液相色谱填料粒径新极限

高效液相色谱 (HPLC) 是一种重要的分离工具，在许多领域都得到了广泛的应用。对于高效液相色谱来说，色谱填料必不可少，且其粒径大小和结构对分离效果有着根本的影响。当所使用的填料粒度减小时，HPLC系统将获得两个方面的益处，即更快的分离速度和更高的柱效。柱率的提高能进一步改善分辨率，获得更高的峰容量和更高的检测灵敏度。为了追求更快和更高效的分离，近几十年来通过减小色谱填料的粒径产生了几代经典色谱填料：10微米、5微米、3.5微米、全多孔亚2微米和表面多孔核壳结构的亚3微米色谱填料。后两者是目前的液相色谱分离中的行业标准。然而，由于流动相通过填充柱所需的压力与颗粒尺寸的平方成反比，更小的填料粒径意味着需要提供更高的压力，这不仅为色谱泵的输压能力而且为柱系统、连接管线和检测器等的耐压能力提出了挑战，因而使得纳米尺度上的填料颗粒在液相色谱分离中使用极具挑战。因此，一个有趣的公开问题是，液相色谱分离中的终极粒径是多少？

早在1975年, Halász等预测了HPLC中填料的最低粒径不会低于1微米。直到2002年该预言才被打破，Cintrón和Colón实现了670 nm的无孔有机硅在HPLC中的使用。该工作使用了能提供50,000 psi 压力的超高压输液泵，分离小分子化合物获得了~ 500,000 塔板/米的高柱效。之后，Wirth等报道了330 nm和470 nm无孔硅胶填充柱上的液相色谱分离。然而，由于反压太高只能制得1-4厘米长的色谱柱，因而未能展现出高的实用价值。介孔材料是一类具有高比表面，规则孔道的特殊材料，已在吸附、催化和分离等领域中受到广泛的关注。MCM-41、MCM-48和SBA-15等有序介孔材料已经在HPLC分离中展现出一定的潜力。但是，有序介孔材料填充为色谱柱时，并不能保证所有孔道朝一个方向排布，由于多路径效应而存在明显的涡流扩散，从而难以获得高柱效。更为重要的是，通过改进介孔材料的结构和形貌以实现纳米尺度色谱填料的使用的工作目前未见报道。

近日，南京大学化学化工学院生命分析国家重点实验室刘震教授（点击查看介绍）团队首次采用具有中心通透且辐射状孔径结构的单分散介孔硅纳米颗粒（粒径，170纳米；介孔，5.6纳米）作为柱填料，成功制备了纳米级色谱柱填料，实现真正的纳米级的色谱分离操作。该填料粒径是目前文献报道中的最小粒径。与其他纳米级球形填料相比，该技术制备的色谱柱具有更高的渗透率，可以使用常规HPLC压力泵即可装柱。并且所得色谱柱具有极高的柱效，在电色谱分离模式下，最高可达3,500,000塔板数/米，且能在高效下实现快速分离。为了展现该纳米填料的超强分离能力，利用填充了该纳米介孔材料的毛细管柱在电色谱模式下对细胞表面N-聚糖进行指纹分析。结果表面，癌细胞和正常细胞表面的N-聚糖得到良好分离，而且癌细胞展现出不同于正常细胞的特征N-聚糖，这为开发新的基于N-聚糖的癌症标志物奠定了基础。同时，作者指出，由于与该纳米级填料配套的仪器功能和硬件条件的缺乏，该填料目前还无法在超效液相色谱（UHPLC）模式下运行。为此，作者呼吁相关硬件上的技术创新，以促进该纳米级填料在超效液相色谱中的实际应用。

图1. 填充好后的色谱柱的表征，其中(a)为大视野扫描电镜（SEM）表征，(b)为局部放大的扫描电镜（SEM）表征，(c)为高分辨扫描电镜（SEM）表征，(d)为侧面显微镜照片。

图2. 用C8功能化的介孔材料填充毛细管有效地分离芳香族化合物。洗脱顺序：硫脲、甲苯、丙苯和丁苯。

图3. 不同细胞系5-氨基荧光素标记的聚糖的毛细管电色谱（CEC）色谱图绿色：荧光标记染料，浅灰条：仅在正常细胞上表达的N糖，暗条：在癌细胞和正常细胞上表达的N糖，浅蓝色条：仅在癌细胞上表达的N糖。

这一成果近期在线发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，文章的第一作者是南京大学博士研究生郭展辰和已毕业博士生陈阳，化学化工学院的刘震教授为论文的通讯作者。

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Dendritic Mesoporous Silica Nanospheres: Toward the Ultimate Minimum Particle Size for Ultraefficient Liquid Chromatographic Separation

Zhanchen Guo#, Yang Chen#, Shuangshou Wang, Jilei Pang, and Zhen Liu*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 22970–22977, DOI: 10.1021/acsami.1c03985

刘震教授简介

南京大学特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。1998年于中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。2000-2002年，日本兵库大学日本学术振兴会（JSPS）特别研究员；2002-2005年，加拿大滑铁卢大学博士后。2005年获聘南京大学教授，2006年起任博士生导师，2008年入选教育部“新世纪优秀人才”， 2011年-2014年任加拿大滑铁卢大学工程学院兼职教授，2014年获国家杰出青年科学基金，2016年入选江苏省“333高层次人才”（第二层次）。中国化学会高级会员、美国化学会会员，兼任国际分子印迹学会理事会理事、中国质谱学会常务理事、中国化学会质谱专业委员会委员、中国生物化学与分子生物学会蛋白质组学专业委员会委员、《Analytica Methods》副主编、《Electrophoresis》、《Separation Science Plus》、《科学通报》、《分析化学》、《质谱学报》和《色谱》等杂志编委。主要从事分子识别、亲和分离、疾病诊断、单细胞分析和癌症纳米治疗等研究，主持国家重大科研仪器项目和基金委重点项目等国家级科研项目10余项，已在Chemical Society Review，Accounts of Chemical Research，Angewandte Chemie International Edition，Nature Protocols，Chemical Science等期刊上发表论文150余篇，目前h因子49（谷歌学术），主编及合著著作2部，出版专章7章，获授权专利15项。2011年和2017年先后获中国分析测试协会科学技术奖一等奖共2次，2016年获Phenomenex & Analytical Scientist联合颁发的科学人文奖银奖，2020年荣获美国化学会测量科学进展讲座奖。

刘震

https://www.x-mol.com/university/faculty/67633 

课题组网址

http://hysz.nju.edu.cn/liuzhen/