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

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

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

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

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

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

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

Cetaceans have historically been object of heavy exploitation, and are still currently subject to different threats. For conservation and management purposes, most of the large cetacean populations have been categorized in stocks, considered as isolated and demographically independent management units. Many research techniques may contribute in the definition of these stocks, such as morphometric studies, mark recapture studies, genetics, satellite tracking. This thesis focuses on the development and application to cetacean populations of chemical markers of geographical origin and spatial movements. The main objective of the thesis is to evaluate the potentialities of chemical markers, such as stable isotopes and element concentrations, to investigate the patterns of distribution, the level of structuring and, when possible, the migration routes, of cetaceans populations. All these variables are essential to ensure the implementation of proper management measures and to guarantee the conservation of these animals. Three case studies were considered: the Eastern North Atlantic sperm whale (Physeter macrocephalus); the South Western Atlantic right whale (Eubalaena australis), and the North Atlantic fin whale (Balaenoptera physalus). δ15N, δ13C and δ18O values were analyzed in the dentinal growth layers of sperm whales from Denmark and NW Spain, in bone of right whales from Southern Brazil and Northern Argentina, and in bone of fin whales from W Iceland and NW Spain; concentrations of fluoride and selected metals (Zn, Pb, Ti, Sr, Cu) were analyzed in bone of fin whales from W Iceland and NW Spain. To establish the validity of each marker, the degree of compliance of each of the following four properties has been investigated: i) the basal levels of the chemical marker in the environment present significant gradients; ii) the chemical marker can be detected and measured in the tissues of whales; iii) the variability of the chemical marker within each population is moderate or, alternatively, it is predictable through measurable parameters, so that its effect can be taken into account; and iv) the values of the chemical marker in the body tissues reflect basal levels in a predictable and consistent manner. Each marker provided, at different levels, valuable information regarding the studied populations. Some difficulties emerged, connected with the complexity of the migratory cycles of whales, the possible intervention of homeostatic regulation mechanisms, and the characteristics of the tissues investigated. Nevertheless, results highlighted the occurrence of structuring within the North Atlantic sperm whale population, as well as within the South Western Atlantic right whale population, which are both currently considered as a single management unit. Moreover, results regarding the North Atlantic fin whale populations contributed to highlight the complexity of migration patterns and of the level of connectivity among the currently accepted stocks, challenging the proper definition of their limits and their degree of isolation within the basin. Some further research is recommended to deepen the knowledge about the North Atlantic fin whale population structure, as well as to investigate the levels of chemical markers in other tissues with different turnover characteristics, such as skin or baleen plates. Overall, the results obtained from the analyses performed in this thesis underline the power of chemical markers as a complementary tool to the traditional techniques used for investigating the structure and demography of cetaceans’ populations. / Los cetáceos han estado y están actualmente sujetos a diferentes tipos de amenazas. Para su correcta gestión y conservación, la mayoría de las poblaciones de grandes cetáceos han sido categorizadas en “stocks”, considerados como unidades de gestión aisladas y demográficamente independientes. Muchas técnicas de investigación pueden contribuir en la definición de estas unidades, como los estudios morfométricos, los estudios de marcaje y recaptura, la genética y el seguimiento por satélite. El objetivo principal de esta tesis es evaluar las potencialidades de los marcadores químicos, tales como los isótopos estables y las concentraciones de algunos elementos, como herramientas para la investigación de los patrones de distribución y del nivel de estructuración de las poblaciones de cetáceos. Para ello, se han considerado tres casos modelo: el cachalote del Atlántico Nororiental, la ballena franca del Atlántico Suroccidental, y el rorcual común del Atlántico Norte. Se analizaron las proporciones isotópicas de δ15N, δ13C y δ18O en muestras de dientes de cachalote y de hueso de ballena franca y rorcual común; y las concentraciones de flúor y de metales pesados (Zn, Pb, Ti, Sr, Cu) en muestras de hueso de rorcual común. Cada marcador proporcionó, a diferentes niveles, información valiosa sobre las poblaciones estudiadas. Al interpretar los resultados, surgieron algunas dificultades relacionadas con la complejidad de los ciclos migratorios de los cetáceos, la posible intervención de mecanismos de regulación homeostática, y las características de los tejidos investigados. Sin embargo, los resultados destacaron cierto nivel de estructuración dentro de las poblaciones de cachalotes del Atlántico Norte y de ballenas francas del Atlántico Suroccidental, que actualmente están ambas consideradas como unidades de gestión únicas. Por otra parte, los resultados obtenidos en las poblaciones de rorcual común del Atlántico Norte contribuyeron a evidenciar la complejidad de los patrones migratorios y del nivel de conectividad entre sus poblaciones, desafiando la adecuada definición de sus límites y de su grado de aislamiento. En general, los resultados de la tesis destacan las potencialidades de los marcadores químicos como herramienta complementaria a las técnicas utilizadas tradicionalmente para la investigación de la estructura y demografía de las poblaciones de cetáceos.

The use of renewable heat decreases the consumption of fossil resources, although its usage is intermittent and usually does not match the demand. A proper thermal energy storage system design can eliminate this problem by reducing the consumption of non-renewable resources and improving energy efficiency where used. In buildings, thermal energy storage using phase change materials (PCM) is a useful tool to achieve reduction in energy consumption. These can be incorporated into passive or/and active systems. Thus, a proper selection of materials and extensive characterization for its usage in thermal energy storage is critical for new construction systems and for those already constructed. This Thesis is divided in two blocks and presented as a compendium of published articles in scientific journals indexed in Materials, Engineering, and Energy areas. The emphasis is made in the chemical, physical, thermal, mechanical and environmental characterization of PCM, MPCM (microencapsulated phase change materials), and PCS (phase change slurries). The main purpose is to perform an exhaustive characterization of this kind of materials because several scientific studies have highlighted that PCM mixed with construction materials can suffer leakage. Polymeric encapsulation is an alternative for retaining PCM inside building materials, resulting in a system named MPCM. - Macroscopic samples: the nanoindentation tecnique has been used to characterize thermoplastics that, so far, have had few precedents. As mechanical properties of materials are an important criterion for their selection and nanoindentation allows their evaluation, we have studied the hardness and elastic modulus of different polymeric materials through Loubet and Oliver & Pharr methodologies, to discern which is the most suitable concerning the viscoelastic properties. The obtained values by Oliver & Pharr method are based on the unloading curve analysis; in case of Loubet methodology, these values are a function of the penetration depth of the indentation. Also, we have studied the mechanical changes that occur when a polymer that contains a flame retardant is immersed in PCM. It has been observed that using Mg(OH)2 increases rigidity and mechanical strength while reducing the degradation effect and improving the properties against fire. This block contains two scientific published papers. - Microscopic samples: This block is based on MPCM studies. A review of publications related to PCM, MPCM and slurries (PCS) (same shell and different PCM; different shell and same PCM; same shell and same PCM, but different encapsulation ratios) was prepared. Then, the evaluation of the chemical, physical, thermal, mechanical, and environmental properties of different MPCM and PCS samples was performed, concluding that AFM is a useful tool to characterize the stiffness and Young's modulus of MPCM. Because temperature is a key parameter in PCM systems, AFM experiments were carried out at different temperatures, in order to simulate the PCM in solid and/or liquid state. PCS samples were observed using SEM device coupled to a cryogenic system. Besides, environmental properties of PCS have been studied by gas chromatography (VOC’s). In addition, PCS were cycled for the evaluation of the polymeric shell durability after pumping the sample several cycles. Also, the chemical and thermophysical properties before and after pumping the sample were compared. Finally, due to the thermal behavior results of PCS in some performed studies, and depending on the liquid or dried PCS sample, the optimum conditions by means thermogravimetric analysis were evaluated. The second block contains five scientific published articles, one article under review after its first revision, one article finished without being submitted to a journal, and one unfinished research. Finally, the contribution in the state of the art of this PhD Thesis related with thermal energy storage in buildings using PCM, MPCM, and PCS is presented. / Un correcto diseño del sistema de almacenamiento de energía térmica (TES) puede eliminar un uso discontinuo y que habitualmente no coincide con la demanda. El TES mediante materiales de cambio de fase (PCM) en climatización pasiva y activa en edificios es un instrumento útil para alcanzar un descenso del consumo de energía. La Tesis se divide en dos bloques y se presenta como compendio de artículos publicados en revistas científicas indexadas en las áreas de Materiales, Ingeniería, y Energía, haciendo émfasis en la caracterización química, fisica, térmica, mecánica y ambiental de PCM, MPCM (materiales de cambio de fase microencapsulados) y PCS (pulpas con cambio de fase). - Caracterización de diferentes termoplásticos mediante nanoindentación. a través de los métodos de Loubet y Oliver & Pharr. También se han estudiado los cambios mecánicos que se producen cuando un polímero que contiene carga ignifugante en su formulación se sumerge en PCM. Este bloque contiene dos artículos científicos. - Estudio de MPCM. Se ha llevado a cabo una revisión de publicaciones por otros autores. Se han caracterizado con AFM diferentes MPCM y PCS, a diferentes temperaturas. Se han observado muestras de PCS mediante el uso de SEM acoplado a un sistema de crionizado, y se han estudiado las propiedades medioambientales por cromatogyafía de gases. Además, se han ciclado PCS para ver la durabilidad de la pared polimérica después de ciertos ciclos de bombeo. Se han investigado las condiciones óptimas mediante análisis termogravimétrico en PCS. Este segundo bloque contiene cinco artículos científicos publicados, un artículo aceptado en primera revisión, un artículo finalizado sin enviar a revista, y un estudio en investigación. Finalmente, se presentan las conclusiones principales de la contribución de esta Tesis Doctoral en el estado del arte de los PCM, MPCM, y PCS para almacenaje de energía en edificios.

In this thesis we apply a multidisciplinary approach, based on statistical physics and complex systems, to the study of neuronal dynamics. We focus on understanding, using theoretical and computational tools, how collective neuronal activity emerges in a controlled system, a neuronal culture. We show how the interplay between noise and network structure defines the emergent collective behavior of the system. We build, using theory and simulation, a framework that takes carefully describes spontaneous activity in neuronal cultures by taking into account the underlying network structure of neuronal cultures and use an accurate, yet simple, model for the individual neuronal dynamics. We show that the collective behavior of young cultures is dominated by the nucleation and propagations of activity fronts (bursts) throughout the system. These bursts nucleate at specific sites of the culture, called nucleation points, which result in a highly heterogeneous probability distribution of nucleation. We are able to explain the nucleation mechanism theoretically as a mechanism of noise propagation and amplification called noise focusing. We also explore the internal structure of activity avalanches by using well--defined regular networks, in which all the neurons have the same connectivity rules (motifs). Within these networks, we are able to associate to the avalanches an effective velocity and topological size and relate it to specific motifs. We also devise a continuum description of a neuronal culture at the mesoscale, i.e., we move away from the single neuron dynamics into a coarse--grained description that is able to capture most of the characteristic observables presented in previous chapters. This thesis also studies the spontaneous activity of neuronal cultures within the framework of quorum percolation. We study the effect of network structure within quorum percolation and propose a new model, called stochastic quorum percolation, that includes dynamics and the effect of internal noise. Finally, we use tools from information theory, namely transfer entropy, to show how to reliably infer the connectivity of a neuronal network from its activity, and how to distinguish between different excitatory and inhibitory connections purely from the activity, with no prior knowledge of the different neuronal types. The technique works directly on the fluorescence traces obtained in calcium imaging experiments, without the need to infer the underlying spike trains.