Evaluation of nanoporous materials for biotoxin capture

Abstract

Biotoxins are metabolites produced by some microalgae species that can reach high concentrations when a massive proliferation of them occur. These kind of compounds are especially dangerous when concentrated in digestive glands of seafood. In general, biotoxins do not affect mollusks, however, the presence of biotoxins turns the mollusks unappropriated for human consumption. In this way, it is very important to improve monitoring methods of biotoxins in water in order to generate an early warning system before seafood becomes toxic. This thesis proposes an improvement in Solid Phase Adsorption Toxin Tracking (SPATT) devices for early warning of the presence of biotoxins in water. To do so, instead of using the chromatographic resins commonly used in SPATT devices, a new nanoporous material, Covalent Organic Frameworks (COFs), was evaluated due to their pore uniform size to be similar to the toxins size. Adsorption/desorption tests of the lipophilic toxin okadaic acid (OA) in COFs were performed, at laboratorial scale, as well as tests of the reuse of the adsorbent material. Adsorption kinetics and adsorption isotherm at 19 ºC were determinated. Finally, diffusion of the toxin into the pores was studied. The results showed that COFs could improve SPATT devices performance since they can capture much more quantity of toxin (about 30 times more) that common chromatographic resins and faster due to the fact that toxin diffusion in pores is almost instantaneous. The determined Freundlich isotherm showed a favorable linear tendency. Finally, COFs can be reused, once desorption can be successfully made using solvents, such as 70 % ethanol and acetonitrile.

As biotoxinas são metabolitos produzidos por algumas espécies de microalgas, que podem atingir altas concentrações aquando uma proliferação maciça das mesmas ocorre. Este tipo de compostos é especialmente perigoso quando concentrados nos sistemas digestivos do marisco. Geralmente, as biotoxinas não afetam o marisco, porém, a sua presença torna-o impróprio para consumo humano. Neste sentido, é importante que se melhorem os métodos de monotorização de biotoxinas na água, de maneira a que se possa estabelecer um sistema de alerta antecipado, antes de o marisco se tornar tóxico. Esta dissertação propõe um aperfeiçoamento de dispositivos de Solid Phase Adsorption Toxin Tracking (SPATT), para uma deteção atempada da presença de biotoxinas na água. Para tal, em vez das resinas geralmente usadas nos dispositivos SPATT, foi avaliado um novo material nanoporoso, Covalent Organic Frameworks (COFs), devido à uniformidade do tamanho de poro deste material ser mais semelhante ao tamanho das toxinas. Testes de adsorção/desorção da toxina lipofílica ácido ocadaíco (OA) foram feitos, à escala laboratorial, assim como testes de reuso do material adsorvente. As cinéticas de adsorção e a isotérmica de adsorção a 19 ºC foram determinadas. Por fim, a difusão da toxina nos poros do COF foi outro ponto estudado. Os resultados dos testes laboratoriais realizados mostram que os COFs podem melhorar o desempenho dos dispositivos de SPATT, uma vez que conseguem capturar muito mais quantidade de toxina (cerca de 30 vezes mais) que as resinas geralmente usadas nos dispositivos de SPATT e conseguem fazê-lo muito mais rapidamente, devido ao facto de a difusão da toxina nos poros ser quase instantânea. A isotérmica de Freundlich determinada mostrou ter uma tendência linear favorável. Por fim, o COF pode também ser reutilizado, uma vez que a dessorção de toxina pode ser feita com sucesso, usando solventes orgânicos, como o etanol a 70 % e o acetonitrilo.