DETERMINATION OF ANTIBIOTICS IN BIOLOGICAL SAMPLES BY CAPILLARY ELECTROPHORESISThe main objective of this Thesis is the development of analytical methods for determining several antibiotic families by capillary electrophoresis. Other objective of this Thesis is the application of capillary electrophoresis as analytical technique for determining antibiotic residues in biological samples. These samples are very complex and for this reason we have developed pretreatment systems for extracting the compounds from the matrix and to diminish the amount of interfering substances. In the other way, one of the most important disadvantages in capillary electrophoresis is that usually we can not determine low concentrations. For this reason another objective of this Thesis is to study several ways to decrease detection limits of capillary electrophoresis system. Thus we have studied several on-column preconcentration systems, such as field amplified sample injection and capillary isotacophoresis. These systems are able to increase rapidly and simply the sensibility of the system several magnitude orders. By this way in this Thesis we have developed several analytical methods for determining several antibiotics and antibiotic families in different types of biological samples. We have studied the following antibiotic families: penicillins, quinolones, tetracyclines and aminoglycosides. Moreover, they have been analysed in several biological samples, such as plasma and different tissue samples (e.g. liver, kidney and muscle). All of these studies have been developed in animal samples except in one of them in which it was developed in human serum. This Doctoral Thesis is structured in four chapters. The first one includes an introduction in which is explained the antibiotic concept and is described the legislation which controls the administration of antibiotics in animals, and explains the necessity of developing analytical methods to determine residues at low levels in biological samples. The second one includes a review about several papers in which are developed the analysis of antibiotics in biological samples. There is described which are the systems more used in this kind of studies and the use of capillary electrophoresis as a real and suitable alternative. Moreover, this chapter includes a copy of work which analyzed antibiotics in biological samples by capillary electrophoresis. This work will be published in an international journal, Trends in Analytical Chemistry.The third chapter includes the experimental part of this Thesis. By this way, this chapter includes the eight works published in international journals (Electrophoresis, Journal of Chromatography B and Chromatographia). Before each paper there is included a brief explanation about the paper contents. Some of published papers are based in the study of several types of pretreatment systems. And the other works include comparative studies to determine which is the best system to increase system sensitivity. The last chapter describes the conclusions obtained through these works. / DETERMINACIÓ D´ANTIBIÒTICS EN MOSTRES BIOLÒGIQUES PER ELECTROFORESI CAPIL·LARL'objectiu fonamental de la present Tesi Doctoral ha estat desenvolupar mètodes analítics per dur a terme la determinació de diferents famílies d'antibiòtics per electroforesi capil·lar.Un altre objectiu de la present Tesi Doctoral ha estat aplicar l'electroforesi capil·lar com a tècnica analítica per a la determinació de residus d'antibiòtics en mostres biològiques. Degut a la complexitat d'aquestes mostres ha estat necessari desenvolupar sistemes de pretractament de les mostres per tal d'extreure els analits de la matriu i disminuir d'aquesta manera la quantitat de substàncies interferents degudes als components de la matriu de la mostra, els quals molts cops es troben a concentracions molt majors que els compostos d'interès.Per altra banda, un dels principals inconvenients de l'electroforesi capil·lar és que en molts casos no és una tècnica el suficientment sensible per tal de determinar concentracions baixes. És per això que un altre objectiu d'aquesta Tesi Doctoral ha estat estudiar maneres d'augmentar la sensibilitat del sistema. S'han estudiat sistemes de preconcentració on-column, com és la injecció de grans volums de mostra i la isotacoforesi capil·lar. Aquests sistemes es caracteritzen perque permeten augmentar de manera ràpida i simple la sensibilitat del sistema diversos ordres de magnitud.D'aquesta manera en la present Tesi Doctoral s'han desenvolupat diferents mètodes analítics per a la determinació de diferents antibiòtics i famílies d'antibiòtics en diferents tipus de mostres biològiques. Les famílies d'antibiòtics estudiades han estat les penicil·lines, les quinolones, les tetraciclines i els aminoglicòsids. I s'han analitzat en diferents tipus de mostres biològiques com són plasma i diferents teixits (fetge, ronyó i múscul). En tots els casos els estudis s´han realitzat en mostres animals, excepte en un cas en el que es va desenvolupar l´estudi en sèrum humà.Aquesta Tesi Doctoral s'ha estructurat en quatre capítols. En el primer es fa una introducció al concepte d'antibiòtic i es descriu la normativa que hi ha establerta per a la seva administració en animals així com la necessitat de desenvolupar estudis de residus que permetin determinar els antibiòtics a baixos nivells de concentració en les mostres biològiques. En el segon capítol es mostra una revisió actualitzada de l'estat d'investigació en el camp dels antibiòtics. Es descriu quins han estat els sistemes més utilitzats en aquestes anàlisis i l'alternativa que suposa l'ús de l'electroforesi capil·lar en aquests estudis degut a les seves característiques. Aquest capítol inclou els diferents sistemes de tractament de mostres així com es descriuen diferents sistemes de preconcentració on-column per electroforesi capil·lar. Aquest mateix capítol inclou una còpia del treball que serà publicat a la revista internacional "Trends in Analytical Chemistry" que va sorgir arrel de l'estudi bibliogràfic sobre l'anàlisi d'antibiòtics en mostres biològiques per electroforesi capil·lar.En el tercer capítol s'inclou la part experimental realitzada en aquesta Tesi Doctoral. Aquest capítol es divideix en vuit apartats que corresponen als vuit treballs publicats en revistes internacionals ("Electrophoresis", "Journal of Chromatography B" i "Chromatographia"). Cada apartat inclou una breu explicació del que s'ha estudiat en el treball així com una còpia del treball publicat. En alguns dels treballs s'han desenvolupat mètodes analítics basats en l'estudi de sistemes de pretractament de les mostres biològiques per tal de dur a terme l'anàlisi dels antibiòtics. S´ha determinat quins tipus de tractament és més adequat en funció de l´antibiòtic i de la mostra. També en aquests treballs s'han desenvolupat estudis comparatius per tal de determinar quins sistemes de preconcentració resulten més efectius per tal d'augmentar la sensibilitat del sistema i com varien els resultats en funció de la família d'antibiòtics que s'està estudiant.Finalment, en el quart capítol es descriu a quines conclusions s'ha arribat després de l'estudi de recerca realitzat així com dels resultats obtinguts a la part experimental.

L'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament de mètodes analítics que permetin la determinació dels paràmetres establerts per la normativa, per aigües destinades al consum humà (índexs d'activitat alfa total i beta total i activitat de triti) així com, la caracterització d'un grup d'emissors gamma i els isòtops de l'urani i el tori, tant en mostres aquoses com en mostres sòlides. Per altra banda, a part del desenvolupament d'aquests mètodes, s'ha realitzat la caracterització d'aigües superficials, aigües embotellades, sediments, fangs i biota. Els treballs realitzats es troben, principalment, localitzats a l'últim tram de la conca del riu Ebre per avaluar la possible influència de les indústries localitzades en aquesta zona. Concretament, en aquest tram del riu Ebre es troben localitzades la central nuclear d'Ascó, la indústria de fosfat bicàlcic i finalment, la planta de tractament d'aigua potable a l'Ampolla. Aquestes indústries degut al seu funcionament, poden incrementar la presència de radionúclids tant d'origen natural com artificial en els diferents ecosistemes d'aquest riu. / El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de métodos analíticos que permitan la determinación de los parámetros establecidos por la normativa, para aguas destinadas al consumo humano (índices de actividad alfa total i beta total i actividad de tritio) así como, un grupo de emisores gamma i los isótopos del uranio y el torio, en muestras acuosas y en muestras sólidas. Por otro lado, a parte del desarrollo de estos métodos, se ha realizado la caracterización de aguas superficiales, aguas embotelladas, sedimentos, lodos y biota. Los trabajos realizados se encuentran principalmente localizados en el último tramo del río Ebro con la finalidad de evaluar la posible influencia de las industrias localizadas en esta zona. Concretamente, en este tramo del río Ebro se encuentran localizadas la central nuclear de Ascó, la industria de fosfato bicálcico y finalmente, la planta de tratamiento de agua potable en la Ampolla. Estas industrias debido a su funcionamiento, pueden incrementar la presencia de radionucleidos tanto de origen natural como artificial en los diferentes ecosistemas de este río.

El gran número y diversidad de analíticas que requieren los productos farmacéuticos hacen necesario el desarrollo de metodologías de análisis rápidas y fiables. Actualmente, la aplicación de nuevas técnicas instrumentales para control de calidad, que permitan la obtención de resultados de forma rápida y más económica, es un campo de investigación muy activo en la industria farmacéutica. En esta tesis se han utilizado dos técnicas de reciente aparición: la electroforesis capilar (EC) y la espectroscopia en el infrarrojo cercano (NIR) para desarrollar metodologías de análisis para productos farmacéuticos. Ambas técnicas, aunque muy diferentes, han sido aplicadas con éxito para cubrir distintas necesidades analíticas.EC se ha utilizado para el desarrollo y la validación de un método para la separación y determinación de los componentes de un preparado farmacéutico. Dado el carácter iónico de los componentes, se trabaja con la modalidad de electroforesis capilar de zona (CZE). La resolución y alta eficacia obtenidas permiten aplicar este método tanto a la determinación del contenido en principio activo como al seguimiento de la estabilidad del preparado. Para resolver los seis posibles isómeros posicionales de un producto derivado del preservante del fármaco se han comparado tres opciones: HPLC, CZE y la cromatografía electrocinética micelar (MEKC). Ésta última es la que permite obtener la mejor resolución, separando cinco de los seis isómeros posibles.NIR ha sido aplicado tanto en análisis cualitativo como en el análisis cuantitativo de distintos fármacos. La identificación se ha realizado desarrollando bibliotecas de espectros y para mejorar la discriminación entre productos semejantes se ha propuesto una estrategia de trabajo de bibliotecas en cascada (identificación en la biblioteca general y si es necesario en una segunda más restringida y discriminante) que permiten identificar completamente una muestra. También se ha utilizado la técnica NIR en el desarrollo de métodos para la determinación de los principios activos en dos preparados farmacéuticos con presentaciones distintas: un granulado y un gel. Para el granulado, se han comparado distintas estrategias posibles en el desarrollo del método, mientras que para el gel se han discutido las posibilidades para el registro de los espectros. Ambos métodos han sido desarrollados y validados con éxito.Las metodologías analíticas desarrolladas han demostrado su eficacia en la resolución de varios aspectos del control de calidad farmacéutico. Tanto la electroforesis capilar como la espectroscopia NIR poseen un gran potencial como alternativas a los métodos ya implantados, permitiendo optimizar tiempos y costes. / The high number and diversity of analytical tests required for pharmaceutical products encourages the development of expeditious and reliable analytical methods. Nowadays, the application of analytical techniques to obtain results more and economic and rapidly is a very active research field in pharmaceutical industry. In this work, two recently appeared techniques: capillary electrophoresis (CE) and near-infrared spectroscopy (NIR), have been used in the development of analytical methodologies for different drug products. Despite its differences, both techniques have been successfully applied to solve different analytical problems.CE has been used in the development and validation of a method for separation and determination of all components in a formulation. Due to ionic condition of all components, capillary zone electrophoresis (CZE) has been chosen as the better electrophoretic mode. The high resolution and efficiency obtained allow to apply this method not only in the determination of the active substance but also for stability control of the formulation. In order to resolve the six possible isomers of a product derived of the preservative in the formulation, three different options have been compared: HPLC, CZE and micellar electrokinetic chromatography (MEKC). Characteristics of the last, which includes a surfactant as pseudostationary phase, allow to obtain a higher resolution, resolving five of the six possible isomers.NIR has been applied in qualitative and quantitative analysis. In qualitative analysis, NIR has been used in the development of spectral libraries for identifying a vast number of products. A new strategy has been proposed, with the design of cascade libraries (a first identification in a general library and, if necessary, a second one in a more reduced and discriminating sub-library) for complete identification of a sample. In quantitative analysis, NIR has been employed in the development of methods for determining the active in two drug products with different presentations: a granulate and a hydrogel. In the granulate method, different calibration strategies have been compared, while in the hydrogel method the spectral register method has been discussed. Both methods have been successfully developed and validated, yielding very good results.Analytical methodologies developed have confirmed its usefulness for pharmaceutical quality control. Both CE and NIR show a great potential as alternative methods to conventional techniques, allowing the optimisation of costs and times of analysis.

Aquesta tesis inclou els resultats de recerca bàsica de la química de metallocavitands. El primer projecte descriu els efectes produïts per la constricció del complex organometàl•lic (THF-d8)•Ir(I)•COD en l’interior de la cavitat aromàtica de la octaamida cavitand d’en Rebek. L’inesperat comportament dinàmic del complex organometàl•lic inclòs dóna lloc a l’observació de sorprenents exemples d’isomerisme supramolecular . El segon projecte gira entorn la síntesis d’una nova classe de heptaamida cavitants funcionalitzats amb una unitat de piridina . La coordinació de Rh(I)•COD amb la sèrie de heptamidas produeix complexes organometàl•lics mono catiònics amb diferent geometries de complexació. Els metalo-cavitands de Rh(I) obtinguts foren assajats com a catalitzadores en la reacció d’hidrogenació de norbornadiè. El tercer projecte descriu el disseny, la síntesis i la caracterització d’un nou cavitand funcionalitzat amb un complex de Ru(II)•(H2O) terpiridina que conté com a lligand auxiliar 2-(fenilazo)piridina. El Ru(II)•(H2O) cavitand fou utilitzat com a catalitzador en la reacció d’epoxidació d’olefines i en la reacció d’oxidació d’alcohols primaris. / Esta tesis contiene los resultados de tres estudios sobre la química de metalo-cavitandos. En el primer proyecto describe los efectos producidos por el confinamiento del complejo organometálico (THF-d8)•Ir(I)•COD en la cavidad aromática de la octamida cavitando de Rebek. El inesperado comportamiento dinámico que experimenta el complejo organometálico incluido dio lugar a la observación de ejemplos sorprendentes de isomerismo supramolecular. En el segundo proyecto se describe la síntesis de una nueva clase de heptaamida cavitandos funcionalizados con una unidad de piridina. La coordinación de Rh(I)•COD con la serie de heptaamidas produce complejos organometálicos monocatiónicos con diferentes geometrías de complejación. Los metalo-cavitandos de Rh(I) así obtenidos se usaron como catalizadores en la reacción de hidrogenación de norbornadieno. En el tercer proyecto se detalla el diseño, la síntesis y la caracterización de un nuevo cavitando funcionalizado con un complejo de Ru(II)•(H2O) terpiridina que contiene 2-(fenilazo)piridina como ligando auxiliar. El Ru(II)•(H2O) cavitando fue utilizado como catalizador en la reacción de epoxidación de olefinas y en la reacción de oxidación de alcoholes primarios. / This thesis includes the results of fundamental research on metallocavitand chemistry. The first project describes the effects produced by constraining the organometallic complex (THF-d8)•Ir(I)•COD into the aromatic cavity provided by Rebek’s octaamide cavitand. The unexpected dynamic behavior of the included organometallic complex led to the detection of surprising examples of supramolecular isomerism. The second project deals with the synthesis of an unprecedented series of pyridyl-decorated self-folding heptaamide cavitands. The coordination of Rh(I)•COD with the cavitand’s series produced a cationic organometallic complexes with different binding geometries. The produced Rh(I)-complexes were tested as catalysts in the hydrogenation of norbornadiene. The third project discloses the design, synthesis and characterization of a new cavitand functionalized with a terpyridine Ru(II)•(H2O) complex with 2-(phenylazo)pyridine as an ancillary ligand. The Ru(II)•(H2O) metallocavitand was used as a catalyst in the epoxidation reaction of olefins and the oxidation of primary alcohols.

Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament de mètodes analítics per determinar famílies poc estudiades de contaminants orgànics emergents en aigües ambientals i mostres de llots de depuradora. Els compostos inclosos en aquesta Tesi són els glucocorticoides, els ionòfors de polièter, les benzotriazoles, les benzotiazoles, les benzenosulfonamides i els ful·lerens. En aquesta Tesi, es demostren les capacitats ofertes per les tècniques de determinació d'avantguarda, tals com la "ultra-high performance liquid chromatography (UHPLC)" i la "Asymmetrical flow field-flow Fractionation (AF4 )" acoblades a analitzadors de masses de tipus triple quadrupol (QqQ) o Orbitrap per a l’anàlisi de mostres ambientals. A més, l'ús de tècniques d'extracció emergents en el camp mediambiental, com ara "pressurised hot water extraction (PHWE)" i QuEChERS, es van explorar per a l'anàlisi de mostres de llots de depuradora. Aquestes tècniques poden ser avantatjoses en comparació amb altres tècniques d'extracció emprades en l'actualitat en l'anàlisi mediambiental, també utilitzades en aquesta Tesi, com ara la "pressurised liquid extraction ( PLE)". També en aquesta Tesi, es proporciona informació de la presència d'aquests contaminants orgànics emergents en l'aigua de riu, les aigües residuals i mostres de llots de depuradores de diferents rius i EDARs de Catalunya. A més, s'informa de les dades sobre l'eliminació d'aquests compostos tant pels tractaments d'aigües residuals secundaris i terciaris i, alguns d’ells s’han determinat per primera vegada. / Esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de métodos analíticos para determinar familias poco estudiadas de contaminantes orgánicos emergentes en aguas ambientales y muestras de lodos de depuradora. Los compuestos incluidos en esta Tesis son los glucocorticoides, los ionóforos de poliéter, las benzotriazolas, las benzotiazolas, las bencenosulfonamidas y los fulerenos. En esta Tesis, se demuestran las capacidades ofrecidas por las técnicas de determinación de vanguardia, tales como la “ultra-high performance liquid chromatography (UHPLC)” y la “asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4)” acopladas a analizadores de masas de tipo triple cuadrupolo (QqQ) o Orbitrap para el análisis de muestras ambientales. Además, el uso de técnicas de extracción emergentes en el campo medioambiental, tales como “pressurised hot water extraction (PHWE)” y QuEChERS, se exploraron para el análisis de muestras de lodo de depuradora. Estas técnicas pueden ser ventajosas en comparación con otras técnicas de extracción empleadas en la actualidad en el análisis medioambiental, también utilizadas en esta Tesis, tales como “pressurised liquid extraction (PLE)”. También en esta Tesis, se proporciona información de la presencia de estos contaminantes orgánicos emergentes en el agua de río, las aguas residuales y muestras de lodos de depuradoras de diferentes ríos y EDARs de Cataluña. Además, se informa de los datos sobre la eliminación de estos compuestos tanto por los tratamientos de aguas residuales secundarias y terciarias y, algunos de ellos han sido determinados por primera vez. / This Doctoral Thesis focuses on the development of analytical methods to determine little studied families of emerging organic contaminants in environmental waters and sewage sludge samples. The compounds included in this Thesis are glucocorticoids, polyether ionophores, benzotriazoles, benzothiazoles, benzenesulfonamides and fullerenes. In this Thesis, the capabilities offered by cutting-edge determination techniques such as ultra-high performance liquid chromatography (UHPLC) or asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4) coupled to triple quadrupole (QqQ) or Orbitrap-based mass spectrometry analysers are demonstrated. In addition, the use of emerging extraction techniques in the field of environmental analysis, such as pressurised hot water extraction (PHWE) and QuEChERS, were explored for the analysis of sewage sludge samples. These techniques can be advantageous as compared to other extraction techniques currently employed in environmental analysis and also used in this Thesis such as pressurised liquid extraction (PLE). Also in this Thesis, information of the occurrence of these emerging organic contaminants in river water, sewage and sewage sludge samples from different rivers and STPs from Catalonia is provided. Additionally, data about the removal of these compounds both by secondary and tertiary sewage treatments is reported and some of them were determined for the first time.

En les últimes dècades la població mundial ha pres consciència de la cura de l’entorn generant l’aparició de moviments en favor de preservar el medi ambient. Aquest compromís social ha estat acompanyat de polítiques de gestió de residus i la cerca d’energies alternatives que minimitzin els efectes adversos. En aquest context sorgeix l’oportunitat d’aprofitar deixalles per produir energia elèctrica. La coincidència d’ambdues tendències, noves energies alternatives i gestió de residus, condueix en els últims anys al desenvolupament de sistemes de producció d’energia elèctrica utilitzant biogàs com a combustible. El biogàs, producte d’alt poder calorífic, generat principalment en dipòsits controlats de residus sòlids urbans (RSU) i estacions depuradores d’aigües residuals (EDAR), conté també a nivell de traces compostos derivats del silici (siloxans) que malmeten els sistemes de conversió d’energia encarint els costos i les inversions necessàries en les instal·lacions. En aquesta Tesis Doctoral s’ha desenvolupat un mètode analític, utilitzant cromatografia de gasos d’alta resolució acoblada a espectrometria de masses, que permet determinar el contingut de siloxans en biogàs generat en abocadors i depuradores. Amb aquest mètode analític s’han estudiat diferents procediments de mostreig del biogàs, seleccionant el més adient, senzill i robust. S’han estudiat els avantatges que aporten els diversos sistemes de mostreig (bosses, impingers i adsorbents sòlids), així com diferents columnes cromatogràfiques constituïdes per diverses fases estacionàries i les seves respectives condicions cromatogràfiques fins a obtenir el mètode òptim de treball. Els millors resultats s’han obtingut combinant tubs de carbó actiu (etapa de mostreig) amb una columna de polaritat mitjana (etapa d’anàlisi). Aquest procediment permet analitzar biogàs procedent de dipòsits controlats de RSU i EDAR. Posteriorment, amb el procediment analític desenvolupat, s’ha estudiat i monitoritzat la concentració de siloxans presents en el biogàs generat en el dipòsit controlat d’origen municipal d’Orís durant deu mesos. Aquests estudis s’han realitzat en el marc d’un Projecte LIFE (“MICROPHILOX”) liderat per l’empresa CESPA i d’un Projecte R+i Alliance (“SL1001”) liderat per l’empresa CETaqua. / En las últimas décadas la población mundial ha tomado conciencia del cuidado del entorno generando la aparición de movimientos en favor de preservar el medioambiente. Este compromiso social ha ido acompañado de políticas de gestión de residuos y búsqueda de energías alternativas que minimicen los efectos adversos. En este contexto surge también la oportunidad de aprovechar productos de desecho para producir energía eléctrica. La coincidencia de ambas tendencias, nuevas energías alternativas y gestión de los residuos, conduce al desarrollo de sistemas de producción de energía eléctrica utilizando biogás como combustible. El biogás, producto de alto poder calorífico, generado principalmente en depósitos controlados de residuos sólidos urbanos y estaciones depuradoras de aguas residuales, contiene también a nivel de trazas compuestos derivados del silicio (siloxanos) que dañan los sistemas de conversión de energía encareciendo los costes y las inversiones necesarias en las instalaciones. En esta Tesis Doctoral se ha desarrollado un método analítico, utilizando cromatografía de gases de alta resolución acoplada a espectrometría de masas, que permite determinar el contenido de siloxanos en biogás generado en vertederos y depuradoras. Con este método analítico se han estudiado diferentes procedimientos de muestreo del biogás, seleccionando aquel más adecuado, sencillo y robusto. Se han estudiado las ventajas que aportan los diversos sistemas de muestreo (bolsas, impingers y adsorbentes sólidos), así como diferentes columnas cromatográficas constituidas por distintas fases estacionarias y sus respectivas condiciones cromatográficas hasta obtener el método óptimo de trabajo. Los mejores resultados se han obtenido combinando los tubos de carbón activo (etapa de muestreo) con una columna de polaridad intermedia (etapa de análisis). Este procedimiento permite analizar biogás procedente de depósitos de RSU y EDAR. Posteriormente, con el procedimiento analítico desarrollado, se ha estudiado y monitorizando la concentración de siloxanos contenidos en el biogás generado en el depósito controlado de residuos sólidos urbanos de Orís a lo largo de diez meses. Estos estudios se han realizado en el marco de un Proyecto LIFE (“MICROPHILOX”) liderado por la empresa CESPA y de un Proyecto R+i Alliance (“SL1001”) liderado por la empresa CETaqua. / In recent decades the world population has become aware of environmental care and encouraged movements in favour of preserving the environment. This social commitment has been accompanied by waste management policies and search for alternative energies that minimize adverse effects. In this context, the opportunity to exploit waste products to produce electricity also emerges. The coincidence in recent years of new alternative energies and waste management leads to the development of production systems of electricity using biogas as fuel. The biogas is a product with a high heat power value which is mainly generated in landfills and wastewater treatment plants (WWTP). It also contains trace levels of compounds derived from silicon (siloxanes) that damage the conversion energy systems and increase the operational costs and the investments required in the plants. In this Doctoral Thesis, an analytical method using high resolution gas chromatography coupled to mass spectrometry has been developed to determine the content of siloxanes in biogas generated in landfills and wastewater treatment plants. Diverse sampling procedures for biogas have been studied up to select the most suitable, simple and robust. The study was conducted with samples of biogas generated in three landfills and in two wastewater treatment plants. The advantages of sampling systems (bags, impingers and solid adsorbents) using different stationary phases in the chromatographic columns and under specific chromatographic conditions have been studied up to obtain the optimal analytical method. The best results were obtained when combining activated carbon tubes (sampling step) with a mid-polarity column (analysis step). This procedure allows analyzing efficiently biogas from landfills and WWTPs. Furthermore the analytical procedure developed has been applied to study and monitoring the siloxane concentration in biogas generated in the Orís Landfill over a period of ten months. This research has been conducted under a LIFE Project ("MICROPHILOX") led by the company CESPA and under an R+i Alliance Project ("SL1001") led by the company CETaqua.

L’objectiu general d’aquesta tesis es el desenvolupament i validació de metodologies analítiques enfocades al anàlisi qualitatiu multivariant. Els mètodes qualitatius són una alternativa als mètodes quantitatius, generalment costosos, quan aquests estan dissenyats per a solucionar problemes que requereixen una resposta binaria (si/no). Aquestes metodologies poden ser utilitzades en una gran diversitat d’àmbits analítics i, en questa tesis, s’han aplicat en l’alimentació (contaminació o adulteració d’aliments). Els treballs que s’han realitzat recauen en les diferents etapes associades al seu desenvolupament i validació. (1) Font de dades: s’han implementat diferents tècniques espectroscòpiques tal com NIR i IR i s’ha avaluat una modalitat de Raman, Surface-Enhanced Raman Scattering spectroscopy (SERS). La tècnica SERS s’ha usat poc en el àmbit analític multivariant tot i ser una tècnica similar a altres àmpliament emparades (NIR i IR). (2) Tractament quimiomètric: s’han emparat diferents tècniques de classificació basades en el seu poder modelador. S’han utilitzat tècniques ben establertes (SIMCA e UNEQ), tècniques recents (OCPLS) i una nova tècnica desenvolupada en aquesta tesis (partial least square density modeling, PLS-DM). A més, s’han estudiat diferents estratègies de modelat, una classe (untargeted) y múltiples classes (targeted). En la bibliografia, molt estudis s’han basat en el modelat de dos o més categories (targeted) mentre que pocs estudis basen la seva estratègia en el modelat de només una categoria, la categoria d’interès (untargeted). Tot i que no es una estratègia nova, està poc explotada. (3) Validació: s’ha dut a terme un estudi enfocat a clarificar la terminologia usada en la validació de mètodes qualitatius. S’ha proposat un protocol de validació que inclou el ús de Performance Characteristic Curves per establir els paràmetres de qualitat amb connotació quantitativa (límits de concentració i la regió d’incertesa). / El objetivo general de esta tesis es el desarrollo y validación de metodologías enfocadas al análisis cualitativo multivariante. Los métodos cualitativos son una alternativa a los métodos cuantitativos, generalmente caros, cuando estos están diseñados para solucionar problemas que requieren una respuesta binaria (si/no). Estas metodologías pueden ser utilizadas en una gran diversidad de ámbitos analíticos y, en esta tesis, se han aplicado en alimentación (contaminación o adulteración de alimentos). Los trabajos llevados a cabo inciden en las diferentes etapas asociadas al análisis cualitativo multivariante: (1) Fuente de datos: se han implementado diferentes técnicas espectroscópicas como NIR e IR y se ha evaluado una modalidad de Raman, Surface-Enhanced Raman Scattering spectroscopy (SERS). La técnica SERS se ha utilizado poco en el ámbito analítico multivariante a pesar de ser una técnica similar a otras ampliamente utilizadas (NIR e IR). (2) Tratamiento quimiométrico: se han aplicado diferentes técnicas de clasificación basadas en su poder modelador. Se han utilizado técnicas bien establecidas (SIMCA e UNEQ), técnicas recientes (OCPLS) y una técnica nueva desarrollada en esta tesis (partial least square density modelling, PLS-DM). Además, se han estudiado diferentes estrategias de modelado, una clase (untargeted) y múltiples clases (targeted). En la literatura, muchos estudios se basan en el modelado de dos o más categorías (targeted) mientras que pocos estudios basan su estrategia en el modelado de solamente una categoría, la categoría de interés (untargeted). A pesar de no ser una estrategia nueva, está poco explotada. (3) Validación: se ha llevado a cabo un estudio encaminado a clarificar la terminología usada en la validación de métodos cualitativos. Se ha propuesto un protocolo de validación que incluye el uso de las Performance Characteristic Curves para estimar los parámetros de calidad con connotación cuantitativa (limites de concentración y región de incertidumbre). / The main objective of this thesis is the development and validation of analytical methodologies focused on multivariate qualitative analysis. These methods are used to address problems that require a binary response (yes/no). In this way, the number of quantitative characterizations, which are usually more expensive, is reduced and decision-making is made quicker by the use of simple and low-cost analytical instrumentation. Multivariate qualitative methodologies can be used in a wide variety of analytical fields and, in this thesis; they have been applied to the food field (contamination or adulteration of foodstuff). The works carried out in this thesis tackle the different steps that cover multivariate qualitative analysis: (1) Data source: several spectroscopic techniques such as NIR and IR have been used and a Raman modality called Surface-Enhanced Raman Scattering spectroscopy (SERS) has been evaluated. Although SERS technique is similar to other implemented spectoscopies (NIR and IR), it can be still considered as an emergent technique in the analytical multivariate field. (2) Chemometric data treatment: several classification techniques based on their modelling power has been applied; well-known techniques (SIMCA e UNEQ), recent developed techniques (OCPLS) and a new technique developed in this thesis (partial least square density modeling, PLS-DM). Moreover, two different modelling strategies have been studied, one-class (untargeted) and multiclass (targeted). In the literature, most of the studies are based on the modelling of two or more categories (targeted) whereas few of them are based on the modelling of just one category (targeted). Although untargeted strategy is not new, it has been low exploit. (3) Validation: An attempt to clarify the terminology used in the qualitative method validation has been presented. A validation protocol has been proposed which include the use of Performance Characteristic Curves to estimate the performance parameters with quantitative connotation (concentration limits and unreliability region).

La síntesis de polímeros a partir de fuentes renovables como la biomasa es una forma viable de resolver los problemas relacionados con la contaminación del medio ambiente y la escasez de recursos derivados del petróleo usados como materias primas en la industria de los polímeros. Las polibenzoxazinas son una nueva clase de resinas termoestables cuya síntesis es de gran simplicidad y presentan propiedades interesantes de potencial aplicación en diversos campos, entre otros en la industria electrónica. Además, las benzoxazinas eliminan el problema de la liberación de subproductos de condensación, que presentan las resinas fenólicas convencionales, y no necesitan de un catalizador para su entrecruzamiento. También ofrecen una mayor flexibilidad en el diseño estructural al poder utilizar fenoles y aminas de diferente estructura. Tradicionalmente, las benzoxazinas se sintetizan a partir de fuentes derivadas del petróleo como fenoles, aldehídos y aminas primarias. Son escasos los ejemplos de síntesis de benzoxazinas parcial o totalmente derivadas de fuentes renovables. Dentro de ellas, cabe destacar el uso del cardanol, compuesto extraído del aceite de la cáscara del anacardo, y más recientemente el uso de gliceroles parcialmente enriquecidos, provenientes del aceite de girasol, en la síntesis de polibenzoxazinas con buenas propiedades de flexibilidad y adherencia. A partir de procesos de biorefineria de la celulosa se obtiene el ácido levulínico. Este compuesto es de gran interés a nivel industrial debido a que su producción es simple y se obtiene con altos rendimientos. Una de sus aplicaciones es como precursor en la producción industrial del ácido difenólico, que se obtiene mediante una reacción de condensación de éste con fenol. En los últimos años la Organización Mundial de la Salud ha prestado especial atención a aquellas sustancias de uso diario que representan una amenaza para la salud humana. Entre ellas están los ftalatos, las benzofenonas, los parabenos y el bisfenol A (BPA). Actualmente el ácido difenólico se está considerando como una alternativa “green” para sustituir al BPA ya que presenta una estructura química muy similar, es más barato y además posee una funcionalidad extra, que le brinda cierta versatilidad en la síntesis de polímeros. De acuerdo a todo lo mencionado anteriormente la presente tesis aborda la utilización del ácido difenólico como material de partida para la síntesis de nuevas polibenzoxazinas con un alto valor añadido. De esta forma, diferentes estrategias se han desarrollado para explorar las diferentes aplicaciones de estos materiales que se han agrupado en distintos capítulos, que a continuación se mencionan. En la primera parte del capítulo 1 se describe la síntesis y polimerización de dos nuevas polibenzoxazinas: la derivada del ácido difenólico (DPA-Bz) y la derivada del éster del ácido difenólico (MDP-Bz). Además, se describe la caracterización térmica y termomecánica de ambos materiales y se comparan con las de la benzoxazina derivada del bisfenol A (BPA-Bz). Como resultado de las reacciones de esterificación o transesterificación entre los grupos hidroxilos, derivados de la apertura del anillo de oxazina, y los grupos carbonilo y éster, presentes en la estructura de las benzoxazinas, la MDP-Bz y la DPA-Bz presentaron una mayor densidad de entrecruzamiento y por ende una mayor temperatura de transición vítrea (Tg) en comparación con la BPA-Bz. En la segunda parte del capítulo se describe la preparación de mezclas entre el DPA y la MDP-Bz reforzadas con fibra de vidrio. La adición de DPA disminuyó la temperatura de polimerización de las mezclas, la Tg y las propiedades termomecánicas debido a su incorporación en la red de entrecruzamiento. Así mismo, se prepararon polibenzoxazinas retardantes a la llama mediante la adición de una sal de fosfaceno derivada del DPA. Los materiales resultantes exhibieron una buena estabilidad térmica. La primera parte del segundo capítulo trata sobre la preparación y caracterización de espumas rígidas de polibenzoxazina de baja densidad, a partir de la DPA-Bz. A través de un proceso de autoespumado en el cual se genera el agente de espumado (CO2) in situ, debido a una reacción de descarboxilación, se prepararon una serie de espumas controlando la temperatura de espumado. Los materiales resultantes se caracterizaron en función de su morfología, y propiedades térmicas y mecánicas. Un segundo estudio contempló la preparación y caracterización de espumas rígidas de polibenzoxazina retardantes a la llama. Se emplearon 2 compuestos organofosforados y se determinó la incidencia de su adición usando técnicas analíticas. Las espumas demostraron buenas propiedades retardantes y buena estabilidad térmica en comparación con las espumas sin aditivo. Finalmente, usando herramientas analíticas se propusieron modelos matemáticos para ajustar la densidad y las propiedades mecánicas (resistencia y el módulo de compresión) de las espumas retardantes a la llama en términos de las variables de espumado, es decir, la temperatura y el tiempo. En el tercer capítulo se describe la preparación de nanocompuestos poliméricos. Como matrices poliméricas se usaron la MDP-Bz, la BPA-Bz mientras que como nanoaditivos se emplearon nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) entre 0.1 y 1.0 % en peso. Con el fin de conseguir un método de dispersión que fuera más respetuoso con el medio ambiente no se empleó ningún disolvente. La dispersión de los nanoaditivos en ambos monómeros se evaluó mediante medidas reológicas mientras que la dispersión en los polímeros se observó usando un microscopio electrónico de transmisión (TEM). En general se obtuvo un buen grado de dispersión en los dos sistemas. La adición de nanotubos tuvo un efecto positivo en los nanocompuestos obtenidos ya que éstos exhibieron una alta conductividad eléctrica, una buena estabilidad térmica y una alta resistencia a la llama / Polybenzoxazines are considered a new type of thermosetting phenolic resins whose synthesis is quite simple. Polybenzoxazines present unique features that make them promising candidates for various industrial applications including electronics, aerospace, composites, coatings, adhesives, and encapsulants manufacturing. Two new benzoxazine materials have been synthesized and polymerized from the renewable diphenolic acid. The diphenolic acid-based benzoxazine (DPA-Bz) enables the preparation of rigid foams as well as flame retardant counterparts through a self-induced foaming process. For the methylester derivative benzoxazine (MDP-Bz), fiberglass reinforced materials were obtained with flame retardancy properties. Moreover, by adding neat carbon nanotubes, nanocomposite materials were prepared with low percolation threshold and improved thermal and fire properties.

Different analytical methodologies have been developed for the determination of odorous compounds and synthetic fragrances in water and air WWTP samples from Girona and Tarragona provinces. With regards to the odorous compounds, different methods have been developed, based on SPME and thermal desorption, for their determination in water and air samples. A group of the analytes have been detected in the samples at μg/L and μg/m3 levels, and some of them still surpass their odour threshold values. With regards to the fragrances, a SPME method has been developed for their monitorization in two WWTPs and it has been observed that some of them are not completely eliminated along the wastewater treatment. Moreover, two conventional tertiary treatments (UV and chlorination) have been evaluated for their elimination in waters. Some transformation products have been tentatively identified. / S’han desenvolupat diferents metodologies analítiques per a la determinació de compostos olorosos i fragàncies sintètiques en mostres d'aigua i aire procedents d’EDARs de les províncies de Girona i Tarragona. Pel que fa als compostos olorosos, s'han desenvolupat diferents mètodes, basats en la SPME i en la desorció tèrmica, per a la seva determinació en aigua i aire. S’han detectat alguns dels anàlits en les mostres analitzades, la majoria a nivells de μg/L i μg/m3, tot i que en algunes ocasions per sobre dels seus llindars de percepció olfactiva. Pel que fa a les fragàncies, s'ha desenvolupat un mètode basat en la SPME per a la seva monitorització en dues EDARs i s'ha comprovat que algunes d'elles no són eliminades al llarg del tractament de l’aigua residual. També s'han avaluat dos tractaments terciaris convencionals (UV i cloració) per a la seva eliminació en aigües i s'han investigat els productes de transformació.

El desenvolupament de diferents materials per a les tècniques d’extracció mitjançant processos de sorció és una àrea en continua expansió; no obstant, l’extracció d’anàlits polars encara és un tema que requereix més investigació. En aquesta Tesi s’han desenvolupa nous materials que reuneixen de selectivitat i/o capacitat característiques per a extreure contaminants orgànics polars en mostres aquoses. La primera part descriu el desenvolupament de nous materials polimèrics que milloren la capacitat i selectivitat de l’extracció en fase solida, i hi inclau els polímers altament entrecreuats amb caràcter hidrofílic, els sorbents altament entrecreuats d’intercanvi iònic de mode-mixte i els líquids iònics suportots en fases polimèriques; així com la seva avaluació com a nous sorbents per a la extracció de contaminats polars en diferents mostres aquoses mediambientals seguit de l’anàlisi per LC. La segona part está centrada en la preparació de noves barres agitadores amb recobriments monolítics polars i la seva posterior aplicació per l’extracció d’analits polars en diferents aigües de procedéncia mediambiental. / The development of different materials for sorptive extraction techniques is a continuously evolving field of research. Although there have been significant developments in this area, the extraction of polar analytes is still considered the bottleneck of the extraction process. The efforts have been undertaken to improve capacity and selectivity. For this reason, one of the main objectives of this Thesis is to develop new materials to extract polar organic contaminants from water samples. The first part reports on the development of new polymeric materials for solid-phase extraction including hypercrosslinked polymers with hydrophilic character, mixed-mode ion-exchange hypercrosslinked sorbents and supported ionic liquid polymeric phases and their evaluation as SPE sorbents for the extraction of polar contaminants, followed by LC analysis. The second part is focused on the preparation of new stir bars with polar monolithic coatings and their application to stir bar sorptive extract polar analytes from environmental water samples.