基于金属有机框架HKUST-1功能化聚合物整体柱的环境水样中痕量微囊藻毒素微萃取与分析

doi:10.3724/SP.J.1123.2026.01021

摘要/Abstract

摘要：

微囊藻毒素（MCs）是一类环状七肽毒素，可造成水体污染，并能在水生生物体内富集、沿食物链传递，对人类健康构成严重威胁。然而，环境水样中复杂基质的干扰以及MCs的痕量存在，给其分析检测带来了严峻挑战，亟需开发高效的预处理技术加以克服。本研究利用离子液体介导反应快速聚合制备了一种金属有机框架HKUST-1功能化聚合物整体柱（HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）），并将其作为毛细管微萃取固定相用于富集水中的MCs。整体柱的制备是以甲基丙烯酸甘油酯（GMA）和丙烯酰胺（AM）为双功能单体，掺杂金属有机框架HKUST-1，以二乙烯苯（DVB）为交联剂，1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[HMIM][BF₄]）和环己醇为二元致孔剂，热引发聚合而成。表面形貌特征和元素组成表征结果表明，金属有机框架HKUST-1的引入显著增加了整体柱材料的介孔和微孔占比，并提高了比表面积，改善了传统有机聚合物整体柱比表面积小和易溶胀的缺陷，提高了材料对MCs的富集效率。在最优萃取条件下，将HKUST-1功能化整体柱作为毛细管微萃取（CME）的萃取相，与液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）联用，分析环境水样中的3种MCs异构体，检出限为0.28~0.60 ng/L，定量限为0.94~1.99 ng/L，回收率为82.2%~112.0%，相对标准偏差（RSD）不大于7.9%（n=3）。研究表明，借助HKUST-1功能化整体柱提供的特异性金属识别位点、氢键相互作用和π-π相互作用，该方法可高效富集并灵敏检测环境水体中的超痕量MCs，应用前景良好。

关键词: 微囊藻毒素, 金属有机框架, 功能化整体柱, 毛细管微萃取, 液相色谱-串联质谱

Abstract:

Microcystins （MCs） are cyclic heptapeptide toxins that cause aquatic pollution. Through bioaccumulation，they can induce irreversible cellular and organ damage and significantly increase the risk of liver cancer，posing a serious threat to human health. However，interference from complex matrices in environmental water samples，as well as the trace concentrations of MCs，necessitates the development of efficient pretreatment techniques. Capillary microextraction （CME） is a miniaturized sample preparation technique derived from in-tube solid-phase microextraction （SPME）. By integrating extraction and concentration into a single step，CME offers distinct advantages，including low sample consumption，rapid equilibration，and high extraction efficiency. The performance of CME is critically dependent on the properties of its stationary phase，which governs analyte retention and selectivity. Traditional organic polymer monolithic columns are widely used due to their simple preparation and the availability of diverse functional monomers. Nevertheless，their fabrication process often suffers from issues such as particle agglomeration and heterogeneous pore distribution. These structural irregularities lead to limited specific surface area，poor mechanical stability，and ultimately，compromised extraction efficiency. With their high specific surface area，uniform pore size distribution，and highly tunable surface properties，metal-organic frameworks （MOFs） are ideal adsorbents that effectively overcome the limitations in porosity and specific surface area associated with traditional polymer-based materials. This study employed an ionic liquid-mediated ionothermal reaction to rapidly fabricate a metal-organic framework HKUST-1-functionalized polymer monolith column （HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）），which was used as a capillary microextraction （CME） medium to enrich MCs in water. In detail，the functionalized monolithic column was prepared using glycidyl methacrylate （GMA） and acrylamide （AM） as bifunctional monomers，divinylbenzene （DVB） as the crosslinking agent，a mixture of 1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate （[HMIM][BF₄]） and cyclohexanol as dual porogens，and HKUST-1 as the dopant. The morphology，elemental composition，specific surface area and pore size distribution of the monolithic material were characterized using scanning electron microscopy （SEM），Fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR），X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） and nitrogen adsorption–desorption isotherms. The results indicate that the incorporation of the metal-organic framework HKUST-1 significantly increases the proportion of mesopores and micropores in the monolithic column material. This enhancement increases the specific surface area and overcomes the low porosity，small surface area，and swelling susceptibility characteristic of traditional organic polymer monolithic columns. Consequently，the extraction efficiency of the proposed MOF hybrid monolith for enriching MCs is significantly improved. Meanwhile，the effects of extraction conditions （sample pH，sample flow rate） and elution conditions （formic acid concentration in eluent，elution flow rate） on enrichment efficiency were systematically investigated. Under optimized extraction conditions，the HKUST-1-functionalized monolith-based CME coupled with liquid chromatography-tandem mass spectrometry （LC-MS/MS） was employed to enrich and analyze three MC isomers in environmental water samples. Over the mass concentration range of 0.01-10 µg/L，the three MCs exhibited good linearity （R²≥0.995 5） between their mass concentrations and the peak areas of corresponding quantified ions. The limits of detection （LODs） and quantification （LOQs） were 0.28-0.60 ng/L and 0.94-1.99 ng/L，respectively，both significantly below the World Health Organization （WHO） maximum permissible concentration for MC-LR in water. The established analytical method yielded recoveries ranging from 82.2% to 112.0% for three environmental water samples，with relative standard deviations （RSDs）≤7.9% （n=3），exhibiting satisfactory precision and accuracy. Compared to other reported methods，the developed method requires less sample solvent （1.0 mL），achieves a lower LOD，and completes enrichment within 30 min. In conclusion，we demonstrate that the hyphenated analytical method efficiently detects ultra-trace MCs in environmental water，due to the specific coordination，hydrogen bond and π-π interactions afforded by the HKUST-1 functionalized monolith. This method shows promising value for monitoring trace environmental contaminants and advancing miniaturized pretreatment techniques.

Key words: microcystins （MCs）, metal-organic frameworks （MOFs）, functionalized monolithic column, capillary microextraction （CME）, liquid chromatography-tandem mass spectrometry （LC-MS/MS）

中图分类号:

O658

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图/表 14

图1 HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）功能化整体柱的制备流程图AM： acrylamide； GMA： glycidyl methacrylate； DVB： divinylbenzene； AIBN： 2，2′-azobisisobutyronitrile.

Fig. 1 Schematic illustration of preparation of HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA） functionalized monolithic column

表1 3种MCs的MS/MS参数

Table 1 MS/MS parameters of three microcystins （MCs）

Analyte	Precursor ion （m/z）	Product ions （m/z）	Collision energies/eV
MC-RR	519.9	135.1^*，127.1	36，22
MC-LR^a	498.4	135.1^*，861.5	14，11
MC-YR^a	523.4	135.1^*，911.5	19，9

表2 HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）功能化整体柱的预聚合液组成

Table 2 Composition of the polymerization solution for the preparation of HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA） monolithic column

Column	HKUST-1/mg	GMA/mg	AM/mg	DVB/mg	[HMIM][BF₄]/mg	Cyclohexanol/mg	Permeability （K）/（10^-14 m²）	S_MC-LR
A	0	24	16	60	60	40	15.3	207959
B	0	26	14	60	60	40	15.3	150628
C	0	22	18	60	60	40	7.66	171502
D	0	24	16	60	65	35	7.66	208332
E	0	24	16	60	55	45	15.3	219714
F	1	24	16	60	60	40	15.3	233172
G	3	24	16	60	60	40	7.66	240598
H	5	24	16	60	60	40	7.66	254036
I	7	24	16	60	60	40	3.83	198018

图2 HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）整体柱的扫描电镜图

Fig. 2 SEM images of the HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA） monolithic column Magnification：（a） 800×；（b） 2000×；（c） 30000×.

图3 AM、DVB、GMA、HKUST-1及HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）功能化整体柱的FT-IR谱图

Fig. 3 FT-IR spectra of AM，DVB，GMA，HKUST-1 and HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA） functionalized monolithic column

图4 HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）功能化整体材料的（a）氮气吸附-脱附等温曲线和（b）孔径分布图

Fig. 4 （a） N2 adsorption-desorption isotherm curves and （b） pore-size distribution of HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA） functionalized monolithic material

图5 （a）上样液pH、（b）洗脱液中FA的含量、（c）上样流速和（d）洗脱流速对3种MCs萃取效率的影响（n=3）

Fig. 5 Effects of （a） pH of loading solution，（b） FA content in elution solution，（c） loading flow rate and （d） elution flow rate on extraction efficiencies of the three MCs （n=3）

图6 HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）整体柱对MC-LR的穿透曲线

Fig. 6 Breakthrough curve of MC-LR in the HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA） monolithic column

图7 HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）整体柱结合MC-LR前后的（a） C 1s的XPS谱图、（b） N 1s的XPS谱图、（c） O 1s的XPS谱图、（d） Cu 2p的XPS谱图和（e） XPS全谱

Fig. 7 XPS spectra of （a） C 1s，（b） N 1s，（c） O 1s，（d） Cu 2p and （e） XPS full spectrum for HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA） monolithic column before and after adsorption of MC-LR

表3 CME与LC-MS/MS联用方法对MCs的分析性能

Table 3 Analytical performance of CME-LC-MS/MS method for MCs

Analyte	Linear range/（μg/L）	R²	LOD/（ng/L，S/N=3）	LOQ/（ng/L，S/N=10）	RSDs/% （n=5）
Analyte	Linear range/（μg/L）	R²	LOD/（ng/L，S/N=3）	LOQ/（ng/L，S/N=10）	Column-to-column	Inter-day	Intra-day
MC-LR	0.01-10	0.9955	0.28	0.94	3.0	1.4	1.4
MC-RR	0.01-10	0.9986	0.60	1.99	2.6	2.3	3.4
MC-YR	0.01-10	0.9995	0.48	1.60	3.5	3.7	2.6

图8 HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）功能化整体柱的重复使用性（n=3）

Fig. 8 Reusability of HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA） functionalized monolithic column （n=3）

图9 （A）水库水、（B）河水和（C）湖水样品中MCs的TIC谱图a. direct analysis； b. sample analysis after CME enrichment； c. sample spiked with 0.05 µg/L MCs； d. sample spiked with 0.5 µg/L MCs； e. sample spiked with 5 µg/L MCs.

Fig. 9 TIC chromatograms of MCs in （A） reservoir water，（B） river water and （C） lake water

表4 CME与LC-MS/MS方法联用分析3种实际水样中MCs的回收率和精密度（n=3）

Table 4 Recoveries and precisions （RSDs） of the MCs with CME-LC-MS/MS method in three actual water samples （n=3）

Sample	Spiked/（μg/L）	MC-LR		MC-RR		MC-YR
Sample	Spiked/（μg/L）	Detected/（μg/L）	Recovery （RSD）/%	Detected/（μg/L）	Recovery （RSD）/%	Detected/（μg/L）	Recovery （RSD）/%
Reservoir water	0	0.0027	/	N.D.	/	N.D.	/
	0.05	0.041	82.2 （5.5）	0.044	88.8 （3.0）	0.056	111.0 （7.9）
	0.50	0.53	105.0 （2.5）	0.56	112.0 （1.8）	0.49	98.5 （1.7）
	5.0	5.5	111.1 （7.0）	4.7	94.3 （2.3）	5.2	103.0 （4.2）
River water	0	0.0014	/	0.0023	/	0.0019	/
	0.05	0.045	90.5 （4.3）	0.052	104.0 （6.1）	0.057	101.0 （1.4）
	0.50	0.55	109.0 （4.3）	0.42	83.6 （5.8）	0.45	90.9 （3.0）
	5.0	5.0	101.0 （3.7）	4.6	93.2 （1.6）	5.1	101.0 （2.4）
Lake water	0	0.0012	/	0.0009	/	N.D.	/
	0.05	0.048	95.3 （4.3）	0.049	97.2 （4.7）	0.50	100.0 （2.6）
	0.50	0.51	102.0 （2.8）	0.42	83.2 （6.3）	0.49	99.1 （2.0）
	5.0	4.8	96.4 （6.0）	4.7	93.8 （1.7）	5.2	104.0 （6.3）

表 5 本方法与其他已报道的MCs分析方法的比较

Table 5 Comparison of the current strategy with previously reported methods for MCs analysis

Method	Adsorbent	Samples	Sample consumption/mL	LODs/（ng/L）	Recoveries/%	Ref.
MSPE-LC-MS/MS	DS-MMIP@GO	tap water，river water	1000	0.03-0.61	84.1-98.2	[36]
MSPE-HPLC-MS/MS	MCNTs@TpPa-1	tap water	20	0.8-1.5	85.0-106.0	[24]
SPME-LC-MS	aptamer@AuNPs@UiO-66-NH₂	lake water，tap water	5	4	92.0-96.8	[37]
d-SPE-HPLC-MS	HFH-COF	biological samples	20	0.6-0.8	85.7-108.7	[38]
SPE-LC-MS	Au-PPy nanocomposite sorbent	tap water	2	1.5	94.1-103.2	[39]
CME-LC-MS/MS	HKUST-1@poly（DVB-co-AM-co-GMA）	lake water，tap water，reservoir water	1	0.28-0.60	82.2-112.0	this work

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