核壳球形材料的专利技术发展综述

谷雨+陈达

摘要本文从专利角度介绍了核壳球形材料的发展情况以及研究方向，并对核壳材料的主要申请人、发展历程和合成方法作介绍。

关键词核壳；球形材料；合成

1核壳球形材料简介

为了同时满足低传质阻抗和高分离效率，核壳型材料的概念被提出，它由坚硬的内核和多孔外壳组成，待分析物进入核壳型材料填充的色谱柱后，只需单纯通过环绕在填料颗粒表面的薄的多孔壳层。这比通过整个全多孔填料颗粒的扩散要快，待分析物在填料颗粒孔道和流动相二者之间的平衡时间得以减少，即减少传质阻抗。核壳型结构材料的构想最初由Horvdth于1960年提出，至2006年，AifiT公司成功合成了核壳型的固定相，掀起了新一轮的研究热潮。

2核壳球形材料专利申请

核壳型颗粒的概念于40年前提出，这一类材料约30～50μm，可用于离子交换色谱。直至近5年来，学术界才开始对核壳材料掀起新一轮热潮，特别是2006年研发出了2.7μm Halo填料的核壳颗粒，专利申请量稳步上升。就专利申请的国别来说，中国申请量占据较大部分。日本美国等色谱巨头公司在研究上也占优势，参见.图1。

3核壳材料的发展历程

第一代核壳填料诞生于20世纪中期，以37～50μm的Corasil I和Corasil II

Zipax和50 μm的Pellicosil为代表。核壳型颗粒逐渐变小，有活性的壳层缩短至0.5μm，被用于蛋白质和肽类的快速分离，商品柱引入了3种新生代精密的核壳填料：Poroshell，Halo（W02007/095158A3）和Kinetex。對于聚苯乙烯样品的分离来说，随着待分析物分子量增加，Poroshell核壳柱比一般的全多孔色谱柱柱效降低得更慢。2006年Advanced Material Technologies公司研发出了2.7μm的Halo核壳颗粒（W02007/095158A3），带来了核壳颗粒真正成功。1.7μm内核与0.5μm厚的多孔外壳的构型可以有效克服低载样量的缺陷，壳层占据颗粒75%的体积。2009年Phenomenex公司研发出了2.6μm核壳颗粒和1.7μmKinetex颗粒填料，对于中等分子量的化合物其范式方程曲线较为平缓。相比于不足2μm的全多孔型颗粒和其他较厚壳层的核壳型填料，Kinetex核壳填料柱在高的线速度条件下亦可表现出高效的分离性能，且柱长在5cm～25cm的范围，理论塔板数较好。近年来也研究了有着不同内核外壳比例的相同型号颗粒：2011年Agilent公司研发出了新型的2.7μm Poroshell 120，Advanced MaterialTechnologies公司相继推出第二代2.7μmHalo-ES-肽类核壳颗粒，它在分离肽类和小分子化合物方面有着很好的性能，理论塔板数与3～4μm的全多孔颗粒类似。

4核壳材料的合成机理

核壳结构颗粒由内核与外壳组成，通常由两步反应合成。首先合成内核，再合成外壳。合成方法有沉降法、喷雾干燥法、聚合法和多层自组装法。

喷雾干燥法（U.S.Patnet

Publ.№.2007/0189944AI）中将无孔硅胶颗粒或内核与硅胶溶胶混合，高温高压下喷雾。多层组装法是指坚硬的硅胶内核通过电荷相吸原理被带电胶质颗粒或聚合物的外层包裹，通过变换包裹的层数来得到一定大小的颗粒用传统的方法制备出的单分散硅胶微球是最常见的核壳颗粒反应种子，介孔的外壳即可随后在硅球表面形成，外壳最常用的的基质也是硅胶。核壳结构颗粒的种子多为不足2μm的无孔球形单分散硅胶颗粒，它可由经典的Stober法合成。一般的合成路线为：将无孔硅胶颗粒分散在醇水混合系统中，加入氨水创造碱性环境，使得无孔硅胶表面的硅醇基带负电，加入阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合溶液之后，C18TA依靠静电吸附作用与无孔硅胶结合，硅源则在吸附了表面活性剂的无孔硅胶表层水解缩合形成壳层。将所得产物离心，并作为下一步反应的种子颗粒，重复几次直到得到所需厚度的壳层。酸性乙醇或高温煅烧去除模板剂，得到含有多层壳层的核壳颗粒。反应中可以根据需要调整反应物种类和浓度、反应温度和反应时间。对于小于2μm的内核，得到的颗粒表面球形形貌不佳。

5结论

本文对色谱填料中的新趋势一核壳型色谱填料的技术发展进行了梳理，阐述了这一方面的专利申请的全球发展趋势、在各国的分布情况。为达到更好的理论塔板数和柱效，合成出具有规则均一球形形貌的核壳颗粒，更利于色谱分离分析的比表面积、孔率孔径和官能团附着量将是核壳色谱填料研究的重心，尤其是在蛋白质组学分析和快速色谱分析方面。因此，了解这一技术领域的专利发展情况无论对于专利的审查以及企业的发展方向都具有一定的指导作用。endprint