la configuración (a) usando glutamato, glucosa y glucosa-6-fosfato deshidrogenasas termófilas y mesófilas. Por otro lado se han estudiado métodos nuevos para mejorar le estabilidad durante el almacenamiento de sensores de glutamato. Con este fin, se han preparado electrodos utilizando glutamato deshidrogenasa mesófila y termófila con varios estabilizadores. Conclusiones1. El polímero [Os(1,10-fenantrolina-5,6-diona)2(PVP)4Cl]Cl, (Os-fendiona-PVP) para la oxidación de NADH se puede sintetizar por la complejación de [Os(1,10-fenantrolina-5,6-diona)2Cl2] con poli(vinilpiridina). La adsorción física de este polímero sobre los electrodos de grafito desde su solución en etilenglicol resulta en la formación de una monocapa de este polimero redox en la superficie del electrodo. 2. El proceso redox de este mediador es casi-reversible e implica 4 electrones y 4 protones dentro del rango del pH de 3-6.5. El mediador pierde su estabilidad química en valores de pH más altos que 6.5. Tres ramas lineales en el diagrama de E0' frente a pH con diversas pendientes se observan. 3. La constante heterogénea de la velocidad de transferencia de electrones (kS) de Os-fendiona-PVP es del mismo orden de magnitud que la de otros mediadores capaces de oxidar NADH mencionados en la bibliografía (kS= 18±2 s-1) . 4. Os-fendiona-PVP es un electrocatalizador eficiente para la oxidación del NADH. La modificación de los electrodos del grafito con Os-fendiona-PVP conduce a la disminución del sobrepotential para la oxidación electroquímica del NADH desde +0.33 V vs. Ag/AgCl/KClsat para los electrodos no modificados hasta +0.11 V vs. Ag/AgCl/KClsat. La constante cinética para la interacción del polímero redox con el NADH (k1,[NADH]=0 = (1.9±0.2)x103 s-1 M-1) coincide prácticamente con la de Os-fendiona que sugiere que el número de los ligandos de fendiona en los complejos del osmio es proporcional a la corriente de la respuesta al NADH pero no afecta a las constantes cinéticas electroquímicas. / The objective of this work was the development of new configurations of reagentless biosensors based on NAD+ dependent dehydrogenases. These configurations are based on the immobilisation of enzyme, cofactor and the electrochemical catalyst used for its regeneration. In addition to being reagentless these configurations yielded biosensors with improved current density and operational stability compared to the state of the art. To achieve the objective two new NADH oxidising mediators were synthesised: a water insoluble polymer [Os(1,10-phenanthroline-5,6-dione)2(PVP)4Cl]Cl (Os-phendione-PVP) and an amphiphilic complex [Os(1,10-phenanthroline-5,6-dione)24,4'-(n-C18H37NHCO)2bpy)](PF6)2 (Os-phendione-surfactant). The electrochemical study of Os-phendione-PVP has revealed a rate constant for the heterogeneous electron transfer of the phendione redox couple ks = 252 s-1, and a second order rate constant for NADH oxidation k[NADH]=0=(1.10.1)x103 M-1 s-1. These constants are higher or of the same order of magnitude as those of previously described NADH oxidising mediators. The tensoactive mediators Os-phendione-surfactant and its analogue [Os(bpy)24,4'-(n-C18H37NHCO)2bpy)](PF6)2 (Os-bpy-surfactant) form very stable monolayers at the air-water interface collapsing at the surface pressure 60-65 mN m-1. The Os-phendione-surfactant was used for the construction of reagentless glutamate biosensors via the immobilisation of dehydrogenase and NAD+ between bilayers in lamellar phase formed by Os-phendione-surfactant and the lipid 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine. The resulting glutamate biosensors demonstrated maximum current density of 3.5 A cm-2 (RSD=25%), apparent Michaelis constant of 47 mM, and operational half life of 0.5 h. In addition graphite electrodes were modified by Os-phendione-PVP and utilised for (a) immobilisation of dehydrogenase and NAD+ in a hydrogel formed by crosslinking of poly(vinylpyridine) carrying amino groups with polyethylene glycol diglycidyl ether and (b) immobilisation of dehydrogenase and an NAD+-alginic acid derivative by adsorption. The configuration (a) yielded glutamate sensors with maximum current density of 8.7 A cm-2 (RSD=5%), apparent Michaelis constant of 9.1 mM, operational half life of 12 h and glucose sensors with maximum current density of 37 A cm-2 (RSD=14%), apparent Michaelis constant of 4.2 mM, the operational half life of 1 h. The glutamate sensors based on the configuration (b) showed maximum current density of 15.8 A/cm2 (RSD=21%), apparent Michaelis constant of 17.6 mM and operational half life of 1.5 h. Glucose, glucose-6-phosphate, and glutamate biosensors were prepared and characterised. The employment of the thermophilic enzymes helps to dramatically increase the operational stability of biosensors at elevated temperatures higher than 60oC. The shelf life of glutamate electrodes built with the use of thermophilic dehydrogenase was eleven times longer than this of electrodes modified with the mesophilic enzyme. The addition of the copolymer of vinyl-pyrrolidone and dimethylamino ethyl methacrylate termed as Gafquat HS100 to the enzyme also significantly improved shelf life

El trabajo de tesis doctoral ha consistido en el desarrollo de nuevos complejos dinucleares de rutenio, manganeso y cobalto contenientes ligandos descritos tetradetandos de tipo N2O2y un nuevo ligando decadentado de tipo N10. Estos complejos han sido sintetizados y caracterizados a través de técnicas estructurales, espectroscópicas y electroquímicas. Las actividades catalíticas han sido investigadas en las oxidaciones químicas, electroquimica y fotoquímicas de agua y de substratos orgánicos y en la reducción electroquímica de protones. Por último se ha diseñado y desarrollado el montaje de una celda simultánea oxidación de substratos orgánicos y la generación de H2. / The experimental work of this thesis consisted of the development of new ruthenium, manganese and cobalt dinuclear complexes containing described tetradentate ligands of N2O2type and a new decadentate ligand of N10 type. These complexes have been synthesized and characterized by the usual structural, spectroscopic and electrochemical techniques. The catalytic activities have been investigated in the chemical, electrochemical and photochemical oxidation of water and organic substrates and in the electrochemical proton reduction. Lastly an assembly of a cell for simultaneous oxidation of organic substrates and generation of H2 has been designed and developed.

The natural occurrences of high (&gt;10 μg/L) dissolved arsenic (As) in groundwater of Bengal Basin has put millions of people under the threat of chronic As exposure through drinking water. Present study has examined the processes that regulate As mobilization and its distribution in shallow aquifers and the potentiality of finding safe aquifers within shallow depth (&lt;50 m) for drinking water supply. The results indicate that in terms of aquifer sediment colors and water quality two types of aquifer namely brown sand aquifer (BSA) and grey sand aquifer (GSA) can be distinguished within the depth, accessible by low-cost drilling. The redox condition in the BSA is delineated to be Mn oxyhydroxides reducing, not sufficiently lowered for As mobilization resulting in high Mn and low Fe and As in groundwater. While in GSA, currently the reductive dissolution of Fe oxyhydroxides is the prevailing redox process causing As mobilization into groundwater of this aquifer type. It is revealed that the vertical distribution of As and other aqueous redox parameters is related to the redox zonation within aquifer. The decoupling of As and Fe release into groundwater is evident in the shallowest part of aquifer because of Fe enrichment by weathering of silicate minerals especially of biotite, the precipitation of secondary mineral phases like siderite and vivianite and incomplete reduction of Fe oxyhydroxides. It is characterized that the seasonal variations of As and other aqueous solutes are limited within the upper portion of aquifer only (&lt;30 m bgl) and can be related to seasonal cycling of redox status, aggregation and dispersion of As scavenging colloids, local groundwater abstraction and monsoonal recharge. The results of surface complexation modeling indicate that PO43- is the major competitor of As(III) and As(V) adsorption onto Fe oxyhydroxides. This study concludes that the reductive dissolution of Fe oxyhydroxides followed by competitive sorption reactions with the aquifer sediment is the process conducive for As enrichment in groundwater of Bengal Basin. Present study advocates that despite low concentration of As in groundwater, a rigorous assessment of attendant health risk for Mn is necessary prior to considering mass scale exploitation of the BSA for sustainable drinking water supply. This study also validates that TW platform colors can be used as a rapid screening tool for As and Mn in drinking water wells to prioritize As mitigation management. / <p>QC 20130919</p> / EURINDIA 2009-1665

<p>The thesis contains two directions in the simulations of biomolecular systems. The first part (Chapter 2 - Chapter 4) mainly focuses on the simulations of electron transfer processes in condensed phase; the second part (Chapter 5 - Chapter 6) investigates the conformational sampling of polysaccharides and proteins. Electron transfer (ET) reaction is one of the most fundamental processes in chemistry and biology. Because of the quantum nature of the processes and the complicated roles of the solvent, calculating the accurate kinetic and dynamic properties of ET reactions is challenging but extremely useful. Based on the Marcus theory for thermal ET in weak coupling limit, we combined the rigorous ab initio quantum mechanical (QM) method and well-established molecular mechanical (MM) force field and developed an approach to directly calculate a key factor that affects the ET kinetics: the redox free energy. A novel reaction order parameter fractional number of electrons (FNE) was used to characterize the ET progress and to drive the QM/MMMD sampling of the nonadiabatic free energy surface. This method was used for two aqueous metal cations, iron and ruthenium in solution, and generated satisfactory results compared to experiments. In order to further reduce the computational cost, a QM/MM-minimum free energy path (MFEP) method is implemented and combined with the FNE in the calculation of redox free energies. The calculation results using QM/MM-MFEP+FNE generated identical results as the direct QM/MM-MD method for the two metal cations, demonstrating the consistency of the two different sampling strategy. Furthermore, this new method was applied to the calculation of organic molecules and enhanced the computational efficiency 15-30 times than the direct QM/MM-MD method, while maintaining high accuracy. Finally, I successfully extended the QM/MM-MFEP+FNE method to a series of redox proteins, azurin and its mutants, and obtained very accurate redox free energy differences with relative error less than 0.1 eV. The new method demonstrated its excellent transferability, reliability and accuracy among various conditions from aqueous solutions to complex protein systems. Therefore, it shows great promises for applications of the studies on redox reactions in biochemistry. In the studies of force-induced conformational transitions of biomolecules, the large time-scale difference from experiments presents the challenge of obtaining convergent sampling for molecular dynamics simulations. To circumvent this fundamental problem, an approach combining the replica-exchange method and umbrella sampling (REM-US) is developed to simulate mechanical stretching of biomolecules under equilibrium conditions. Equilibrium properties of conformational transitions can be obtained directly from simulations without further assumptions. To test the performance, we carried out REM-US simulations of atomic force microscope (AFM) stretching and relaxing measurements on the polysaccharide pustulan, a (1&rarr;6)-&beta;-D-glucan, which undergoes well-characterized rotameric transitions in the backbone bonds. With significantly enhanced sampling convergence and efficiency, the REMUS approach closely reproduced the equilibrium force-extension curves measured in AFM experiments. Consistent with the reversibility in the AFM measurements, the new approach generated identical force-extension curves in both stretching and relaxing simulations, an outcome not reported in previous studies, proving that equilibrium conditions were achieved in the simulations. In addition, simulations of nine different polysaccharides were performed and the conformational transitions were reexamined using the REM-US approach. The new approach demonstrated consistent and reliable performance among various systems. With fully converged samplings and minimized statistical errors, both the agreement and the deviations between the simulation results and the AFM data were clearly presented. REM-US may provide a robust approach to modeling of mechanical stretching on polysaccharides and even nucleic acids. However, the performance of the REM-US in protein systems, especially with explicit solvent model, is limited by the large system size and the complex interactions. Therefore, a Go-like model is employed to simulate the protein folding/unfolding processes controlled by AFM. The simulations exquisitely reproduced the experimental unfolding and refolding force extension relationships and led to the full reconstruction of the vectorial folding pathway of a large polypeptide, the 253-residue consensus ankyrin repeat protein, NI6C. The trajectories obtained in the simulation captured the critical conformational transitions and the rate-limiting nucleation event. Together with the AFM experiments, the coarse-grained simulations revealed the protein folding and unfolding pathways under the mechanical tension.</p> / Dissertation