2025年，盛瀚牽頭國家重點研發(fā)計劃“高可靠高靈敏在線離子色譜分析儀"項目，聯(lián)合廈門大學(xué)等高校院所構(gòu)建“產(chǎn)學(xué)研用"創(chuàng)新體系。廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張博教授團隊在色譜分離材料領(lǐng)域取得突破性進展，發(fā)展出一種可同時精準(zhǔn)調(diào)控微球形貌與內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)的TiTAN 微納合成新策略，成功制備出高性能單分散有序介孔色譜微球，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際頂級期刊Nature Communications。

研究背景

在色譜科學(xué)領(lǐng)域，兼具優(yōu)異單分散球形形貌和有序介孔結(jié)構(gòu)的分離材料，是實現(xiàn)高效、高分辨分離的理想介質(zhì)。然而，現(xiàn)有的體相合成方法難以同時實現(xiàn)微米級的外部形貌（球形度、單分散性）與納米級的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（孔道構(gòu)型、孔徑大小）的獨立精準(zhǔn)調(diào)控。這是因為，一方面，能夠構(gòu)筑內(nèi)部有序納米結(jié)構(gòu)（如金屬有機框架（MOF）、共價有機框架（COF）、有序介孔硅等）的方法往往難以在微米尺度制備球形外觀、單分散的微球材料，無法獲得高效分離；另一方面，能夠制備微米尺度完美球形顆粒的合成技術(shù)（如種子溶脹、乳液法）通常無法引入有序的納米孔道，制約了分離過程的傳質(zhì)效率。這一外部形貌與內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以跨尺度精準(zhǔn)控制的經(jīng)典問題，大大限制了色譜科學(xué)的進步和分離介質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

研究內(nèi)容

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張博教授課題組在前期微流體精準(zhǔn)制造色譜材料工作的基礎(chǔ)上（Angew. Chem.Int. Ed. 2025, 64, e202418642; Anal. Chem.2025, 97, 10972-10977; Anal. Chem.2025, 97, 10149-10154; Anal. Chem. 2025, 97, 5014–5021; Anal. Chem.2024, 96, 3989-3993; Anal. Chem.2022, 94, 8126-8131; Anal. Chem. 2021, 93, 8450-8458），進一步提出并發(fā)展了一種雙模板雙精準(zhǔn)（TiTAN: Template-in-Template Assembly Nanostructuring）微納合成新策略。該策略將微流控液滴模板與結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑膠束模版通過自組裝相結(jié)合，首次實現(xiàn)了在單分散色譜微球內(nèi)部精準(zhǔn)構(gòu)筑有序孔道結(jié)構(gòu)。

圖1 單分散有序介孔色譜微球的TiTAN合成與表征

TiTAN策略通過液滴模板控制微球形貌，同時在液滴內(nèi)部利用結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑自組裝形成有序介孔，實現(xiàn)了單分散微球形貌與內(nèi)部有序介孔結(jié)構(gòu)的獨立精準(zhǔn)調(diào)控（圖1）。利用該方法制備的微球具有優(yōu)異的單分散性（CV ~3%）。

圖2 有序孔結(jié)構(gòu)單分散微球的結(jié)構(gòu)表征

通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑種類和用量以及水熱合成的條件，可以對有序介孔的孔構(gòu)型和參數(shù)（孔徑、比表面積和孔隙體積）進行調(diào)節(jié)。使用不同的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，在微球內(nèi)部成功構(gòu)建得到二維六方（圖1c）、體心立方、面心立方及立方雙螺旋等（圖2）多種高度有序的介孔納米結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)水熱處理的溫度和時間，實現(xiàn)了對孔徑連續(xù)、精細(xì)的調(diào)控（4.4–8.4 nm），分辨率高達(dá)2 ?（圖3）。

圖3 TiTAN合成有序介孔微球中孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的自由調(diào)節(jié)

所制備的有序介孔硅膠微球（OMP）經(jīng)C18鍵合后，展現(xiàn)出卓越的色譜動力學(xué)性能：其最低折合塔板高度（hmin）達(dá)2.78，較傳統(tǒng)全多孔填料（TPP）柱效提升近50%；同時保留能力顯著增強，對丁苯的保留因子（k）高達(dá)19.2（圖4）。

圖4 有序介孔微球與全多孔微球的性能比較

此外，有序介孔色譜材料在分離極具挑戰(zhàn)性的“關(guān)鍵物質(zhì)對"時表現(xiàn)突出（圖5）。對于多環(huán)芳烴（PAHs）混合物，在等度分離條件下成功實現(xiàn)16種標(biāo)準(zhǔn)品的分離，其中難分離物質(zhì)對苯并(b)熒蒽與苯并(k)熒蒽的分離度（Rs）達(dá)1.77。對于二甲苯異構(gòu)體，在常規(guī)C18色譜條件下，首次于15 cm短柱上實現(xiàn)了鄰、間、對二甲苯的基線分離。甚至對于理化性質(zhì)極為接近的同位素取代分子，如苯與氘代苯，亦可在55分鐘內(nèi)在同一短柱上實現(xiàn)基線分離（Rs = 1.51），展現(xiàn)了超高的分離效率與分辨能力。

圖5 單分散有序介孔微球色譜分離關(guān)鍵物質(zhì)對

總結(jié)與展望

張博教授團隊發(fā)展的TiTAN微納合成策略，突破了分離介質(zhì)形貌與結(jié)構(gòu)難以同時調(diào)控的經(jīng)典合成難題，為研究孔道結(jié)構(gòu)對色譜過程的影響提供了強大平臺，也為面向多種應(yīng)用場景（如小分子化學(xué)品、藥物分子到生物大分子分離）的色譜材料的合理設(shè)計和精密制造提供了重要基礎(chǔ)。

該研究成果近期發(fā)表于Nature Communications。廈門大學(xué)曾巨星博士后、博士生曹漢宸、孫楷越博士和藥明康德公司周拙恒博士為論文共同第一作者，廈門大學(xué)張博教授為獨立通訊作者。

導(dǎo)師介紹

張博

https://chem.xmu.edu.cn/info/1258/5133.htm

課題組網(wǎng)站

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原文鏈接

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