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.

La degradació de la qualitat de les aigües superficials s'ha convertit en un greu problema, tant pel negatiu impacte que aquest fet té sobre molts ecosistemes fluvials com per al seu aprofitament en nombroses activitats antropogèniques (consum humà, ús industrial i agrícola, oci, etc.). El control de la qualitat d'aquest recurs escàs ha de proveir informació que permeti establir els nivells de degradació existents, avaluar el compliment de la legislació mediambiental, verificar l'efectivitat de les mesures correctores aplicades, alertar sobre abocaments il·legals i minimitzar riscos en l'aprofitament. La complexitat en els problemes analítics que es plantegen ha portat a la definició d'un conjunt de paràmetres bàsics (indicadors de qualitat) que ens subministren una visió global de la qualitat de l'aigua en funció del seu ús posterior. Idealment, un control adequat de la qualitat exigeix disposar d'informació en temps real de l'estat del recurs. Amb aquest objectiu, és molt important el desenvolupament d'eines analítiques que ens subministrin la informació de forma automatitzada i autònoma. Aquests instruments són claus per possibilitar la implantació de xarxes d'alerta automàtica de la qualitat de l'aigua i, aquestes xarxes són imprescindibles per a la realització d'una monitorització mediambiental efectiva.Un dels problemes greus que afecten a la qualitat de l'aigua és l'eutrofització. L'eutrofització és la condició d'un sistema aquàtic a on elevades concentracions de nutrients estimulen la floració d'algues, amb els problemes que d'això se'n deriven.L'increment de la concentració de nutrients, responsable d'aquest fenomen, apareix com a resultat d'aportacions antropogèniques massives i incontrolades. Un adequat coneixement del contingut de nutrients com a indicador de la qualitat en aigües superficials ens permetrà prendre les mesures correctores necessàries per reduir els abocaments i limitar al màxim possibles episodis d'eutrofització. D'entre tots els nutrients, el fòsfor sembla ser, en la majoria dels casos, el factor limitant en l'aparició dels processos d'eutrofització.En aquest context, l'objectiu global de la present tesi és el disseny, desenvolupament i avaluació d'un analitzador automatitzat i autònom d'ió fosfat per a la monitorització continua d'aquest indicador de qualitat en aigües superficials. El desenvolupament d'aquest equip es basa en la integració de tècniques automatitzades de flux continu (FIA) amb detectors potenciomètrics i, concretament, l'ús d'elèctrodes selectius d'ions. / Degradation of natural water quality has become an important problem due to negative impact which it causes on river ecosystems, as well as the effect on its use in anthropogenic activities (human consume, industrial and agricultural uses, leisure, etc.)Quality control of these limited resources has to provide information, which allows establishing degradation limits, evaluating environmental legislation compliance, verifying the effectiveness of applied correction measurements, alert on illegal waste effluents verted and minimizing risks in its use. Complexity on mentioned analytical problems enforced us to define basic parameters (quality indicators), which provides by itself a global vision of water quality in function of its final use.For an appropriated control of water quality is necessary to obtain information in real time. For this aim is important the development of analytical tools, which sumministrate information in an automatic and autonomous operation system. These analysers allow us to implement automatic alert networks, which are necessaries for an effective environmental monitoritation.An important problem that impacts in aquatic ecosystem is eutrophication. Eutrophication is a natural process in natural water, on which, hight nutrient concentration enhances the algae growth with related problems it carries.An increase of nutrient concentration, responsible of this phenomena, appears as result of anthropogenic and incontrolled wastes. An appropriate control over nutrient concentration as a parameter indicator on natural water quality, allow us to apply the necessary control measures to reduce effluents and limiting possible eutrophication processes. In almost cases, phosphorus seems to be the limiting factor in eutrophication processes.In this context, the global aim of this Tesi is the design, development and evaluation of an automatic and autonomous analyzer for continuous monitoring of phosphate ion in natural water. Development of this instrument is based on continuous flux techniques (FIA) and potentiometric detection, concretely, on the use of ion-selective electrode.

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En la presente Tesis Doctoral se han estudiado las posibilidades de la cromatografía de gases (GC) acoplada a espectrometría de masas (MS) con distintos analizadores y fuentes de ionización para la determinación de contaminantes en muestras alimentarias y medioambientales. La singularidad de los cuatro instrumentos diferentes empleados reside en los analizadores de masas que los componen: cuadrupolo simple (Q), tiempo de vuelo (TOF), triple cuadrupolo (QqQ) e híbrido cuadrupolo tiempo de vuelo (QTOF). En los dos primeros sistemas, el modo de ionización aplicado ha sido el más frecuentemente utilizado en GC, la ionización electrónica (EI), mientras que en los dos últimos se ha hecho uso de la ionización a presión atmosférica (APCI), cuyo acoplamiento con la cromatografía de gases es relativamente reciente. El potencial de estas técnicas se ha investigado tanto para el análisis target como para non-target.

This PhD thesis is related to the study and development of innovative nanostructured materials and devices join to strategies with interest for pollutants detection and removal being in line with the nowadays challenges of environmental technologies. The sensing and removing of chemical contaminants continues to be a research topic with an increasing interest for the scientific community. The development of novel nanostructured materials based on a CaCO3-polymer composite with different morphologies and polymorphs constitutes large part of this thesis. Material based on CaCO3-PEI from vaterite or calcite phase with spheric/ellipsoidic or rod shapes, respectively, have been synthesized. Several syntheses strategies modifying various reaction conditions were carried out up to finding of a new procedure, able to provide vaterite-PEI microspheres with controlled size and complete polymorph discrimination. In the new synthesis, CaCl2 and NaCO3 are mixing under 45 min of sonication, using 8 mg/mL poly(ethyleneimine) (PEI) as a crystal growth modifier (CGM) in the mixed water–organic solvent (H2O/EtOH). These hybrid nanostructured CaCO3(vaterite)-PEI material presents a high functionalizing capacity for biomolecules and an increase of the negative superficial charge. These properties make it suitable for electrochemical biosensor applications as demonstrated in collaborative works that appear in the annexes of this thesis. On the other hand, the reaction system to obtain the calcite-PEI microrods was found of special interest for the integration of sensing and removing processes achieving a dual “sensoremoval” actuation for contaminants within the same platform/system. This approach constitutes a proof-of-concept, that could lead to a next generation of environmental sensoremoval systems, giving new alternatives for environmental controlling and removing. The hybrid and nanostructured calcite-PEI particles in suspension permit the Pb2+ detection through a simple turbidimetric measurement, and at the same time act as heavy metal remover. This sensing and removing system is able to detect up to 1 ppm Pb2+ (being between 1 and 1000 ppm the lineal range) and reaches an adsorption capacity of 240 mg Pb2+/g calcite as evaluated at pH 4 after 30 min incubation time. The design and evaluation of highly sensitive paper based assay in format of lateral flow immunoassay for Cd2+ sensing in drinking waters has also been an important focus of the thesis. This topic constitutes one of the last trends in analytical chemistry. The device has a large response range being the linear response between 0.4 and 10 ppb. The quantification and detection limits of 0.4 and 0.1 ppb, respectively, represent the lowest ones reported so far for paper based metal sensors. In addition, a second integrated device that has an extra pad between the sample and conjugation pad with the adequate EDTA and ovalbumin concentrations for masking the metals interferences and allowing Cd2+ detection, was fabricated. Parts of the results presented in this PhD thesis have already been published or sent for publication beside being with interest for future industrial applications. / Esta tesis de doctorado aborda el estudio de novedosos materiales y dispositivos nanoestructurados unido a estrategias para la detección y remoción de contaminantes químicos, estando al nivel de los retos actuales en el tema del medo ambiente. La detección y remoción de contaminantes químicos constituye un tópico de interés para la comunidad científica. Una gran parte de esta tesis lo constituye el desarrollo de nuevos materiales nanoestructurados basados en el composite de CaCO3-polímero con diferentes morfologías y composición polimórfica. Se han sintetizado materiales a base de CaCO3-PEI ya sea en fase vaterita con formas esféricas/elipsoidales o calcita con formas de varillas. Varias estrategias de síntesis modificando diversas condiciones de reacción se llevaron a cabo para obtener un nuevo procedimiento, capaz de proporcionar vaterita-PEI microesferas con un tamaño controlado y una completa discriminación polimórfica. En la nueva síntesis se hacen reaccionar CaCl2 y NaCO3 durante 45 min de agitación ultrasónica, utilizando 8 mg/mL de poli(etilenimina) (PEI) como un modificador de crecimiento de cristales y una mezcla de agua y disolvente orgánico (H2O/EtOH) como medio de reacción. El material híbrido y nanoestructurado de CaCO3(vaterita)-PEI que se obtuvo presenta una alta capacidad de funcionalización para biomoléculas y un aumento de la carga superficial negativa. Estas propiedades hacen que sea adecuado para aplicaciones en biosensores electroquímicos como se ha demostrado en trabajos colaborativos que aparecen en los anexos de esta tesis. Por otro lado, el sistema de reacción para obtener las micro-varillas de calcita-PEI se encontró de interés especial para la integración de la detección y la eliminación de contaminantes en un solo proceso logrando una doble acción "sensoremoval" dentro de la misma plataforma o sistema. Este enfoque constituye una prueba de concepto, que podría dar lugar a una nueva generación de sistemas integrados sensoremoval para el medio ambiente, dando lugar a nuevas alternativas para el monitoreo y la eliminación de la polución. Las partículas en suspensión del híbrido nanoestructurado calcita-PEI permiten la detección de Pb2+ a través de una medición turbidimétrica simple, y al mismo tiempo actúan como eliminador de metales pesados. Este sistema de detección y eliminación es capaz de detectar hasta 1 ppm Pb2+ (siendo el rango lineal entre 1 y 1000 ppm en) y alcanza una capacidad de adsorción de 240 mg Pb2+/g de calcita según se evaluó a pH 4 después de 30 min de tiempo de incubación. Otro enfoque importante de la tesis ha sido el diseño y la evaluación de dispositivos sensores con alta sensibilidad en base a papel en formato de inmuno ensayo de flujo lateral para la detección Cd2+ en el agua potable. El tema de dispositivos sensores basados en papel constituye una de las últimas tendencias en la química analítica. El dispositivo tiene un gran rango de respuesta siendo la respuesta lineal entre 0,4 y 10 ppb. Los límites de cuantificación y detección de 0,4 y 0,1 ppb, respectivamente, representan hasta la fecha los más bajos reportados para los sensores de metales basados en papel. Además, se fabricó un segundo dispositivo sensor de Cd2+ con tratamiento de muestra integrado. Dicho dispositivo sensor integrado tiene una almohadilla adicional entre la muestra y la almohadilla de conjugación con las concentraciones adecuadas de EDTA y ovoalbúmina que permiten enmascarar las interferencias metales permitiendo la detección de Cd2+. Es importante agregar que parte de los resultados presentados en esta tesis doctoral se han publicado o se han enviado a publicar, además de que son de interés para futuras aplicaciones industriales.