在离子液体中快速制备一种磷酸基功能化的多面体寡聚硅氧烷杂化整体柱，用于微囊藻毒素的毛细管微萃取

《Journal of Chromatography A》：Rapid preparation of a phosphate-functionalized polyhedral oligomeric silsesquioxane hybrid monolithic column in ionic liquid for capillary microextraction of microcystins

本研究通过离子液体介导的自由基聚合方法，快速制备了磷酸功能化POSS杂合微孔吸附柱，并用于微囊藻毒素的富集。该吸附柱具有高选择性和快速吸附特性，检测限达0.83-1.12 ng/L，富集效率显著，为水体中痕量藻毒素分析提供了新方法。

　　本研究提出了一种简便的磷酸功能化单体萃取柱的制备方法，利用自由基聚合技术在离子液体（IL）的多孔形成体系中合成，旨在实现对微囊藻毒素（MCs）的有效富集。研究中采用了双[2-(甲基丙烯酰氧乙基)]磷酸（BMEP）作为亲和单体，甲基丙烯酰氧丙基多面体低聚倍半硅烷（POSS-MA）作为共聚单体，聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA，Mn≈575）作为交联剂，以及偶氮二异丁腈（AIBN）作为引发剂。通过系统地利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）以及氮气吸附-脱附等温线对所得单体的结构和形态特性进行了分析。结果表明，使用[C8mim,BF4]离子液体能够提高单体的溶解性并加快聚合速率。磷酸基团和刚性POSS骨架的引入赋予了这种杂化单体特定的磷酸-鸟嘌呤识别能力、疏水相互作用、分层多孔结构以及良好的机械稳定性，从而实现了对MCs的高效富集和快速质量传递。在优化的实验条件下，所制备的单体被用于毛细微萃取（CME）对地表水中MCs的提取，随后通过高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）进行分析。分析性能验证结果显示，检测限达到亚皮克（0.83-1.12 ng/L），回收率满意（73.4-119%），相对标准偏差为1.0-7.3%。这些结果表明，磷酸功能化单体在特定应用中的CME具有显著优势。

微囊藻毒素是一类具有环状七肽结构的蓝藻毒素，其通用结构式为[cyclo-(-D-Ala-X-D-MeAsp-Z-Adda-D-Glu-Mdha-)]，其中Adda是表达生物活性的关键结构，X和Z是可变的L-氨基酸，D-MeAsp为D-赤式-β-甲基天冬氨酸，Mdha为N-甲基脱氢丙氨酸。MCs已被证实会对真核细胞的磷酸酶（如PP1和PP2A）产生显著的抑制作用，可能导致器官特异性毒性，包括肝、神经和皮肤损伤。在众多MCs变种中，MC-LR和MC-RR（L为亮氨酸，R为精氨酸）是最常见且最丰富的毒素，它们容易在水生生物体内积累，并通过食物链传递给人类和动物。MC-LR被认为是研究最多且毒性最强的肝毒素。最近的一项环境元分析显示，中国全国范围内的湖泊和水库中存在MCs的低水平污染和风险。由于MCs在全球水体中普遍存在且具有高持久性，它们被视为对淡水和海洋生态系统构成重大威胁的物质，可能对公共健康造成严重危害。MCs在水体中的广泛存在，加上其对环境的高耐受性和难以降解的特性，使其成为对淡水和海洋生态系统具有高度危害的物质，对人类健康构成重大威胁。国际癌症研究机构（IARC）将MC-LR列为“可能对人类致癌”（Group 2B），主要依据是其在实验研究中对肝细胞癌的促进作用。鉴于MCs主要通过饮食暴露（包括饮用水和受污染的食物链）和皮肤接触进入人体，世界卫生组织（WHO）已设定饮用水中MC-LR的临时指导值为1 μg/L。在追求与水安全相关的可持续发展目标过程中，对内陆水体中MCs的及时监测和超痕量分析成为一项重要的研究领域。

目前，MCs的检测和定量分析方法主要包括物理化学联用技术（如HPLC-MS、紫外或二极管阵列检测），以及毛细电色谱（CEC）或毛细电泳（CE）等。此外，还有生化方法（如ELISA、蛋白磷酸酶抑制试验）和生物传感器等。其中，HPLC因其提供足够的选择性和准确性，成为MCs定量分析中最常用的技术。然而，MCs的痕量分析仍然面临诸多挑战，如其在环境中的极低浓度导致难以检测，严重基质干扰导致回收率降低，以及已知超过270种MCs异构体的存在。因此，有效的样品预处理对于分析物富集至关重要，是HPLC分析前的重要步骤。现有的样品预处理技术包括固相萃取/微萃取（SPE/SPME）、基质固相分散、磁性固相微萃取（MSPE）以及液液微萃取（LLME）等。毛细微萃取（CME），也称为管内SPME，近年来作为一种微型化、易于集成、环境友好的替代传统SPE的复杂样品处理方法而受到关注。CME过程已被证明能够促进萃取剂与分析物之间的快速吸附平衡，这是由于毛细管内的短扩散距离，从而显著缩短整体分析时间。此外，毛细管微通道的受限几何结构使得能够精确合成微/纳米尺度的吸附材料，包括具有双模孔结构的连续多孔单体，这些单体具有精确调控的尺寸和形态。

基于单体的CME被认为是一种高效且经济的痕量毒素浓缩技术，因为其具有快速的质量传递、可调节的选择性、最小的样品/溶剂消耗和操作简便等优点。为了探索这种技术的重要性，我们已将金纳米颗粒或六肽负载到聚合单体上，并提高了目标毒素的捕获效率。然而，在分析某些环境样品时，主要遇到的问题被归因于聚合物或配体的水不稳定性、有限的特定表面积以及高昂的成本。将多孔纳米材料（如多面体低聚倍半硅烷（POSS）、金属有机框架/共价有机框架（MOFs/COFs）或碳纳米结构）通过共价接枝或物理封装引入聚合物单体中，已被证实是解决这些挑战的有前景的解决方案。制备的杂化聚合物单体结合了无机和有机材料的优点，展示了改进的机械稳定性、选择性、更高的特定表面积以及良好的生物相容性。然而，在制备这些杂化单体时，通常面临的重大挑战是多孔材料在传统多孔形成溶剂中的溶解性有限和分散不均，这将影响吸附材料的多孔结构一致性。在这种情况下，反应单体的较差溶解性会使混合或超声处理步骤延长，降低自由基传播效率和热传递能力，从而导致耗时的聚合过程和所得材料的不均匀性及收缩。虽然其他快速技术如微波辐射或点击化学可以实现快速反应，但它们通常需要专门的、昂贵的设备，成本较高的单体/引发剂，以及严格的反应条件。

离子液体（ILs）由不对称有机阳离子与有机/无机阴离子组成，是一类在室温下存在的可调节熔融盐。由于其出色的溶剂化能力、极低的挥发性、高热稳定性和可调的热物理性质，ILs被视为一种替代传统挥发性有机溶剂的绿色溶剂，并因其作为合成无机和杂化材料的多功能介质而受到广泛关注。一般观察发现，ILs介导的聚合反应表现出比传统有机溶剂介导的聚合反应更快的反应速率、更高的产率和转化率。值得注意的是，在各种类型的ILs介导的聚合反应中，ILs浓度的增加会导致k_p/k_t（传播速率与终止速率）的提升。ILs介导的反应中表现出的快速聚合动力学源于ILs独特的热和物理化学性质。首先，ILs通过提高极性来替代单体，有助于在聚合传播步骤中稳定过渡态，有效降低传播步骤的活化能，从而加快反应速率。其次，ILs的高热导率和热容量提高了反应混合物的热性能，使得反应器内能够实现快速且均匀的热传递。溶剂笼效应可能是另一种关键因素，促进了ILs介导的聚合反应中自由基的快速形成。这种效应源于离子分子之间的强库仑相互作用和非极性段的聚集，将反应物限制在纳米尺度的域内，显著提高了其有效碰撞频率，从而增强了整体反应速率。由于其在自由基聚合中的独特优势和对各种单体的高溶解性，ILs已被用于单体的合成、模板或结构引导剂，从而获得均匀的多孔结构和最佳的渗透性。Hong等人在[Bmim,PF6]中实现了甲基丙烯酸的加速自由基聚合，相对于传统溶剂，获得了改进的反应动力学、更高的分子量和产率。Li等人提出的由[C8mim,BF4]和胆碱氯化物/1,2-丙二醇组成的二元环保多孔形成体系，被用于制备石墨烯氧化物掺杂的杂化单体，用于牛血清白蛋白胰蛋白酶消化物的分离，展示了克服聚合物基质中典型纳米材料聚集问题的潜力。Hsi-Ya Huang等人开发了一种微波引发的聚合方法，在1-己基-3-甲基咪唑??四氟硼酸盐中在5分钟内快速制备MOF杂化单体柱，并用于高效SPME提取青霉素。我们小组之前开发了一种基于ILs辅助聚合的两性离子POSS杂化单体固定相，展示了其在亲水CEC中的有效色谱分辨率和广泛的pH稳定性。

本研究中，设计了一种磷酸功能化的POSS杂化微萃取单体柱（poly(BMEP-co-POSS-co-PEGDA)），用于MCs的富集，基于特定的磷酸-鸟嘌呤识别。单体通过ILs介导的自由基聚合在8分钟内合成，采用AIBN作为引发剂，在85°C条件下进行一步聚合反应，其中BMEP作为功能单体，POSS-MA作为共聚单体，PEGDA作为交联剂。所得单体的形态和化学组成通过SEM、EDS、FT-IR和BET进行了全面表征。功能化的单体被用作MCs的CME介质。影响CME效率的关键参数被系统地优化。所建立的CME方法进一步通过分析地表水样品中的典型MCs，随后采用CEC或LC-MS方法进行定量分析进行了验证。