在色譜科學(xué)領(lǐng)域，有這樣一道困擾學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界數(shù)十年的經(jīng)典難題：如何在同一材料中，既實現(xiàn)微米級外形的完美球形與單分散性，又構(gòu)建納米級內(nèi)部的有序孔道結(jié)構(gòu)？

近日，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張博教授課題組給出了一種突破性的答案。他們發(fā)展的TiTAN（Template-in-Template Assembly Nanostructuring）雙模板雙精準(zhǔn)微納合成策略，首次實現(xiàn)了在單分散色譜微球內(nèi)部精準(zhǔn)構(gòu)筑有序介孔結(jié)構(gòu)，為色譜分離介質(zhì)的發(fā)展開辟了全新路徑。這一成果堪稱色譜填料領(lǐng)域的“2.0時代”里程碑。

TiTAN策略：兩種模板的精密“合奏”

張博教授課題組在前期微流體精準(zhǔn)制造色譜材料的工作基礎(chǔ)上，提出并發(fā)展了TiTAN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)向劑膠束模板通過自組裝相結(jié)合，實現(xiàn)了兩種模板的協(xié)同作用：液滴模板控制微球的微米級形貌，保證其單分散性；膠束模板則在液滴內(nèi)部自組裝，形成有序的納米級介孔結(jié)構(gòu)。

利用該方法制備的微球，粒徑變異系數(shù)（CV）約為3%，展現(xiàn)出優(yōu)異的單分散性。更重要的是，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的種類和用量，可以在微球內(nèi)部成功構(gòu)建二維六方、體心立方、面心立方及立方雙螺旋等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，還能實現(xiàn)對孔徑的連續(xù)精細調(diào)控，范圍覆蓋4.4至8.4納米，調(diào)控分辨率高達2埃。

性能飛躍：柱效提升近50%，攻克多個分離難題

這種新型有序介孔硅膠微球（OMP）經(jīng)C18鍵合后，展現(xiàn)出的色譜動力學(xué)性能。其低折合塔板高度（hmin）達2.78，較傳統(tǒng)全多孔填料（TPP）柱效提升近50%；對丁苯的保留因子（k）高達19.2，保留能力顯著增強（圖1）。

圖1 有序介孔微球與全多孔微球的性能比較

一個長期存在的“魚與熊掌”難題

理想的色譜分離材料，應(yīng)當(dāng)兼具兩重特質(zhì)：外部形貌的高度均一，確保流動相通過的均勻性，從而獲得高效分離；內(nèi)部孔道的高度有序，提供快速傳質(zhì)通道和充分的比表面積。

然而，現(xiàn)有的合成方法始終難以“兩全”。能夠構(gòu)筑內(nèi)部有序納米結(jié)構(gòu)的方法，如金屬有機框架、共價有機框架、有序介孔硅等，往往難以在微米尺度制備球形外觀的單分散微球；而能夠制備完美球形顆粒的技術(shù)，如種子溶脹、乳液法等，又通常無法引入有序的納米孔道。這一外部形貌與內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以跨尺度精準(zhǔn)控制的瓶頸，長期以來制約著色譜科學(xué)的進步和分離介質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在具挑戰(zhàn)性的“關(guān)鍵物質(zhì)對”分離中，新型材料的優(yōu)勢更加凸顯（圖2）：對于多環(huán)芳烴混合物，在等度分離條件下成功實現(xiàn)16種標(biāo)準(zhǔn)品的完全分離，其中難分離物質(zhì)對苯并(b)熒蒽與苯并(k)熒蒽的分離度達1.77（圖2-a,b,c）；對于二甲苯異構(gòu)體，在常規(guī)C18色譜條件下，首次于15厘米短柱上實現(xiàn)了鄰、間、對二甲苯的基線分離（圖2-d,e,f），這一成果打破了長期以來分離二甲苯異構(gòu)體需要特殊色譜柱或長柱的慣例。更令人驚嘆的是，對于理化性質(zhì)極為接近的同位素取代分子——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，分離度達1.51（圖2-g,h,i）。這充分展現(xiàn)了新型材料超高的分離效率與分辨能力。

圖2. 單分散有序介孔微球色譜分離關(guān)鍵物質(zhì)對

“色譜2.0”：從經(jīng)驗走向精準(zhǔn)設(shè)計

張博教授團隊的這一突破，其意義遠不止于一種新材料的誕生。它標(biāo)志著色譜分離介質(zhì)的制造，正從傳統(tǒng)的“經(jīng)驗摸索”走向“精準(zhǔn)設(shè)計”。

期以來，色譜填料的性能提升主要依賴于配方和工藝的優(yōu)化，難以實現(xiàn)對材料結(jié)構(gòu)的獨立調(diào)控。而TiTAN策略首次實現(xiàn)了外部形貌與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“解耦”調(diào)控——研究者可以獨立優(yōu)化微球的粒徑和均一性，同時獨立設(shè)計孔道的構(gòu)型和尺寸。這為系統(tǒng)研究孔道結(jié)構(gòu)對色譜分離過程的影響提供了強大平臺，也為面向不同應(yīng)用場景的色譜材料定制化設(shè)計開辟了可能。

從小分子化學(xué)品、藥物分子的高效分析，到生物大分子的分離純化，新型有序介孔色譜材料有望在多個領(lǐng)域帶來性能躍升。更重要的是，TiTAN策略所代表的微納精準(zhǔn)制造理念，或?qū)⒁I(lǐng)色譜填料乃至整個分離介質(zhì)產(chǎn)業(yè)進入一個新的發(fā)展階段。正如研究者所言，這一突破“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)用場景的色譜材料的合理設(shè)計和精密制造提供了重要基礎(chǔ)”。在色譜科學(xué)邁向“2.0時代”的進程中，這無疑是具有里程碑意義的一步。