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【材料】色谱微球精准制造

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2025-01-07 08:09

正文

从上世纪六十年代首次报道的薄壳型色谱材料，到如今广泛使用的全多孔及表面多孔微球，高性能球形填料的开发与制备始终是现代色谱材料研究的核心问题。由于具有精确粒径和明确孔结构的微球可以降低“范氏方程”中的理论塔板高度，提升柱效，故其对于实现理想的分离至关重要。精确粒径的重要内涵是粒径均一性，即单分散性，其对色谱性能的贡献已在理论和实验上得到了广泛的研究。然而，现代色谱行业中常用的Bulk合成方法在粒径控制方面存在明显的局限性，在制备全多孔微球时，通常需要在合成后进行筛分，才能获得具有良好单分散性的微球。这一过程导致大量的材料被废弃，不仅增加了生产成本，也对环境造成了潜在的污染。更重要的是，Bulk合成策略中，微球孔结构的调控往往会影响到微球粒径和形貌，即难以独立自由调控，这使得色谱微球的精确制造极具挑战性。

厦门大学 化学化工学院张博课题组在前期微纳色谱系列工作基础上 （Anal. Chem. 2024 , 96 , 3989-3993; Anal. Chem . 2022 , 94 , 8126-8131; Anal. Chem . 2021 , 93 , 8450-8458），开发了一种 基于液滴微流体技术的精准制造策略，用于制备高性能的单分散色谱微球，并且拥有对微球的颗粒形态、孔结构和材料化学性质分别独立调控的能力 。通过液滴合成技术，制备的微球展现出极优的孔径分布（CV<3%）和极高的产率（～100%）。同时，该方法制备的色谱微球展现出优异的分离效率，可实现最低1.67的折合塔板高度（ h _min ）。

液滴微流控芯片以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基材，单张芯片（图1）内集成了120个并行的流式聚焦液滴生成通道，最高能以240,000 Hz/chip的超高制造通量制备尺寸均一的液滴。

图1. 液滴微流体技术制造单分散微球的示意图

该工作以含有单体与致孔剂（TMOS、PEG、HAc等）的反应液作为分散相，EM 90作为表面活性剂的十六烷溶液作为连续相。通过调控连续相与分散相的相对流量，能够制备粒径5-11 µm的微球（图2），各粒径微球均保持良好单分散性（CV < 3%）。

图2. 使用不同模板液滴灵活调控微球尺寸。粒径分别为：a) 5.4 μm，b) 7.4 μm，c) 9.3 μm 和 d) 11.0 μm；插图展示了液滴合成微球的粒径分布和变异系数（CV）

利用液滴法所制色谱填料相比于传统Bulk法合成的多分散色谱填料在色谱性能上显著提升，这得益于其单分散特性带来的柱床多路径效应（A项）的大幅降低（图3）。

图3. 滴液法合成的单分散微球与Bulk法合成的多分散微球的粒径、Knox曲线和范氏曲线系数比较

此外，液滴合成法还能在宽范围内独立调控微球孔道尺寸。通过调节致孔剂（PEG）的含量和分子量大小以及单体（TMOS）的水解交联速率，可分别实现无孔、介孔、大孔和灌流孔道微球的可控制备，对于各类分离场景具有广泛的普适性。例如，蛋白质等大分子同时具有尺寸排阻和反相保留两种保留机制，对填料孔道尺寸的精准控制可实现色谱选择性的精确调控，乃至逆转洗脱顺序（图4）。

图4. 滴液法合成的具有一系列大孔结构微球的表征以及两种蛋白在不同大孔微球上分离与选择性的变化

除二氧化硅基质，有机硅（乙基桥联、苯基桥联二氧化硅）和过渡金属氧化物（Zr O ₂ 和Ti O ₂ ）材质的单分散微球制备均在此平台成功实现，并用于各类碱性药物、芳香烃及磷酸腺苷等对象的分离（图5）。

图5. 由不同前驱体合成的单分散微球的表征及色谱分离展示。a) 乙基桥联二氧化硅；b) 苯基桥联二氧化硅；c) 二氧化锆；d) 二氧化钛。

总结

综上所述，张博团队利用液滴微流体技术，成功实现高效分离材料的精准制造、高通量合成和多性能调控，此项研究将为绿色、精准的色谱科学与色谱工业发展奠定坚实的基础。

该工作近日发表于 Angewandte Chemie International Edition ，厦门大学 孙楷越 博士、 曾巨星 博士、刘娅博士和 周拙恒 博士为论文的共同第一作者，张博副教授为独立通讯作者。安徽皖仪科技张鑫博士、厦门宜柱科技王晓飞博士和布鲁塞尔自由大学Sebastiaan Eeltink教授提供了技术支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Microfluidic Precision Manufacture of High Performance Liquid Chromatographic Microspheres

Kaiyue Sun, Juxing Zeng, Ya Liu, Zhuoheng Zhou, Jikai Chen, Jiawei Chen, Xiangyu Huang, Fan Gao, Xin Wang, Xin Zhang, Xiaofei Wang, Sebastiaan Eeltink and Bo Zhang*

【材料】色谱微球精准制造

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