经高浓度Zr-MOF负载改性的木质纤维素气凝胶，可用于从尿液和电子香烟样本中简便高效地提取依托咪酯类似物

《Journal of Chromatography A》：Wood-derived cellulose aerogel decorated with high Zr-MOF loading for simple and efficient extraction of etomidate analogs from urine and e-cigarette samples

提出一种木基气凝胶负载的Zr-MOF微固相萃取方法，用于高效提取尿液和电子烟油中的痕量Etomidate及其类似物，并验证其线性、灵敏度和重复性。

　　

郭明杰|谢伟红|张素玲|李晓菲|张建伟|徐中石|潘颖|张东|徐璐璐|吕婷|邱琳琳

杭州电子科技大学材料与环境工程学院，中国杭州310018

摘要

依托咪酯及其类似物能产生欣快感并导致成瘾，近年来其滥用导致中毒和死亡案例不断增加。因此，它们被归类为受控的精神药物。本研究提出了一种基于小尺寸木质气凝胶的锆金属有机框架（UiO-66）颗粒，用于从尿液和电子香烟样本中提取微量依托咪酯及其类似物。由于去除了木质素和半纤维素，脱木质的木质气凝胶具有更优的内部孔结构并暴露出功能基团，这有助于固定更多的UiO-66晶体，实现了61.3%的高负载效率。这种轻质的UiO-66/木质气凝胶复合材料便于分离，避免了UiO-66粉末的泄漏，同时保持了其吸附能力。该复合材料在连续九次循环使用后仍表现出良好的机械稳定性和重复使用性。得益于其高比表面积以及与目标药物的多重化学相互作用，该方法实现了22.9-30.0的富集倍数。研究了影响提取效果的关键因素，包括溶液pH值、提取时间、解吸溶剂的类型和体积以及解吸时间。在最佳条件下，基于UiO-66/木质气凝胶的微固相萃取结合GC-MS方法显示出宽广的线性范围和良好的精度（日内精度为1.1%–3.2%；日间精度为3.4%–5.1%）。检测限和定量限分别为0.02–0.04 μg/L和0.05–0.1 μg/L。尿液和电子香烟油样本的回收率分别为86.2%–110.2%和80.1%–107.9%。该方法环保、简单，适用于临床和法医应用中新型精神药物的检测。

引言

新型精神活性物质（NPSs）作为一类有毒物质，引起了社会和卫生部门的关注[1]。依托咪酯是一种非巴比妥类麻醉剂，其性质与丙泊酚相似，在中国受到严格监管[2]。这些药物的过量使用可能导致内分泌紊乱、呼吸抑制等健康问题[3,4]。最近，有关依托咪酯滥用的中毒和死亡案例时有报道。例如，在中国的一些药物滥用案例中发现了用作电子香烟（e-cigarette）油添加剂的依托咪酯[5]。根据联合国毒品和犯罪问题办公室2024年世界毒品报告，依托咪酯及其类似物被列为NPSs之一[3,6]。因此，分析依托咪酯及其类似物是控制药物滥用的重要研究课题。然而，以往的研究主要集中在传统药物（如阿片类、安非他明类兴奋剂、可卡因、氯胺酮类药物）上[7,8]，缺乏针对复杂样本中微量依托咪酯类似物的有效富集和分离方法。

目前，液相色谱-质谱（LC-MS）[9]、[10]、[11]和气相色谱-质谱（GC-MS）[13]已被用于生物样本中依托咪酯及其类似物的筛查或检测。例如，可以通过简单的稀释过程使用LC-MS/MS分析电子香烟中的目标依托咪酯类似物[10]。乙腈蛋白沉淀法结合LC-MS/MS已成功应用于血液样本中依托咪酯类似物的分析[3]。乙腈可以有效提取尿液、肝脏和肾脏中的依托咪酯类似物[5]。然而，上述预处理方法无法对目标分析物进行富集，甚至可能降低其浓度。当加入浓缩步骤以提高富集效率时，时间消耗和操作误差也会相应增加[14]。

基于吸附的固相萃取（SPE）已成为主要的样品制备技术，因为它可以在仪器分析前去除潜在杂质并浓缩目标分析物。目前，各种金属有机框架（MOFs）因其可调的孔径、良好的稳定性和大的比表面积而被用作吸附剂[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。然而，由于粉末或晶体的结晶性质，它们的实际应用受到回收挑战的显著阻碍。例如，在SPE柱中使用粉末状MOFs可能导致过高的背压或材料损失。同样，在分散型SPE中，MOFs在从样品溶液中分离时也难以回收。

将MOFs战略性地整合到合适的基质中以构建功能性复合材料，对于提高MOFs的利用效率和回收性至关重要[20,21]。低密度且兼容性好的多孔纤维素气凝胶是附着MOFs的理想基质。例如，一些圆柱形MOF/纤维素气凝胶复合材料在吸附应用中显示出优异的性能[22]、[23]、[24]、[25]。在过去两年中，我们通过将MOF-199原位涂覆在磁性2,2,6,6-三甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）-纤维素气凝胶基底上，成功制备了球形核壳MOF-199/纤维素气凝胶复合材料[26]。与原始纤维素气凝胶相比，这些复合材料对苯二氮卓类药物（BZPs）的富集效率提高了2.5至11.6倍[26]。我们还通过直接混合UiO-66和TEMPO氧化纤维素溶液，然后进行冷冻干燥，制备了Zr-MOF/纤维素杂化气凝胶，并将其用于从尿液和头发样本中提取BZPs[27]。然而，有毒的TEMPO试剂对环境不友好。在本研究中，使用木质纤维素作为原位生长MOFs的基质，形成复合材料。

木材是一种天然且可再生的生物材料，其细胞壁主要由纤维素（40-50%）、半纤维素（15-30%）和木质素（18-35%）组成[28]。木材纤维上的丰富羟基可以通过静电相互作用作为金属离子的锚定位点，从而促进MOF纳米晶体的沉积。然而，结构致密的天然木材比表面积和孔隙率较低，导致MOF负载量低和吸附能力有限。Tu等人[29]使用NaOH处理山毛榉木材以附着沸石咪唑酸盐框架-8（ZIF-8），实现了约1.8%的低负载率。具体来说，通过化学方法去除木材中的半纤维素和木质素可以有效提高其孔隙率。Tian等人[30]将UiO-66-NH₂整合到经过亚氯酸钠、冰醋酸和NaOH预处理的脱木质木质气凝胶（WA）中，该复合材料的UiO-66-NH₂负载率为36%，碘蒸气吸附能力达到704 mg/g。类似地，ZIF-8被负载在NaClO₂处理的木材上用于铀吸附，最大吸附能力为154.88 mg/g[31]。ZIF-8-NH₂/WA被开发用于高效甲醛吸附[32]，而ZIF-67被固定在NaClO₂处理的木材上用于四环素去除[33]。

Zr-MOFs是由Zr₆O₄(OH)₄簇和羧基有机配体形成的四面体或八面体笼状结构。在各种MOFs中，Zr-MOFs因在水介质中的出色结构稳定性而成为水样预处理的有希望的候选者——尤其是UiO-66系列[34]。此外，UiO-66具有高比表面积（通常>1000 m2/g）和丰富的介孔结构[35,36]。

在本研究中，使用小尺寸的WA作为生长UiO-66晶体的基质。与文献中报道的尺寸超过10×10×5毫米的WA基底（木质片或块）不同，小尺寸的WA不仅促进了更多MOF晶体在其内部孔隙中的生长，实现了高MOF负载率，还减少了提取过程中的有机溶剂消耗。这种轻质的UiO-66/WA复合材料便于分离和一次性滴管重复使用。它被用于尿液样本和电子香烟样本中四种微量依托咪酯及其类似物的微固相萃取（μ-SPE）。讨论了可能的机制，并进行了方法验证，包括线性、精度、灵敏度和回收率的研究。本研究制备了一种环保的基于木材的气凝胶复合材料，具有高MOF负载量，可用于复杂样本中依托咪酯及其类似物的简单和灵敏检测。

化学物质和材料

轻木片（90 kg/m3）购自北京Hagibis科技有限公司。氯化锆（ZrCl₄，98.0%）、NaOH、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、HPLC级甲醇和乙腈购自Aladdin Reagent有限公司。对苯二甲酸和2-氨基对苯二甲酸购自上海Macklin有限公司。四种目标药物（包括依托咪酯、依托咪酯异丙氧酸盐和丙氧酸盐）由我们的合作组织提供。每种药物均溶解在甲醇中

Zr-MOF/WA的选择

天然椴木具有致密的物理结构，这限制了MOFs在其表面的负载量，测得的MOF负载率为2.22%[37]。为了提高负载能力，提出了一个脱木质过程来去除天然木材中的木质素和半纤维素（图1a）。根据我们之前的研究，在NaOH和H₂O₂处理后，WA中的纤维素、木质素和半纤维素含量分别为60.8%、7.2%和18.3%

结论

本研究制备了用于从尿液和电子香烟油样本中提取依托咪酯及其类似物的分层UiO-66/WA复合材料。UiO-66/WA-0.6复合材料的比表面积为272.3 m²/g，对目标分析物的富集倍数高达22.9-30.0。分析物主要通过氢键、配位键和π-π共轭相互作用吸附在UiO-66上。此外，该复合材料至少可重复使用九次。

CRediT作者贡献声明

郭明杰：撰写——原始草稿，数据整理。谢伟红：资源获取，资金筹措。张素玲：撰写——原始草稿，资金筹措，概念构思。李晓菲：实验研究。张建伟：资源提供。徐中石：资金筹措，形式分析。潘颖：撰写——审阅与编辑。张东：撰写——审阅与编辑。徐璐璐：软件支持。吕婷：监督。邱琳琳：实验研究，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了浙江省“先锋”和“领头鹅”研发计划（编号2025C02035）、公安部“双十计划”的重点研究项目（全自动智能化暗室的建设与应用），以及浙江省公益技术应用研究项目（LGC21B050003）的支持。