Aquesta tesi es basa en un tipus de dispositius fotovoltaics, les cel•les solars sensitivitzades amb colorant. Des de fa un parell de dècades, l’estudi d’aquests dispositius ha anat en augment i actualment ja s’han publicat resultats amb més d’un 13% d’eficiència. S’estudien els diferents components d’aquest dispositiuis, la seva funció i totes les reaccions i fenòmens físics que hi tenen lloc. S’explica com es prepara aquest tipus de dispositius i com es caracteritzen. Finalment, hi ha un recull de 6 articles publicats i entre ells es diferencien pel tipus de colorant utilitzat: porfirines, ftalocianines, colorants orgànics que tenen una estructura anomenada dadora-acceptora amb un pont tipus π entremig i complexes de ruteni. / This thesis is based on a type of photovoltaic devices; the dye sensitized solar cells (DSCs). In the last two decades, the study of these devices has been increased and currently results with over 13% efficiency have been published. The first chapter discusses the various components of this kind of device, its function and its components. It is also explained how these cells work and all the reactions and physical phenomena that take place. The second chapter explains how to prepare these devices and how are characterized. And the third, fourth, fifth and sixth chapters are based on diverse articles published and the difference between them is the kind of dye. In chapter 3, the dyes used are porphyrins, chapter 4 is based on phthalocyanines, chapter 5 is centred on organic dyes that have a structure called donor-acceptor with a π-bridge type in between and chapter 6 studies two ruthenium complexes.

In this thesis, we report experimental evidence of a "gray" condensate of excitons, as predicted theoretically by M. Combescot et al. Most importantly, the condensate is characterized by the macroscopic population of dark excitons coherently coupled to a weak population of bright excitons through fermion exchanges. Such quantum condensation results from the excitons internal structure, with a dark i.e. optically inactive ground state. It is actually very similar to what occurs in the phases of superfluid 3He or in the more recent spinor condensates of ultracold atomic Bose gases. While it is our belief that such a "gray" condensate will eventually be observed in other excitonic systems, our study focus on its appearance together with the macroscopic auto-organization of dipolar excitons. Precisely we emphasize fragmented exciton rings in an electrically biased GaAs single quantum well. This very striking pattern was first observed independently by the groups of L. Butov and D. Snoke. It was interpreted as the result of an ambipolar diffusion of carriers in the quantum wells. The fragmentation of the macrosopic ring observed at low temperature by Butov and coworkers, and the subsequent evidence for long-range spatial coherence together with complex pattern of polarization, led Butov et al. to interpret the fragmentation as an evidence for the transition to a quantum regime where coherent exciton transport dominates. Our experiments led us to a very different interpretation. Indeed, we show that for our sample the formation of the fragmented ring is dominated by the diffusion of dipolar excitons in an optically induced electrostatic landscape. This potential landscape arises from the modulation of the internal electric field by excess charges injected in the QW by the same excitation beam which induces the ring. Dipolar excitons then explore a potential landscape characterized by a wide anti-trap inside the ring and more strikingly by microscopic traps distributed along the circumference of the ring. There, i.e. in the outside vicinity of the ring, a confining potential is responsible for the formation of "islands" where the population of dark excitons is dominant. Due to the low energy splitting between the bright and dark excitonic states in our sample, the observation of a dominant population of dark excitons signals that excitons condense in the low-lying dark states. To confirm this interpretation we show that the weak photoluminescence emitted in the outer vicinity exhibits macroscopic spatial coherence, up to 10 times larger than the de Broglie wavelength. Islands of extended coherence are in fact identified and quickly disappear upon increase of the bath temperature. This leads to an evolution of the coherence length strongly dependent on the temperature. Finally, we show that the photoluminescence emitted in the vicinity of the fragmented ring is dominantly linearly polarized and also organized in islands outside the ring. All these observations confirm the predicted signatures of a "gray" condensate, as formulated by M. and R. Combescot. / En aquesta tesis, mostrem evidència experimental d'un condensat "gris" d'excitons, tal com prediu la teoria de M. Combescot et al. En particular, el condensat està caracteritzat per la població macroscòpica d'excitons foscos acoblats coherentment a una població baixa d'excitons brillants a través d'intercanvis fermiònics. Aquesta condensació quàntica es dóna com a resultat de l'estructura interna dels excitons, amb un estat fonamental fosc i.e. òpticament inactiu. És de fet molt similar al que passa en les fases de 3He superfluid o en els més recents condensats d'espinors de gasos atòmics ultrafreds de Bose. Encara que nosaltres creiem que un condensat "gris" serà eventualment observat en altres sistemes excitònics, el nostre estudi es focalitza en la seva manifestació juntament amb l'auto-organització macroscòpica d'excitons dipolars. Precisament, ens centrem en els anells excitònics fragmentats en un sol pou quàntic elèctricament polaritzat. Aquest sorprenent patró va ser observat independentment per primer cop pels grups de L. Butanov i D. Snoke. Va ser interpretat com el resultat d'una difusió ambipolar de portadors en pous quàntics. La fragmentació de l'anell macroscòpic observada a baixes temperatures per Butov i els seus col.laboradors, i la posterior evidència de coherència espacial de llarg abast juntament amb un patró de polarització complex, va portar a Butov et al. a interpretar la fragmentació com una evidència de la transició cap al règim quàntic en el que domina el transport coherent d'excitons. El nostre experiment ens va portar cap una interpretació molt diferent. En efecte, mostrem que per la nostra mostra la formació d'anells fragmentats és dominada per la difusió d'excitacions dipolars en un perfil electrostàtic òpticament induït. Aquest perfil de potencial sorgeix de la modulació del camp elèctric intern per un excés de càrregues injectades en el PQ pel mateix feix d'excitació que indueix l'anell. Les excitacions dipolars exploren per tant un perfil de potencial caracteritzat per una anti-trampa ampla dins de l'anell i més sorprenentment per trampes microscòpiques distribuïdes al llarg de la circumferència de l'anell. Allà, i.e. en la proximitat exterior de l'anell, un potencial de confinament és el responsable de la formació d'"illes" on la població d'excitons foscos és dominant. Degut a la baixa separació energètica entre els estats excitònics brillant i fosc en la nostra mostra, l'observació d'una població dominant d'excitons foscos senyala que els excitons es condensen en els estats foscos de més baixa energia. Per tal de confirmar aquesta interpretació, mostrem que la dèbil fotoluminescència emesa en la proximitat exterior exhibeix coherència espacial macroscòpica, fins a 10 vegades major que la longitud d'ona de de Broglie. Illes de coherència ampliada són de fet identificades i desapareixen ràpidament en incrementar la temperatura del focus. Això porta cap a una evolució de la longitud de coherència que depèn fortament de la temperatura. Finalment, mostrem que la fotoluminescència emesa en la proximitat de l'anell fragmentat està dominantment polaritzada linealment i organitzada també en illes fora de l'anell. Totes les observacions confirmen les senyals característiques previstes per un condensat "gris", tal com està formulat en la teoria desenvolupada per M. i R. Combescot

Disordered media with refractive index variations can be found in the atmosphere, the ocean, and in many materials or biological tissues. Several technologies that make use of such random media, as image formation, satellite communication, astronomy or microscopy, must deal with an unavoidable light scattering or diffusion. This is why for many years light propagation through random media has been a subject of intensive study. Interesting phenomena such as speckle, coherent backscattering or random lasing have been discovered and studied. More recently, researchers are beginning to investigate mechanisms to control light propagation through such media to enhance light transmission and sharpen the focus. On the other hand, it has been known for several years that nonlinear random structures are able to generate light in an ultra-broad frequency range, without the need of angle or temperature tuning. Particularly interesting is the nonlinear light diffusion observed from materials with no change in the refractive index and which appear to be fully diffusion less to linear light propagation. However, a comprehensive understanding of the scattering when a nonlinear interaction takes place has not yet been given. The core of the thesis focuses on the study of the nonlinear light generation and propagation from crystalline structures with disordered nonlinear domains but with a homogenous refractive index. A random distribution of non-linear domains is found naturally in the Strontium Barium Niobate (SBN) ferroelectric crystal. As opposed to other mono-domain nonlinear optical crystals commonly used for frequency up-conversion, such as Potassium Titanyl Phosphate (KTP) or Lithium Niobate (LiNbO3), in SBN the nonlinear domain size is, typically, on the order of the coherence length or many times smaller than the size of the whole crystal. Such domains are usually several times longer in the c-axis direction relative to the plane perpendicular to that axis. Adjacent domains exhibit antiparallel polarization along such crystalline axis, with no change in refractive index. In Chapter 1 we give a brief introduction to light generation and propagation in random media, describing the speckle, light manipulation and second harmonic generation (SHG). In chapter 2, we study the nonlinear light generation and manipulation from a transparent SBN crystal. In its theoretical description we use a two-dimensional random structure consisting of a homogeneous background polarized in one direction with uniform rectangular boundaries, and a group of square reverse polarization domains with random sizes and located in random positions. The SHG from each domain is obtained using the Green's function formalism. In the experiments, we alter the ferroelectric domain structure of the SBN crystal by electric field poling or thermal treatments at different temperatures. The SBN crystal structures after such different treatments are shown to be characterized by their SHG patterns. In chapter 3, by measuring the spatial distribution of the second harmonic light in the c-plane, we demonstrate that the randomness in the nonlinear susceptibility results in a speckle pattern. We explain the observations as a result of the linear interference among the second harmonic waves generated in all directions by each of the nonlinear domains. In chapter 4, we report on our experimental implementation of the wave-front phase modulation method to control and focus the SHG speckle from the random SBN crystal. This research creates a bridge between light phase modulation and nonlinear optics. Finally we perform a theoretical analysis to demonstrate enhanced efficiencies for nonlinear light focusing by the wave-front phase modulation method in different directions. Various types of nonlinear structures are considered, including the homogeneous rectangular crystal, the group of random domains, and the combination of both.

La terapia de hadrones es actualmente una realidad médica en oncología de radiación y una técnica probada en la lucha contra el cáncer. Hoy en día, el uso de la terapia de hadrones está ampliamente extendido en el tratamiento de pacientes con tumores profundos, no operables o resistentes a la radioterapia, debido a la ventaja de administrar una alta dosis de radiación con respecto al volumen del tumor. De esta forma se obtiene un mejor del control y protección del tejido circundante comparado con la radioterapia tradicional basada en haz de fotones. A pesar de que solo 35 centros médicos están actualmente tratando a pacientes de cáncer, la terapia de hadrones sigue considerada como una técnica medica emergente. Uno de sus retos permanentes consiste en la verificación de la dosis administrada al paciente ya que las propiedades físicas de los hadrones hacen que la terapia sea efectiva solo si se administra con precisión estrictamente al volumen del tumor. El control de calidad se consigue mediante la utilización de novedosas técnicas de diagnóstico por medio de detectores de radicación similares a los desarrollados para experimentos de física de partículas que ya se vienen utilizando en la producción de imágenes médicas. Las radiografías de protones se usan no solo para verificar el estado del paciente previo a los tratamientos de radioterapia, utilizando haces de protones de alta energía y baja intensidad, así como para obtener información necesaria para calcular de forma precisa el nivel de radiación de hadrones en los tejidos del paciente. Los cálculos de nivel de radiación se hacen hoy en día por medio de datos CT de rayos X, que se caracterizan por tener poco precisión. Durante la irradiación con haz terapéutico, la activación de los tejidos del paciente causados por interacciones nucleares con el haz de hadrones se puede visualizar por medio de detectores PET, haciendo posible representar en el momento la dosis administrada solo unos minutos después. En este contexto, esta Tesis presenta un estudio amplio sobre detectores de radiación novedosos que han sido desarrollados para asegurar la calidad en terapia de hadrones clínica. Tres diferentes soluciones se describen a continuación, un aparato de radiografía de protones y dos detectores cuya tecnología se utiliza para saber en el momento la dosis administrada durante el plan de tratamiento. En el caso de la radiografía en el rango de protones (PRR), se ha desarrollado un nuevo instrumento llamado PRR10, que tiene un área activa de 10 x 10 cm2 cubriendo un rango residual de 10 cm de longitud de tramo en equivalente de agua (WEPL). El PRR10 ha sido testeado ampliamente con haz de protones en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villagen, Suiza y en el Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) en Pavia, Italia. Se han tomado medidas con una resolución de rango residual de 1.6 mm WEPL así como una resolución espacial inferior a 1 mm. El PRR10 esta instalado actualmente en el CNAO a la espera de nuevos test mientras un nuevo instrumento, el PRR30 que tiene un área activa de 30 x 30 cm2 está llegando a su última etapa de desarrollo. El PRR30 permitirá imágenes PRR a tamaño completo y está previsto que se empiece a testar con haz de protones en el PSI y el CNAO hacia finales de 2013. Para realizar dosimetría en vivo, se ha procedido al estudio de dos tecnologías PET diferentes. La primera está basada en escintiladores orgánicos (cristales) acoplados a un foto-detector, con muchas similitudes con respecto a aparatos PET convencionales de medicina nuclear. El diseño del detector PET de cristales sigue las tendencias actuales en investigación PET para obtener la medida de la profundidad de interacción (depth-of-interaction, DOI) así como el tiempo de vuelo (time-of-flight TOF) entre protones concurrentes. Ambas técnicas suponen una mayor sensibilidad efectiva y una mejora en la eliminación de ruido y por tanto en la calidad de las imágenes PET. Dos prototipos han sido construidos y testados, usando cristales LYSO de 12 x 60 x 30 cm3 y foto detectores de multi-ánodo y placa multi-canal (MPC). De esta forma se ha demostrado la excelente localización de la interacción de fotones, 1.2 mm en dirección transversal y 15 mm en DOI, con una resolución de energía de 13% FWHM. La resolución de concurrencia de TOF medida es de 810 ps. La segunda tecnología PET estudiada hace uso de las cámaras de placa resistiva multi-hueco (multi-gap Resistive Plate Chambers, MRPCs) que se utilizan raramente en PET debido a su baja eficacia de detección a gammas de 511 KeV. Los módulos compactos MRPC han sido construidos y testados, y tienen una área activa de 7 x 10 cm2 y 12 x 390 cm2. El diseño y el procedimiento de ensamblaje es apto para producción a gran escala, un requerimiento necesario para contrarrestar su baja eficacia. Módulos MRCP de 4 huecos de 7 x 10 cm2 han sido sometidos a test y muestran un eficacia de 0.66 a 0.01 % a gammas de 511 KeV. Además, se han obtenido tiempos entre lecturas de fin de franja en ambos lados del módulo de 38 ps., suficiente para permitir una localización de interacción de 3.5 mm. La resolución del detector simple TOF entre dos RPCs de hueco único y dos MRPCs de 4 huecos es de 310 ps y 370 ps respectivamente, con una poco esperada resolución de coincidencia de 150 ps. Para complementar los resultados experimentales obtenidos, se han efectuado simulaciones Monte-Carlo usando la herramienta GATE en escáneres PET como el LYSO-MCP y MRCP. También han sido incluidos en el estudio dos detectores comerciales como el Gemini de Philips y el HiRez de Siemens. El escáner de anillo completo LYSO-MCP ha demostrado tener un 57 % más de sensibilidad que el Gemini a 70 cm en línea de la fuente, como consecuencia del aumento de profundidad (30 mm) de los cristales LYSO utilizados en su diseño. Un escáner MRPC-PET, después de la optimización de sus parámetros de sensibilidad muestra un factor 2.5 en sensibilidad con respecto al Gemini. Aunque los recursos en términos de desarrollo para construir un escáner MRPC-PET son considerables, la ganancia en sensibilidad con respecto a los escáneres comerciales de hoy en día, unido a las excelentes resoluciones TOF, hacen de esta tecnología una interesante alternativa a los cristales, tanto para control de calidad de terapia de hadrones como para imágenes PET de cuerpo entero. / Hadrontherapy is currently a clinical reality in radiation oncology and a proven technique in the fight against cancer. In the world today, hadrontherapy is being more and more widely employed for treating patients with non-operable deep-seated or radio-resistant tumours because of its advantage in delivering a highly conformal dose to the tumour volume. This offers an increased likelihood of tumor control and a better sparing of healthy surrounding tissue as compared with traditional radiotherapy which use photon beams. Despite the fact that 35 centers are currently treating patients, hadrontherapy is still considered to be an emerging clinical technique. One of the persisting challenges to hadrontherapy is the verification of the dose delivered to the patient since the physical properties of hadrons are only beneficial for therapy if they can be delivered precisely to the tumour volume. Quality assurance can be achieved using novel diagnostic techniques which make use of radiation detectors similar to those developed for high-energy physics experiments and already used in medical imaging. Proton radiography can be used to verify the patient setup prior to irradiation, using a diagnostic proton beam of higher energy and lower intensity, but can also provide directly the information needed for accurately computing the range of hadrons in the patient tissues. Range calculations currently rely on X-ray CT data, and are characterized by a small but non-negligible uncertainty. During irradiation with the therapeutic beam, the activation of the patient tissues caused by nuclear interactions with the hadron beam can be visualized by PET detectors, making it possible to perform in-vivo dosimetry during irradiation and in the minutes immediately following. In this context, this thesis presents an expansive study of novel radiation detectors which have been developed for quality assurance in clinical hadrontherapy. Three distinct detector solutions are described, a proton radiography instrument and two detectors technologies which could be used for performing in-vivo dosimetry of the delivered treatment plan. In the case of proton range radiography (PRR), a novel instrument called the PRR10 has been built having 10x10 cm2 active area and covering a residual range of 10 cm water-equivalent path length (WEPL). The PRR10 has been extensively tested with proton beams at the Paul Scherrer Institute (PSI) in Villagen, Switzerland and at the Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) in Pavia, Italy. A residual range resolution of 1.6 mm WEPL has been measured as well as a spatial resolution better than 1 mm. The PRR10 currently sits at the CNAO center awaiting further testing while a new instrument, the PRR30, which has an active area of 30x30 cm2, is reaching a final stage of completion. The PRR30 will allow full-size PRR images to be made and is scheduled for testing with proton beams at PSI and the CNAO by the end of 2013. To perform in-vivo dosimetry, two different PET technologies have been studied. The first is based on inorganic scintillators (crystals) coupled to a photodetector, having many similarities to conventional PET hardware for nuclear medicine. The design for a unit PET detector based on crystal follows the trends in current PET research allowing for the depth-of-interaction (DOI) to be measured as well as the time-of-flight (TOF) between the coincidence photons. Both techniques result in a higher effective sensitivity and a better rejection of noise, and therefore higher quality PET images. Two prototypes have been assembled and tested, built using 12x60x30 cm3 LYSO crystals and a multi-anode Multi-Channel Plate (MCP) photodetector. An excellent localization of the photon interaction, 1.2 mm in the transverse direction and 15 mm in DOI, have been demonstrated with an energy resolution of 13% FWHM. The coincidence TOF resolution has been measured as 810 ps. The second PET technology we have studied makes use of multi-gap Resistive Plate Chambers (MRPCs), which are highly unusual in PET because of their low detection efficiency to 511 keV gammas. Compact MRPC modules have been built and tested, having 7x10 cm2 and 12x30 cm2 active area. The design and assembly procedure has been shown to be suitable for mass-production, a requirement for overcoming the intrinsic low efficiency. A 4-gap 7x10 cm2 MRPC module has been tested and shown to have an efficiency of (0.66 0.01)% to 511 keV gammas. In addition, the timing between ends of the strip readout at either side of the module has been measured as 3.8 ps, enough to allow an interaction localization of 3.5 mm. The single-detector TOF resolution between two single-gap RPCs and two 4-gap MRPCs has been measured as 310 ps and 370 ps, respectively with a coincidence resolution of 150 ps expected shortly. To compliment the experimental results, Monte-Carlo simulations of both LYSO-MCP and MRPC-based PET scanners have been carried out using the GATE toolkit. Two commercial detectors, the Philips Gemini and Siemens HiRez, have also been included in the study as a benchmark for the results. The full-ring LYSO-MCP scanner has been shown to have a 57% higher sensitivity than the Gemini to a 70 cm long line source, a consequence of the increased depth (30 mm) of the LYSO crystals used in our design. An MRPC-PET scanner, after performing a sensitivity optimization of various parameters, has been shown to be a factor of 2.5 higher than the Gemini. Although considerable development will be required to build such a MRPC-PET scanner, the gains in sensitivity over existing commercial scanners, coupled with their excellent TOF resolutions, make this technology an exciting alternative to crystals, whether for hadrontherapy quality assurance, or whole-body PET imaging.

El tema de esta investigación surgió al observar la "irrupción" que, durante el siglo XX, presentó el hormigón armado en la restauración de edificios históricos. A partir de los años cincuenta se generalizó el uso de esta técnica para solucionar cualquier tipo de deterioro en las construcciones históricas, hecho que modificó radicalmente su concepción estructural y como consecuencia produjo una manera distinta de intervenirlos. A finales del siglo XX se comenzó a observar que las restauraciones con hormigón armado, que se pensaban como muy eficaces, en algunos casos, no estaban superando la "prueba del tiempo" manifestándose incompatibilidades con los elementos, tanto por las características internas de los mismos materiales como a errores por la puesta en obra, debido a problemas en la técnica de ejecución, en la calidad o en la cantidad del material. Esta tesis expone un recorrido histórico sobre la evolución que han tenido los criterios de intervención con hormigón armado como técnica de restauración; se desarrolla desde dos puntos de vista, la primera parte se basa en la formación de los planteamientos teóricos y la segunda parte en la confrontación con la práctica del hormigón armado, a través del análisis de un muestreo de edificios restaurados con este material en México y en España. Uno de los objetivos de este estudio es la obtención de mayor conocimiento sobre las condiciones reales de los monumentos restaurados con hormigón armado, cotejando la información básica sobre el estado inicial antes de introducir este material, las razones que motivaron su uso y difusión, analizando los criterios de intervención y evaluando, aproximadamente después de veinte a cuarenta años, cuáles han sido las consecuencias de estas actuaciones. La obtención de tales rectificaciones deberá servir como experiencia para revalorar las técnicas tradicionales, adquirir nuevos conocimientos sobre las restauraciones con hormigón armado y sentar las bases para nuevas líneas de investigación hacia una correcta utilización de ambos materiales. De la investigación realizada obtuvimos diversas conclusiones sobre tres aspectos, el primero, las razones por las cuales se utilizó el hormigón armado a partir de los años cincuenta en la restauración habitual fueron la confianza acrítica, la ausencia, casi total, de una teoría específica y la influencia de los métodos de cálculo por ordenador. Además en las situaciones de emergencia para contrarrestar los daños después de guerras y de sismos. El segundo punto se refiere a las razones por las que se comienza a rechazar este material en recientes fechas, debido a la constatación por la falta de durabilidad, como consecuencia de la incompatibilidad física, química y mecánica que presenta el hormigón armado con los materiales tradicionales, así como su difícil reversibilidad y autenticidad. Específicamente se comprobó que las incompatibilidades mecánicas en el caso de zonas no sísmicas como España, se presentan en un período a largo plazo. En cambio, en zonas sísmicas como México, la introducción de estos nuevos refuerzos ha modificado sustancialmente el comportamiento estructural original debido a que presentan formas de trabajar distintas y al rigidizarlas en exceso, estas estructuras de fábrica se vuelven más vulnerables porque no son capaces de absorber los movimientos sísmicos. Por último, las razones por las que a pesar de la constatación del balance negativo en la actualidad se sigue utilizando el hormigón armado, se debe a que no hay una conciencia precisa sobre los efectos negativos y/o se ignoran los inconvenientes, no hay alternativas fáciles, claras, rápidas, ni únicas, hay un desconocimiento sobre las técnicas constructivas antiguas y, sobre todo, por que no se asimilan, ni se difunden, ni se transmiten los nuevos conocimientos.

Serious games are video games designed to provide specific expertise, knowledge and skills to the player, going beyond pure entertainment. In this thesis we present a classification of serious games for health and medicine that have been proposed in the last decade. We propose LISSA a serious game designed to teach the cardiopulmonar resuscitation protocol (RCP). In the context of LISSA, we study the visual realism of 3D serious games and their elements, evaluating photorealistic and non-photorealistic effects and camera position in first and third person. In addition, we study the physical realism to improve the interaction between game and player. We propose a new technique based on Kinect able to reproduce the key factors of the CPR protocol. Finally, we evaluate LISSA in a real scenario / Els anomenats jocs seriosos (de l’anglès serious games), són videojocs dissenyats per donar una experiència específica, coneixements i habilitats al jugador, és a dir van més enllà de l’entreteniment pur. En aquesta tesi presentarem una classificació dels jocs seriosos de l’àmbit mèdic i de la salut que s’han proposat en aquesta darrera dècada. Proposarem LISSA, un joc seriós dissenyat per ensenyar el protocol de reanimació cardiopulmonar (RCP). En el context del LISSA, estudiarem el realisme visual dels jocs seriosos 3D i els seus elements, avaluarem els efectes fotorealistes i no-fotorealistes i la posició de la càmera en primera i tercera persona. A més, estudiarem el realisme físic per tal de millorar la interacció entre el joc i el jugador. Proposarem una nova tècnica basada en Kinect capaç de reproduir factors clau del protocol RCP. Finalment, avaluarem LISSA en un escenari real

Optical quantum memories are important devices in quantum information science. In particular, they are building blocks of quantum repeater architectures that have been proposed to increase the range of quantum communication beyond the limits set by losses in optical fibers. In this thesis, we report experiments with a quantum memory based on cold atoms. We focus on two important aspects relevant for using the memories as quantum repeater nodes: the connectivity to the optical fiber network, and the ability to operate in a time-multiplexed fashion. The core of the work presented in this thesis was the implementation of a quantum memory based on spontaneous Raman scattering, following the protocol of Duan, Lukin, Cirac and Zoller (DLCZ). The memory is implemented with a cold ensemble of 87Rb atoms loaded in a magneto optical trap. Single collective atomic spin excitations (spin-waves) are created in a heralded manner, before being retrieved by conversion into strongly non-classically correlated single photons. Our system showed measured second-order cross-correlation function values up to 200, an inferred intrinsic retrieval efficiency inside the science chamber up to 44%, and a memory lifetime up to 55 µs. Current realizations of DLCZ quantum memories present several limitations, reducing the maximum practical distance achievable for quantum repeaters based on these systems. We partially addressed two of them. The first one originates from high absorption in optical fibers at the operating wavelength of 780 nm. The second one is that current demonstrations only allow the creation of spin-waves in single temporal modes, limiting the entanglement generation rates in quantum repeaters protocols. A good solution to alleviate the first limitation is to translate the wavelength of the single photons to the telecom C-band, where absorption is minimal, while preserving their quantum characteristics. For this, we demonstrated an ultra-low-noise solid state photonic quantum interface based on an integrated-waveguide in a non-linear PPLN crystal. We converted heralded single photons emitted by the DLCZ quantum memory at 780 nm to the telecommunication wavelength of 1552 nm. We achieved a maximum signal-to-noise ratio of 80 for a mean input photon number of 1, allowing us to show significant non-classical correlations between the heralding and converted photons via the violation of the Cauchy-Schwarz inequality. To address the second limitation, we demonstrated the first experimental steps towards the realization of a temporally multiplexed DLCZ-type quantum repeater node. We showed active control of the spin-waves created in our quantum memory by means of an external magnetic field gradient inducing an inhomogeneous broadening of the atomic hyperfine levels. Acting on this gradient allows active dephasing and rephasing of individual spin-waves, enabling spin-wave creation in multiple temporal modes and read out a specific time-bin only. We showed that the active rephasing technique preserves the non-classical statistics of the heralded photons via the observation of anti-bunching. We then created spin-waves in two temporal modes and demonstrated selective read-out of only one of them with a selectivity up to 92%. All these results pave the way towards the realization of future temporally multiplexed quantum repeater nodes based on the DLCZ protocol. / Les memòries quàntiques òptiques son dispositius importants en el camp científic de la informació quàntica. En particular, són peces fonamentals de les estructures de repetidors quàntics, les quals han estat proposades per tal d’incrementar la distància en la comunicació quàntica més enllà dels límits imposats per les pèrdues en fibres òptiques. En aquesta tesi mostrem experiments duts a terme amb una memòria quàntica basada en àtoms freds. Ens hem centrat en dos aspectes importants que són rellevants a l’hora d’usar les memòries com a nodes de repetidors quàntics: la connectivitat cap a la xarxa de fibres òptiques i l’habilitat d’operar amb multiplexació temporal. La part central del treball presentat en aquesta tesi és la implementació d’una memòria quàntica basada en la dispersió Raman espontània, seguint el protocol de Duan, Lukin, Cirac i Zoller (DLCZ). La memòria és implementada en un conjunt d’àtoms de 87Rb en una trampa òptico-magnètica. Excitacions individuals col·lectives d’espins atòmics (ones d’espín) són creades de manera anunciada, abans de ser recuperades en una conversió cap a fotons individuals amb fortes correlacions no-clàssiques. En el nostre sistema vam mostrar mesures de la funció de correlació creuada de segon ordre amb valors de fins a 200, una eficiència de recuperació intrínseca dins la cambra experimental de fins a un 44% i un temps de vida de la memòria de 55 µs. Les realitzacions actuals de memòries quàntiques DLCZ presenten varies limitacions, les quals redueixen la distància màxima que els repetidors quàntics basats en aquests sistemes poden assolir. Nosaltres n’hem adreçat parcialment dues d’elles. La primera és originada per l’alta absorció en fibres òptiques de la longitud d’ona de 780 nm. La segona té a veure amb el fet que altres experiments actuals només permeten la creació d’ones d’espín en un únic mode temporal, limitant el ritme de la generació d’entrellaçament en protocols de repetidors quàntics. Una bona solució per mitigar la primera limitació és traslladar la longitud d’ona dels fotons individuals, cap a la banda C de telecomunicacions en la que l’absorció és mínima, preservant les seves característiques quàntiques. Per això, vam demostrar l’operació d’una interfície fotònica quàntica d’estat sòlid amb un soroll ultra-baix basada en una guia d’ones integrada en un cristall PPLN. Vam convertir fotons individuals anunciats emesos per la memòria quàntica DLCZ a 780 nm cap a la longitud d¿ona de telecomunicacions de 1552 nm. Vam aconseguir una relació senyal-soroll màxima de 80 per a un nombre mitjà incident de fotons de 1, permetent-nos mostrar correlacions no-clàssiques significatives entre el fotó anunciat i el convertit, mitjançant la violació de la desigualtat de Cauchy-Schwarz. Per tal d’adreçar la segona limitació, vam demostrar els primers passos experimentals cap a la realització d’un node de repetidor quàntic de tipus DLCZ amb multiplexació temporal. Vam mostrar el control actiu d’ones d’espín creades a la nostra memòria quàntica, utilitzant un gradient de camp magnètic extern que indueix un eixamplament inhomogeni dels nivells atòmics hiperfins. Actuar en aquest gradient permet el desfasament i refasament actiu d’ones d’espín individuals, permetent crear ones d’espín en múltiples modes temporals i llegir només un mode temporal específic. Vam mostrar que la tècnica de refasament actiu preserva les estadístiques no-clàssiques dels fotons anunciats a través de l’observació d’anti-agrupament. Seguidament vam crear ones d'espín en dos modes temporals i vam demostrar la lectura selectiva de només un mode amb una selectivitat de fins a un 92%. Tots aquest resultats obren la porta a la realització de futurs nodes de repetidors quàntics amb multiplexació temporal basats en el protocol DLCZ.

L’ocratoxina A (OTA) és una micotoxina produïda per vàries espècies de fongs del gènere Aspergillus i Penicillium. L’OTA és una de les micotoxines més ubiques, ja que a nivell mundial s’ha trobat en una gran varietat d’aliments tant d’origen vegetal com d’animal. Els productes per a consum humà elaborats a base de cereals són el grup d’aliments que presenta una major contaminació d’OTA. El vi és un altre aliment que freqüentment es troba contaminat amb OTA i que pot tenir una important contribució en quan a l’exposició humana d’aquesta micotoxina. Estudis realitzats en rosegadors han demostrat que l’OTA és capaç de promoure el desenvolupament de tumors renals i hepàtics. L’Agència Internacional per a la Investigació del Càncer (IARC) ha classificat l’OTA dins el grup 2B (possible compost carcinogen per als humans), ja que les dades que demostren la carcinogenicitat de l’OTA en humans encara són insuficients. Aquesta tesi doctoral consta de dos objectius generals: i) avaluar la bioaccessibilitat de l’OTA en vi negre i, ii) avaluar la citotoxicitat, genotoxicitat i la modulació de l’expressió genètica per a l’OTA. En el cas de la bioaccessibilitat de l’OTA, es va dur a terme un estudi en vi negre amb tres nivells de contaminació d’OTA (1,0-4,0 μg/L) en un sistema in vitro de digestió dinàmica simulada. Els resultats d’aquest estudi van demostrar que l’OTA és altament bioaccessible en suc gàstric (103-128%) però és poc bioaccessible en el suc intestinal (<26%). Addicionalment, en aquest mateix sistema es va avaluar la transformació de l’OTA a OTα i es va observar que la quantitat de OTα generada durant la digestió gàstrica va variar entre el 5,1-19,1%, mentre que en el compartiment intestinal no va excedir el 5%. L’avaluació de la citotoxicitat de l’OTA es va dur a terme mitjançant diversos assajos in vitro i tres tipus de cultius cel·lulars (els limfòcits humans i les línies cel·lulars Caco-2 i HepG2). Els assajos de viabilitat van demostrar que baixes dosis d’OTA (0,075-45 μM) no causen viabilitats per sota del 65%. Aplicant aquestes mateixes dosis, després de 24 hores d’exposició, es va detectar un dany significatiu en la integritat de la membrana cel·lular de les cèl·lules Caco-2 diferenciades i un efecte citostàtic en els limfòcits humans tractats amb 15 μM d’OTA. x En el cas de les cèl·lules Caco-2, es va estudiar l’efecte de l’exposició a baixes dosis d’OTA, sola o de forma conjunta amb la micotoxina deoxinivalenol (DON), i es va avaluar el presumpte efecte protector de l’antioxidant resveratrol (RES), el qual es troba naturalment present en el vi negre. La co-exposició a ambdues micotoxines va augmentar significativament la citotoxicitat de tots dos compostos en les cèl·lules Caco-2, sense produir un augment de les espècies reactives de l’oxigen (ERO). La co-exposició de l’OTA o el DON amb el ROS no va disminuir la citotoxicitat, al contrari, es va observar un augment de la citotoxicitat no associat a un augment en la producció de les ERO. Es van utilitzar dosis baixes d’OTA, inferiors a 45 μM, per avaluar l’expressió dels gens del sistema biotransformador de xenobiòtics (gens del grup CYP P450), així com la dels gens COX-2, LOX-5 i MRP2. Amb aquest objectiu es va utilitzar un sistema de co-cultiu de cèl·lules Caco-2 i HepG2 (plaques de cultiu transwell) per a simular l’absorció intestinal i el metabolisme hepàtic. Els resultats indiquen que l’OTA té gran capacitat per modular l’expressió dels gens estudiats al llarg del temps. En general es va observar que el temps d’exposició a l’OTA tenia un major efecte sobra la modulació dels gens i la integritat de la membrana (mesurada mitjançant la resistència elèctrica transepitelial) que no pas les diferents dosis de toxina utilitzades en els tractaments. En relació a l’avaluació de la genotoxicitat de l’OTA, s’ha demostrat que l’OTA és una micotoxina genotòxica capaç d’induir la formació de micronuclis en els limfòcits humans, així com, en un assaig cometa, incrementar el percentatge d’ADN en el cometa i provocar la seva acumulació en les cues dels cometes mitjançant un retràs en el sistema de reparació de l’ADN. Els resultats obtinguts indiquen que s’han d’invertir més esforços per tal d’entendre el mode d’acció de l’OTA, especialment tenint en compte la seva possible relació amb el desenvolupament del càncer en humans. Les troballes en referència a la citotoxicitat i la genotoxicitat de l’OTA a baixes dosis recolzen la teoria que l’OTA hauria de ser considerada carcinogènica sense llindar. / La ocratoxina A (OTA) es una micotoxina producida por varias especies de mohos de los géneros Aspergillus y Penicillium. Es bien conocido que la OTA es una de las micotoxinas más ubicuas, ya que se ha encontrado a nivel mundial en una gran variedad de alimentos tanto de origen vegetal como animal. Los productos para consumo humano elaborados a base de cereales son el grupo de alimentos que presenta una mayor contaminación por OTA. El vino es un alimento que se encuentra contaminado con frecuencia con OTA y que puede tener una importante contribución a la exposición humana a esta micotoxina. Estudios en roedores han demostrado que la OTA es capaz de promover el desarrollo de tumores renales y hepáticos. La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) ha clasificado a la OTA en el grupo 2B (posible compuesto carcinógeno para el hombre), porque los datos que demuestran la carcinogenicidad de la OTA en humanos aún son insuficientes. Esta tesis doctoral tuvo dos objetivos generales: i) evaluar la bioaccesibilidad de la OTA en vino tinto, y ii) evaluar la citotoxicidad, genotoxicidad y la modulación de la expresión génica por la OTA. En el caso de la bioaccesibilidad de la OTA, se llevó a cabo un estudio en vino tinto con tres niveles de contaminación de OTA (1,0-4,0 μg/L) en un sistema in vitro de digestión dinámica simulada. Los resultados de este estudio mostraron que la OTA es altamente bioaccesible en jugo gástrico (103-128%), pero es poco bioaccesible en el jugo intestinal (<26%). Adicionalmente, en este sistema se evaluó también la transformación de la OTA a OTα, encontrando que la cantidad de OTα generada en la digestión gástrica varió entre el 5,1-19,1%, mientras que en el compartimento intestinal no excedió del 5%. La evaluación de la citotoxicidad de la OTA fue llevada a cabo usando varios ensayos in vitro, y tres tipos de cultivos celulares (linfocitos humanos, y las líneas celulares Caco-2 y HepG2). Los ensayos de viabilidad mostraron que bajas dosis de OTA (0,075-45 μM) no causan viabilidades por debajo del 65%. Aplicando estas mismas dosis, tras 24 h de exposición se detectó un daño significativo en la integridad de la membrana celular de las células Caco-2 diferenciadas y un efecto citostático en linfocitos humanos tratados con 15 μM de OTA. viii En el caso de las células Caco-2, se estudió el efecto de la exposición a bajas dosis de OTA, sola o de forma conjunta con la micotoxina deoxinivalenol (DON), y se evaluó el presunto efecto protector del antioxidante resveratrol (RES), compuesto naturalmente presente en el vino tinto. La co-exposición a ambas micotoxinas aumentó significativamente la citotoxicidad de ambos compuestos en las células Caco-2, sin aumentar por ello la producción de especies reactivas del oxígeno (ERO). La co-exposición de OTA o DON con RES no disminuyó la citotoxicidad, más bien al contrario, se observó un aumento de la citotoxicidad no asociado con un aumento en la producción de ERO. Se usaron dosis bajas de OTA, inferiores a 45 μM, para evaluar la expresión de genes del sistema biotransformador de xenobióticos (genes del grupo CYP P450), así como la de los genes COX-2, LOX-5, y MRP2. Para ello se empleó un sistema de co-cultivo de células Caco-2 y HepG2 (placas de cultivo transwell) para simular la absorción intestinal y el metabolismo hepático. Los resultados indican que la OTA es capaz de modular fuertemente la expresión de los genes estudiados a lo largo del tiempo, teniendo, por lo general, el tiempo de exposición a la OTA un mayor efecto sobre la modulación de los genes y la integridad de la membrana (medida por la resistencia eléctrica transepitelial) que las diferentes dosis de toxina utilizadas en los tratamientos. En cuanto a la evaluación de la genotoxicidad de la OTA, se ha demostrado que la OTA es un micotoxina genotóxica capaz de inducir formación de micronúcleos en linfocitos humanos, así como de, en un ensayo cometa, incrementar el porcentaje de ADN en el cometa, y causar la acumulación del mismo en las colas de los cometas mediante un retraso en el sistema de reparación del ADN. Los resultados obtenidos indican que se deben realizar mayores esfuerzos para entender el modo de acción de la OTA, especialmente teniendo en cuenta su posible relación con el desarrollo del cáncer en los seres humanos. Los hallazgos sobre la citotoxicidad y genotoxicidad de la OTA a bajas dosis apoyan la teoría de que la OTA debería de ser considerada un carcinógeno sin umbral. / Ochratoxin A (OTA) is a mycotoxin produced by certain fungal species of the genera Aspergillus and Penicillium. OTA is well known as a contaminant of a large variety of foods, feeds and beverages worldwide. Cereal-based foodstuffs are the most important OTA-contaminated foods for human consumption. Wine has been shown to be frequently contaminated with OTA and thus contributes significantly to human exposure to this mycotoxin. Studies in rodents show that exposure to OTA promotes the development of kidney and liver tumours. The International Agency for Research on Cancer (IARC) classified OTA in the group 2B (possibly carcinogenic to humans), because there are insufficient data about its carcinogenicity to humans. This PhD thesis had two general objectives: i) to assess the bioaccessibility of OTA in red wine, and ii) to assess OTA cytotoxicity, genotoxicity and gene expression modulation. With regard to OTA bioaccessibility, a study was conducted with red wine at three contamination levels (1.0-4.0 μg/L) using an in vitro dynamic digestion model. The results showed that OTA is highly bioaccessible in the gastric chyme (103-128%) but much less bioaccessible in the intestinal chyme (<26%). The digestion system was also used to evaluate the transformation of OTA to OTα; the amount of OTα generated in gastric digestion was found to range from 5.1% to 19.1%, while the amount generated in intestinal digestion did not exceed 5%. OTA cytotoxicity was evaluated by means of different in vitro assays with two human cell lines (Caco-2 and HepG2 cell lines) and primary human lymphocytes. Viability assays showed that low doses of OTA (0.075-45 μM) did not cause viabilities below 65%. At the same doses, significant damage was observed in the membrane integrity of differentiated Caco-2 cells and a cytostatic effect in lymphocytes treated with 15 μM OTA. In Caco-2 cells, the effect of exposure to low OTA doses, alone and in combination with the mycotoxin deoxynivalenol (DON), was evaluated, as was the apparent protective effect of the antioxidant resveratrol (RES), a natural compound found in red wine. Co-exposure to both mycotoxins significantly increased the cytotoxicity of both compounds in vi Caco-2 cells, without an increase in the generation of reactive oxygen species (ROS). Co-exposure to OTA or DON with RES did not diminish the cytotoxicity; on the contrary, an increase in the cytotoxicity was observed that was not associated with an increase in ROS production. OTA doses lower than 45 μM were used to assess the gene expression modulation of the xenobiotic transformation system (CYP P450 system genes), as well as of the COX-2, LOX-5, and MRP2 genes. To this end, the gene expression level was investigated in a co-culture system of Caco-2 and HepG2 (transwell culture plates) to simulate intestinal absorption and hepatic metabolism. The results suggest that OTA was able to strongly modulate gene expression over time, and that the time of exposure to OTA had a greater effect on expression gene and membrane integrity (as measured by transepithelial electrical resistance) than the dose of toxin used in the treatments. With regard to the OTA genotoxicity assessment, OTA was shown to be a genotoxic mycotoxin, because it was able to induce micronucleus (MN) formation in human lymphocytes. Moreover, in a comet assay, OTA increased the percentage of DNA in the comets and caused an accumulation of DNA in the comets’ tails by delaying the DNA repair pathway. Our results show that further research is needed to understand the mode of action of OTA, especially considering its possible association with human cancer development. Our findings on OTA cytotoxicity and genotoxicity at low doses support the theory that OTA should be considered a non-threshold carcinogen.

La investigació descrita en aquesta tesi es centra en la determinació de la influència de les pràctiques de maneig del cultiu, processament i les condicions d'emmagatzematge en la qualitat microbiològica de l'enciam mínimament processat i en l'estudi de les estratègies de mitigació per millorar la seva seguretat. S'ha estudiat l'efecte del sistema de producció, orgànica o convencional, de la qualitat microbiològica d'enciam fresc. Es va avaluar la transferència i la persistència de L. innocua i E. coli O157:H7 en els fulls d'enciam i en el sòl durant la tardor i la primavera utilitzant diferents mètodes de reg contaminats artificialment i el compost. La capacitat de L. monocytogenes, Salmonella i E. coli O157:H7 per créixer en enciam envasat en tres condicions d'atmosfera diferents creades per mitjà de la utilització de pel•lícules de diferents permeabilitats a dues temperatures d'emmagatzematge va ser evaluada. Es va examinar el potencial patogènic de dues soques de S. Typhimurium DT104, amb l'objectiu de mesurar la seva capacitat per sobreviure al tracte gastrointestinal simulat i d'adherir i envair cèl•lules diferenciades Caco-2, després d’una incubació seqüencial al sòl, l'enciam i enciam tallat emmagatzemat en condicions de MAP. En aquesta tesi l'efecte de millorar la microbiota d'enciam sotmesa a les diferents etapes de pre-condicionament en la supervivència de L. monocytogenes i E. coli O157:H7 com a mètode bioconservant també va ser avaluat. Finalment, s'ha estudiat l'ús de l'addició de bioconservants com a mètode per a controlar o reduir PTA en enciam mínimament processada. / La investigación descrita en esta tesis se enfoca en la determinación de la influencia de las prácticas de manejo del cultivo, procesamiento y condiciones de almacenamiento en la calidad microbiológica de la lechuga mínimamente procesada y en el estudio de las estrategias de mitigación para mejorar su seguridad. Se ha estudiado el efecto de los sistemas de producción, orgánico o convencional, en la calidad microbiológica de lechuga fresca. Se evaluó la transferencia y la persistencia de L. innocua y E. coli O157:H7 en las hojas de lechuga y en el suelo durante el otoño y la primavera, utilizando diferentes métodos de riego contaminado artificialmente y el compost. La capacidad de L. monocytogenes, Salmonella y E. coli O157:H7 para crecer en lechuga mínimamente procesada y envasada en tres diferentes condiciones de atmósfera, creada por la utilización de películas con diferentes permeabilidades a dos temperaturas de almacenamiento fue evaluada. Se examinó el potencial patogénico de dos cepas de S. Typhimurium DT104, con el objetivo de medir su capacidad para sobrevivir al tracto gastrointestinal simulado y de adherirse e invadir a las células diferenciadas Caco-2, después de la incubación secuencial en el suelo, lechuga y lechuga cortada almacenada en MAP. En esta tesis también se evaluó el efecto de aumentar la microbiota de lechuga sometida a las diferentes etapas de pre-acondicionamiento en la supervivencia de L. monocytogenes y E. coli O157:H7 como método bioconservante. Por último, se ha estudiado el uso de la adición de bioconservantes como método para controlar o reducir los PTA en lechuga mínimamente procesada. / The research described in this thesis is focused on the determination of the influence of field management practices, processing and storage conditions on the microbial quality of fresh-cut lettuce and on the study of mitigation strategies to enhance its safety. The effect of production system, organic or conventional, on the microbiological quality of fresh lettuce was studied. The transfer and persistence of L. innocua and E. coli O157:H7 on lettuce leaves and in soil during fall and spring using different artificially contaminated irrigation methods and compost was evaluated. The ability of L. monocytogenes, Salmonella and E. coli O157:H7 to grow on shredded lettuce packaged in three different atmosphere conditions created by means of using different permeability films at two storage temperatures was evaluated. The pathogenic potential of two S. Typhimurium DT104 strains was examined, with the aim to measure their capability to survive a simulated gastrointestinal tract system and to adhere to and invade differentiated Caco-2 cells, after sequential incubation into soil, lettuce and cut lettuce stored under MAP conditions. In this thesis the effect of enhancing native microbiota of lettuce submitted to different pre-conditioning steps on survival of L. monocytogenes and E. coli O157:H7 as a biopreservative method was also evaluated. Finally, the use of adding biopreservatives as a method to control or reduce FBP in fresh-cut lettuce was studied.

Orientador: Ana Lúcia Barretto Penna / Banca: Ariene Fernandes Van Dender / Banca: Kátia Sivieri / Banca: João Cláudio Thoméo / Banca: Célia Maria Landi Franco / Resumo: Não disponível. Clicar acesso eletrônico abaixo. / Abstract: Not available. Click electronic access below. / Doutor