[ES] La presente tesis doctoral titulada "Detección óptica de especies químicas de importancia ambiental y biológica utilizando sensores moleculares y materiales híbridos" se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de sensores químicos moleculares. El trabajo realizado se puede dividir en dos partes: (i) síntesis de sensores de cationes metálicos en disolución y (ii) síntesis y caracterización de nanopartículas híbridas orgánico-inorgánicas para el reconocimiento de especies químicas y biológicas. En el primer capítulo se introduce el marco en el que se engloban los fundamentos teóricos de la química supramolecular en que se basan los estudios prácticos realizados durante la presente tesis doctoral. A continuación, en el capítulo dos, se presentan los objetivos generales de la tesis. En el tercer capítulo se presenta un quimiodosímetro cromo-fluorogénico, capaz de detectar selectivamente cationes trivalentes entre cationes y aniones monovalentes y divalentes mediante una reacción de deshidratación en agua. En el cuarto capítulo se presenta una unidad (BODIPY) conectada electrónicamente con un macrociclo dithia-dioxa-aza. Las soluciones de acetonitrilo y agua-acetonitrilo 95: 5 v / v de la sonda mostraron una banda ICT en la zona visible y son casi no emisivas. Cuando se utilizó acetonitrilo como disolvente, la adición de Hg (II) y cationes metálicos trivalentes indujo un cambio hipsocrómico de la banda de absorción y mejoras moderadas de la emisión. Se obtuvo una respuesta altamente selectiva al utilizar medios competitivos como agua-acetonitrilo 95:5 v/v. En este caso, sólo el Hg (II) indujo un cambio hipsocrómico de la banda de absorción y una mejora marcada de la emisión. El quinto capítulo explora el desarrollo de sensores para berberina y amantadina. Dos moléculas de interés biológico por su uso como fármacos. Se han preparado tres sistemas de sensores basados en la aproximación de puertas moleculares. En concreto, sobre nanopartículas MCM-41 cargadas con rodamina B como unidad de señalización, se ha llevado a cabo la funcionalización con diversas aminas y el bloqueo de poros con cucurbituril CB7. Las aminas utilizadas son ii ciclohexilamina, bencilamina y amantadina. Los materiales obtenidos se han caracterizado por técnicas de difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión confirmando la estructura mesoporosa de las nanopartículas. Los materiales preparados muestran una respuesta a la berberina y la adamantina, quitando el tapón y liberando el tinte fluorescente al medio. La respuesta de los materiales a las dos sustancias de interés (berberina y amantadina) depende de la estructura química de cada uno de los materiales en función de las constantes de afinidad entre el analito y CB7. Los resultados obtenidos abren el camino al uso de puertas moleculares como sensores de berberina y amantadina. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Detecció òptica d'espècies químiques d'importància ambiental i biològica utilitzant sensors moleculars i materials híbrids" se centra en el disseny, preparació, caracterització i avaluació de sensors químics moleculars. El treball realitzat es pot dividir en dues parts: (i) síntesi de sensors de cations metàl·lics en dissolució i (ii) síntesi i caracterització de nanopartícules híbrides orgànic-inorgànics per al reconeixement d'espècies químiques i biològiques. En el primer capítol s'introdueix el marc en el qual s'engloben els fonaments teòrics de la química supramolecular en què es basen els estudis pràctics realitzats durant la present tesi doctoral. A continuació, en el capítol dos, es presenten els objectius generals de la tesi. En el tercer capítol es presenta un quimiodosímetro crom-fluorogénic, capaç de detectar selectivament cations trivalents entre cations i anions monovalents i divalents mitjançant una reacció de deshidratació en aigua. En el quart capítol es presenta una unitat (BODIPY) connectada electrònicament amb un macrocicle dithia-dioxa-aza. Les solucions de acetonitril i aigua-acetonitril 95:5 v/v de la sonda van mostrar una banda ICT a la zona visible i són gairebé no emisivas. Quan es va utilitzar acetonitril com a dissolvent, l'addició de Hg (II) i cations metàl·lics trivalents va induir un canvi hipsocròmic de la banda d'absorció i millores moderades de l'emissió. Es va obtenir una resposta altament selectiva a l'utilitzar mitjans competitius com aigua-acetonitril 95:5 v/v. En aquest cas, només el Hg (II) va induir un canvi hipsocròmic de la banda d'absorció i una millora marcada de l'emissió. El cinquè capítol explora el desenvolupament de sensors per berberina i amantadina. Dues molècules d'interès biològic pel seu ús com a fàrmacs. S'han preparat tres sistemes de sensors basats en l'aproximació de portes moleculars. En concret, sobre nanopartícules MCM-41 carregades amb rodamina B com a unitat de senyalització, s'ha dut a terme la funcionalització amb diverses amines i el bloqueig de porus amb cucurbituril CB7. Les amines utilitzades són ciclohexilamina, bencilamina i amantadina. Els materials obtinguts s'han caracteritzat per tècniques iv de difracció de raigs X i microscòpia electrònica de transmissió confirmant l'estructura mesoporosa de les nanopartícules. Els materials preparats mostren una resposta a la berberina i la adamantina, llevant el tap i alliberant el tint fluorescent a l'mig. La resposta dels materials a les dues substàncies d'interès (berberina i amantadina) depèn de l'estructura química de cada un dels materials en funció de les constants d'afinitat entre l'anàlit i CB7. Els resultats obtinguts obren el camí a l'ús de portes moleculars com a sensors de berberina i amantadina. / [EN] The present doctoral thesis entitled "Optical detection of chemical species of environmental and biological importance using molecular sensors and hybrid materials" focuses on the design, preparation, characterization and evaluation of molecular chemical sensors. The work carried out can be divided into two parts: (i) synthesis of metal cation sensors in solution and (ii) synthesis and characterization of hybrid organic-inorganic nanoparticles for the recognition of chemical and biological species. The first chapter introduces the framework that encompasses the theoretical foundations of supramolecular chemistry on which the practical studies carried out during this doctoral thesis are based. Next, in chapter two, the general objectives of the thesis are presented. In the third chapter, a chromium-fluorogenic chemodosimeter is presented, capable of selectively detecting trivalent cations by means of a dehydration reaction in water. The fourth chapter presents a new compound containing a BODIPY unit electronically connected with a dithia-dioxa-aza macrocycle. Acetonitrile and water-acetonitrile 95:5 v/v solutions of the probe showed an ICT band in the visible zone and were nearly non-emissive. When acetonitrile was used as a solvent, addition of Hg(II) and trivalent metal cations induced an hypsochromic shift of the absorption band and moderate emission enhancements. A highly selective response was obtained when using competitive media such as water- acetonitrile 95:5 v/v. In this case only Hg(II) induced a hypsochromic shift of the absorption band and a marked emission enhancement. The fifth chapter explores the development of sensors for berberine and amantadine; two molecules of biological interest due to their use as drugs. Three sensing systems based on a "molecular gate" approximation have been prepared. Specifically, MCM-41 nanoparticles were loaded with Rhodamine B as a signalling unit, functionalized with various amines and capped with cucurbituril CB7. The amines used are cyclohexylamine, benzylamine and amantadine., The materials obtained were characterized by X-ray diffraction techniques and transmission vi electron microscopy, confirming the mesoporous structure of the nanoparticles. The prepared materials showed a response to berberine and adamantine, which induced release of the fluorescent dye to the medium. The response of the materials to the two substances of interest (berberine and amantadine) depends on the chemical structure of the capping ensemble and it is a function of the affinity constants between the analyte and CB7. The results obtained open the way to the use of gated materials as berberine and amantadine probes. / We thank the Spanish Government (MAT2015-64139-C4-1-R) and Generalitat Valenciana (PROMETEOII/2014/047). M. L. P. thanks Generalitat Valenciana for her Grisolia fellowship. Thanks are also due to Fundação para a Ciência e Tecnologia (Portugal) for financial support to the Portuguese NMR network (PTNMR, Bruker Avance III 400-Univ. Minho), FCT and FEDER (European Fund for Regional Development)-COMPETEQREN- EU for financial support to the research centre CQ/UM [PEst-C/ QUI/UI0686/2013 (FCOMP-01-0124-FEDER-037302)], and a post- doctoral grant to R. M. F. Batista (SFRH/BPD/79333/2011). / Lo Presti, M. (2021). Optical detection of chemical species of environmental and biological relevance using molecular sensors and hybrid materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172664

L’acoustique picoseconde est une technique qui permet de générer et de détecter des ondes acoustiques de longueur d’onde submicrométrique par l’utilisation d’impulsions lumineuses ultrarapides (100 fs). Si la technique commence à être appliquée industriellement pour le contrôle non-destructif de films solides micrométriques, comme les microprocesseurs, très peu d’études concernent son application aux milieux liquides ou mous, malgré son potentiel unique pour les mesures acoustiques très hautes fréquences (supérieur à la dizaine de GHz). Ce travail de thèse dresse un premier panorama d’applications possibles de la technique d’acoustique picoseconde pour l’étude d’une cellule biologique unique, dont l’épaisseur peut être d’une centaine de nanomètres à quelques micromètres. Les résolutions atteintes permettent des applications pour l’imagerie et la tomographie acoustique d’une cellule unique par la détermination locale de ses propriétés physiques. Un modèle de simulation analytique est développé pour aider à la compréhension des signaux détectés et pour la résolution du problème inverse. La génération acoustique est simulée en résolvant les équations couplées de diffusion de la chaleur et de la propagation acoustique. La détection optique est ensuite étudiée en résolvant l’équation de Maxwell où les phénomènes thermiques et acoustiques perturbent l’indice optique du matériau. Pour les besoins expérimentaux, une enceinte biologique, étanche et thermostatée, est conçue. De même, le montage laser est adapté pour permettre une détection bicolore de l’onde acoustique se propageant dans la cellule. Enfin, un microscope combinant la visualisation des cellules par épifluorescence au dispositif laser expérimental est développé. Ce dernier permet de localiser précisément les éléments subcellulaires de la cellule, pour ensuite les étudier par acoustique picoseconde. La démonstration du potentiel de la méthode pour l’imagerie cellulaire et l’évaluation de sa sensibilité est faite sur cellule végétale. Ensuite, une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques de cellules ostéoblastes (MC3T3-E1), adhérentes sur un matériau mimant une prothèse de titane, est réalisée. Puis, l’effet du peptide RGD et de la protéine BMP-2 sur les propriétés viscoélastiques de la cellule ostéoblaste est quantifié. Ce travail est réalisé en partenariat avec une équipe de recherche en bio-ingénierie et reconstruction tissulaire, l’U577. / The picosecond ultrasonics technique is well suited to generate and to probe acoustic waves of submicromic wavelength using ultrafast light pulses (100 fs). If the technique starts to be used for non-destructive testing in industry, for micrometric solid films (microprocessor) for example, very few applications concern liquids or soft media, despite its unique potential for acoustic measurements at very high acoustic frequencies (up to ten GHz). This PhD study gives a first comprehensive overview of the applications of the picosecond ultrasonics technique for the study of a single biological cell, the thickness of which can be from around 100 nm to a few µm. Measurement accuracy is high enough for imaging a single cell and for evaluating its local physical properties. To understand the detected data, an analytical model is developed. This model is used too for the inverse model resolution. The acoustic generation is simulated solving the coupled equations of heat diffusion and of acoustic wave propagation. Optical detection is then studied solving the Maxwell equations where both thermal and acoustic phenomena perturb optical index of the media. For experiments, a biocompatible sample holder, leakproof and thermocontrolled, is built. In the same way, the optical experimental setup is adapted to allow a two color probing of the ultrafast photo-acoustic response in a single cell. Finally, a microscope combining cell fluorescence visualisation and the picosecond ultrasonic laser setup is developed. It allows to localize precisely the cell sub-components and to probe them by the picosecond ultrasonics technique. The demonstration of the technique for the single cell imaging and the evaluation of its accuracy is performed on vegetal cells. Then, a quantitative measurement of the viscoelastic properties of single osteoblast cells (MC3T3-E1), adhering on a bone substitute material (Ti6Al4V), is performed. RGD peptide and BMP-2 proteins effects on the cell osteoblast viscoelastic properties are quantified. This work is performed with a tissue or bone substitute engineering research team.

Opioid overdose is a growing epidemic plaguing the United States. Overdose related death has risen from 16,849 in 1999 to 69,029 in 2018. Almost 7 out of 10 of these deaths were due to opioids with 47% being caused by fentanyl or other synthetic opioids. There is a strong need to reduce the amount of overdose-related deaths. Indirect methods should be a first priority, and include counseling and care. For some individuals, this treatment option is unavailable because the drug user may not have the desire or economic means to pursue it. In this case, a more direct preventative approach is needed. This paper presents a novel method of detecting poor peripheral oxygenation, a biomarker linked to opioid overdose. A wristwatch near-infrared spectroscopy device (NIRS) was developed. SPICE simulations were conducted to confirm proper operation of electrical systems. The device was fabricated on a printed circuit board and mounted to a 3D printed enclosure. Absorbance of green, red and infrared (IR) light were measured. Additionally, peripheral capillary oxygen saturation (SpO2) modulation index and changes in concentration of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin were calculated from raw data. A brachial occlusion test was performed to mimic the effects of opioid overdose on peripheral oxygenation. A statistically significant difference (p < 0.05) was observed between pre-occlusion and during-occlusion groups in two subjects for measurement of peak-to-peak values of green raw data, red raw data, IR raw data, oxyhemoglobin concentration change, and deoxyhemoglobin concentration change. Peak-to-peak was observed as a consistent indicator of poor peripheral oxygenation and could serve as a useful metric in the detection of opioid overdose.