一种制备介孔二氧化硅核壳微球的方法与流程

本发明涉及一种制备二氧化硅核壳微球的方法，特别涉及一种制备表面介孔结构二氧化硅核壳微球的方法。

背景技术：

随着现代社会与科学技术的发展, 对复杂样品分离分析的要求越来越高, 特别是在食品安全、环境监测、药物开发、生命科学等领域。高效和快速分离分析始终是色谱工作者追求的目标。色谱技术发展历史表明，色谱填料颗粒从大到小变化是实现这一目标的主要推动力。近年来，基于亚2μm 填料的超高压液相色谱技术、基于核-壳型填料的快速分离技术等的发展使液相色谱技术进入了快速分析全新的时代。虽然亚-2μm的硅胶填料用于HPLC的快速分离显示出明显的优越性，但若通过进一步降低全多孔球形硅胶颗粒度来实现更高的分离效率则存在着很大的局限性。随着填料颗粒度的减小，柱压显著上升，必须与价格昂贵的超高压液相色谱仪配套使用。因此，如何既能保持小粒径填料高效快速分离的优势，又能降低背压，用常规的HPLC实现对复杂样品的高效快速分离分析是对分离科学家新的挑战。

目前使用整体柱和表面多孔核-壳填料色谱柱是解决上述难题的主要途径。但是硅胶整体柱存在径向不均一性，批次间重现性较差，机械稳定性较弱。对于聚合物基整体柱，存在在溶剂中柱体的溶胀问题，这些缺陷限制了整体柱的发展。核壳型色谱填料由于具有高柱效、高分辨和低背压等优点而得到了越来越多研究者的关注。核壳填料一般是由实心的核和多孔的壳层组成，内层实心的核不仅增加填料的机械稳定性，同时增加了色谱床层的渗透性和热传导性，最主要是的减小了溶质在填料中的分散路径，这些因素能减小范迪姆斯方程中的B项和C项，提高理论塔板数；而多孔的壳层增加了材料的比表面积，提高了柱效和分辨率。

目前核壳微球的制备方法主要有以下几种:

①层层自组装法(Layer-by-layer，LbL)。该方法可实现壳层厚度和孔径的控制，但制备过程繁琐、耗时费力、微球团聚严重、壳层包覆不均匀和壳层稳定性差等缺点、不利于规模化生产。虽然多层自主装技术的利用大大提高了制备速度，且具有更好的孔隙率，但仍无法改变其耗时费力的缺陷。

②脲醛树脂法。Chen等[W. Chen, T.C. Wei, US 2010/7846337] 将脲基改性的实心硅胶微球引入到聚合诱导胶体凝聚体系中，一步即可制备出核壳微球，但该方法制备的微球粒径分布较宽，需通过进一步筛分才能用于液相色谱填料，大大提高了生产成本。

③沉积法。是通过沉积作用将无机物沉积在核颗粒上，通过进一步水解等反应形成无机物壳层的一种方法，在一些反应中需加入偶联剂以协助无机材料在纳米粒子表面沉积。Ahmed et al等[A. Ahmed , H. Ritchie, P. Myers, Adv. Mater. 24 (2012) 6042-6048]采用“一锅煮”法制备了SOS(spheres-on-sphere)核壳型SiO₂复合微球，制备方法简单快捷，成本低。但由于该方法合成的微球孔径较小约1nm，溶质分子很难进入其孔径结构，仅靠大球表面堆积小粒径微球提供有效分离面积，大大影响分离效率。H. Dong和Min等[H.J. Dong, J.D. Brennan,J. Mat. Chem., 22 (2012) 13197-13203.Y . Min, B. Jiang, C. Wu, S.M. Xia, X.D. Zhang, Z. Liang, J. Chromatogr. A, 1356 (2014) 148-156]利用模板引导溶解和再沉积的方法成功制备出双层壳的核壳硅胶微球，该法成功解决了制备过程中的团聚和二次成核问题，制备出的核壳微球具有高度均一性。但该法制备的核壳微球的孔径一般在在5nm左右，必须经扩孔才能应用于生物大分子的分离分析。

④模板法。该方法是将固体硅胶核引入到溶胶-凝胶体系，通过不同碳链长度季铵盐为导向剂，诱导正硅酸乙酯(TEOS)的水解缩合产物覆盖在固体核表面，形成核壳结构，通过煅烧除去有机模板，得到表面多孔的核壳材料[S.B. Yoon, J.Y. Kim, J.H. Kim, Y.J. Park, K.R. Yoon, S.K. Park, J.S. Yu, J. Mater. Chem. 17 ( 2007) 1758-61.]。该方法简单快捷，条件温和，但制备出的核壳微球孔径尺寸仅为3nm，必须扩孔才能应用于生物大分子的分离分析。Ma Y等[Y. Ma ,L. Qi, J. Ma, Colloid. Surfaces. A, 229 (2003) 1-8]以三嵌段聚合物为制孔剂、CTAB为表面活性剂制备出孔径为9nm的核壳微球，但孔道结构为非开放性，大大降低在色谱应用中的有效表面积，影响分离效率，同时在制备过程中易出现团聚现象。

针对以上不足，本发明期望采用特定的共模板剂，通过模板剂间的协同作用一锅煮法一步制备得到具有较大放射性介孔结构的核壳微球，能够较大程度提高复合材料在吸附、催化和生物医药方面的应用，尤其是在色谱分析方面，无需进一步扩孔，即可用于有机小分子的分离分析，且具有较好的重复性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种以无孔二氧化硅微球为核，通过选择合适的共模板剂制备得到表面具有放射性结构并对有机小分子具有快速高效分离效果且孔径可调的介孔结构（4~20 nm）的二氧化硅核壳微球，以克服现有技术制备得到的介孔壳层孔径尺寸小（≈3 nm），或孔径结构为非放射性结构的不足。

本发明实现过程如下：

一种制备表面介孔二氧化硅核壳微球的方法，包括如下步骤：

（1）选用1-3 μm单分散无孔硅胶微球；

（2）将摩尔比为0.25 : 1～4 : 1的季胺盐B和季胺盐A分散剂分散到乙醇水溶液中，其中乙醇与水的体积比为0.5 : 1～2 : 1，

其中季铵盐A为：，n=11～19正整数，R₁为CH₃-、 CH₃CH₂-、CH₃CH₂CH₂-或CH₃CH₂CH₂CH₂-，X为Br或Cl；

其中季铵盐B为：，R₂为CH₃(CH₂)₇-、CH₃(CH₂)₈-，CH₃(CH₂)₉-或CH₃(CH₂)₁₀-，X为Br或Cl；

（3）将硅胶微球分散至水中，加入步骤（2）的混合液，用氨水调节pH值为7.5～10，再加入四乙氧基硅烷和/或四甲氧基硅烷溶液，反应结束后洗涤干燥，煅烧除去模板剂得到表面介孔二氧化硅核壳微球。

所述1-3 μm单分散无孔硅胶微球可购买或参考文献方法合成得到。

步骤（2）中，将摩尔比为0.3 : 1 ~ 1 : 1的季胺盐B和季胺盐A分散到乙醇水溶液中，其中乙醇与水的体积比为0.5 : 1～1 : 1。制备得到的二氧化硅壳层介孔孔径在4~20 nm。

步骤（3）中，硅胶微球：四乙氧基硅烷和/或四甲氧基硅烷的质量比为1 : 4 ~ 1 : 8。

步骤（3）中，煅烧温度为500 ~ 600°C。

本发明采用两种不同碳支链长度的季胺盐为共模板剂，制备得到了具有放射性结构的较大介孔结构的二氧化硅壳层。通过调节两种季胺盐模板剂的比例，季铵盐B进入季铵盐A胶束后增大了胶束的尺寸，达到扩孔的目的，实现介孔孔径在4~20 nm范围内可控，调节正硅酸乙酯(TEOS)的加入量实现壳层厚度在20~250nm范围内可控。

本发明采用阳离子型表面活性剂为模板剂，在溶液中首先形成表面带正电的球形胶束，球形胶束吸附在表面带负电荷的硅核微球表面，然后溶液中四乙氧基硅烷和/或四甲氧基硅烷水解缩合形成的带负电的硅胶寡聚物在静电力的作用下靠近季铵盐A和季铵盐B形成的胶束表面。在低浓度下，这些自由的硅胶寡聚物片段趋向于沉积在胶束和硅核结合处，这样能弱化胶束内部的静电斥力。同时有机溶剂分子分散到胶束内部能够减弱烷基链之间的相互作用，增加疏水部分的体积和降低它们的曲率。氨水促进胶束和硅胶寡聚物片段结合处形成氢键，有利于形成平行的介孔通道以降低胶束的曲率能量。在这三个方面的影响下，模板剂-硅胶寡聚物复合物的形状从球形转变为圆柱状。然后胶束开始又一轮的扩散和组装，新形成的硅胶寡聚物片段被胶束吸附并且发生交联，促进较大面积的膜朝着圆柱状胶束的纵向增长，也就是说朝着垂直硅核表面的方向增长，最后通过煅烧除去表面活性剂，最终形成开放性的通道。

本发明制备的核壳微球可应用于小分子的快速分离分析，具体将制备的表面多孔二氧化硅核壳微球经十八烷基三氯硅烷(ODS)改性后在反相色谱条件下对有机小分子快速分离分析。本发明所制备的表面多孔二氧化硅核壳微球，壳层具有放射性的较大介孔结构，能够较大程度提高复合材料在吸附、催化和生物医药方面的应用，尤其是在色谱分析方面，无需进一步扩孔，即可用于有机小分子的快速高效分离分析。

本发明的有益效果：

1、本发明采用两种不同碳支链长度的季胺盐为共模板剂，制备出具有较大放射性介孔结构的核壳微球，通过调节两种季胺盐模板剂比例，实现介孔孔径在4~20nm范围内可控；通过调节四乙氧基硅烷和/或四甲氧基硅烷的加入量实现壳层厚度在20~250 nm范围内可控；制备工艺简单，条件温和，易于控制和放大；

2、本发明表面多孔二氧化硅核壳微球是由实心的核和多孔的壳层组成，内层实心的核增加填料的机械稳定性，同时增加了色谱床层的渗透性和热传导性，最主要是的减小了溶质在填料中的分散路径，这些因素能减低范迪姆斯方程中的B项和C项，提高理论塔板数；而多孔的壳层增加了材料的比表面积，提高了柱效和分辨率，较大的介孔尺寸使核壳微球的壳层具有更好的通透性，装填的色谱柱的柱压较低，有利于实现对有机小分析的快速分离分析；

3、放射性介孔结构增加微球的有效比表面积，提高其在吸附、催化和分离分析中的应用。

附图说明

图1是本发明制备微米级表面多孔二氧化硅核壳微球的路线图；

图2是本发明所制备的无孔二氧化硅微球的扫描电镜图；

图3是本发明所制备的二氧化硅核壳微球的扫描电镜图；

图4是本发明所制备的二氧化硅核壳微球的透射电镜图；

图5是本发明所制备的二氧化硅核壳微球的BJH吸附和解吸等温线；

图6是本发明所制备的二氧化硅核壳微球的BJH吸附孔径分布图；

图7是本发明所制备的二氧化硅核壳微球经C18修饰改性后在反相色谱中对几种小分子的分离色谱图；色谱条件为：色谱柱规格：2.1×50 mm，流动相为60%乙腈：40%水；柱温为25 °C，流速0.6mL/min；检测波长为 254 nm，样品名称：1、苯甲醇；2、苯乙醇；3、苯丙醇；4、苯丁醇；5、苯戊醇；6、苯己醇；

图 8是商购的BEH-C18柱（ACQUITY, 1.7μm, 全多孔, NO：02053210315501）在反相色谱中对几种小分子的分离色谱图。色谱条件为：色谱柱规格：2.1×50 mm，流动相为60%乙腈：40%水；柱温为25 °C，流速0.6mL/min；检测波长为 254 nm，样品名称：1、苯甲醇；2、苯乙醇；3、苯丙醇；4、苯丁醇；5、苯戊醇；6、苯己醇。

具体实施方式

以下通过实例对本发明作进一步的描述：

实施例1 微米级表面多孔二氧化硅核壳微球的制备（图1）

（1）实心二氧化硅微球的制备

根据参考文献[H. Nakabayashi, A. Yamada, M. Noba, Y. Kobayashi, M. Konno, D. Nagao, Langmuir 26 (2010) 7512-7515]制备微米级二氧化硅实心微球，典型的方法为：A液配制：取干净试剂瓶，加入200-300 mL无水乙醇，适量的水和氨水以及适量的电解质，配成300 mL的混合溶液，超声10 min备用。

B液配制：将适量的TEOS加入与一定量的无水乙醇配成稀释的溶液，超声10 min备用。

将A液加入到1000 mL三口烧瓶，控制滴速在0.8 mL/min以内缓慢滴加B液，在适当温度下，在一定搅拌速度下反应，待TEOS滴加完毕，保持反应条件不变，继续反应3h。

反应结束后，先用离心机离心，3000 r/min离心5 min，用G₅的玻璃砂芯漏斗过滤，先用蒸馏水洗涤至中性，再用无水乙醇洗涤。放真空干燥箱50°C干燥12h。选择粒径为2.1μm微球为核，微球形貌见图2。

（2）表面多孔二氧化硅核壳微球的制备

取步骤（1）制备的0.1 g 实心硅胶微球分散到 40 mL去离子水中超声分散，然后将0.92 g 十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 和 0.28 g 三辛基甲基溴化铵 (TOMAB) 的模板剂分散到 80 mL 乙醇和水的混合液中（V_水:V_乙醇=1:1），超声分散均匀，然后加入到硅核悬浮液中，搅拌 30 min 后滴加 1 mL 的氨水（25 wt%）室温下搅拌 30 min，以 0.2 mL/min 的速度滴加 20 mL 的 TEOS 溶液（1-5 % 的乙醇溶液），滴加完毕后室温下反应 6 h。反应结束后，用去离子水和乙醇反复清洗所得产品。最后将所得产品在 60 °C下干燥 6 h，然后将所得产品放入马弗炉， 在 600 °C 下煅烧 10 h。平均孔径为4.26 nm。

实施例2

取实例1中实心硅胶微球0.1 g分散到 40 mL去离子水中超声分散，然后将0.74 g 十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 和 0.46 g 三辛基甲基溴化铵 (TOMAB) 的模板剂分散到 80 mL 乙醇和水的混合液中（V_水:V_乙醇=1:1），超声分散均匀，然后加入到硅核悬浮液中，搅拌 30 min 后滴加 1 mL 的氨水（25 wt%）室温下搅拌 30 min，以 0.2 mL/min 的速度滴加 20 mL 的 TEOS 溶液（1-5 % 的乙醇溶液），滴加完毕后室温下反应 6 h。反应结束后，用去离子水和乙醇反复清洗所得产品。最后将所得产品在 60°C下干燥 6 h，然后将所得产品放入马弗炉， 在 600°C下煅烧 10 h。所得核壳微球平均孔径为10.60 nm。

本发明制备的表面多孔二氧化硅核壳微球具有高度的单分散性，其壳层具有放射性的较大介孔通道，材料表征见图3-6。

实施例3

取实例1中实心硅胶微球0.1 g分散到 40 mL去离子水中超声分散，然后将0.54 g 十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 和 0.66 g 三辛基甲基溴化铵 (TOMAB) 的模板剂分散到 80 mL 乙醇和水的混合液中（V_水:V_乙醇=1:1），超声分散均匀，然后加入到硅核悬浮液中，搅拌 30 min 后滴加 1 mL 的氨水（25 wt%）室温下搅拌 30 min，以 0.2 mL/min 的速度滴加 20 mL 的 TEOS 溶液（1-5% 的乙醇溶液），滴加完毕反应后室温下反应 6 h。反应结束后，用去离子水和乙醇反复清洗所得产品。最后将所得产品在 60°C下干燥 6 h，然后将所得产品放入马弗炉， 在 600 °C下煅烧 10 h。平均孔径为6.37 nm。

实施例4

取实例1中实心硅胶微球0.1 g分散到 40 mL去离子水中超声分散，然后将0.35 g 十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 和 0.85 g 三辛基甲基溴化铵 (TOMAB) 的模板剂分散到 80 mL 乙醇和水的混合液中（V_水:V_乙醇=1:1），超声分散均匀，然后加入到硅核悬浮液中，搅拌 30 min 后滴加 1 mL 的氨水（25 wt%）室温下搅拌 30 min，以 0.2 mL/min 的速度滴加 20 mL 的 TEOS 溶液（1-5 % 的乙醇溶液），滴加完毕反应后室温下反应 6 h。反应结束后，用去离子水和乙醇反复清洗所得产品。最后将所得产品在 60°C下干燥 6 h，然后将所得产品放入马弗炉， 在 600 °C下煅烧 10 h。平均孔径为3.80 nm。

实施例5

与实施例1类似，不同的是仅使用季胺盐A为模板剂，取0.1 g 实心硅胶微球分散到 40 mL去离子水中超声分散，然后将1.2 g 十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 分散到 80 mL 乙醇和水的混合液中（V_水:V_乙醇=1:1），超声分散均匀，然后加入到硅核悬浮液中，搅拌 30 min 后滴加 1 mL 的氨水（25 wt%）室温下搅拌 30 min，以 0.2 mL/min 的速度滴加 20 mL 的 TEOS 溶液（1-5 % 的乙醇溶液），滴加完毕后室温下反应 6 h。反应结束后，用去离子水和乙醇反复清洗所得产品。最后将所得产品在 60 °C下干燥 6 h，然后将所得产品放入马弗炉， 在 600 °C 下煅烧 10 h。平均孔径为2.6 nm。

实施例6

与实施例1类似，不同的是仅使用季胺盐B为模板剂，取0.1 g 实心硅胶微球分散到 40 mL去离子水中超声分散，然后将1.2 g三辛基甲基溴化铵 (TOMAB) 分散到 80 mL 乙醇和水的混合液中（V_水:V_乙醇=1:1），超声分散均匀，然后加入到硅核悬浮液中，搅拌 30 min 后滴加 1 mL 的氨水（25 wt%）室温下搅拌 30 min，以 0.2 mL/min 的速度滴加 20 mL 的 TEOS 溶液（1-5 % 的乙醇溶液），滴加完毕后室温下反应 6 h。反应结束后，用去离子水和乙醇反复清洗所得产品。最后将所得产品在 60 °C下干燥 6 h，然后将所得产品放入马弗炉， 在 600 °C 下煅烧 10 h。平均孔径为3.1 nm。

实施例7 核壳微球在小分子快速分离中的应用

（1）核壳基质反相色谱柱的制备

首先对核壳微球进行酸处理，将微球用1:1盐酸120度回流3-4小时，冷却，然后用蒸馏水反复洗涤，直到溶液显中性，真空干燥过夜，使硅胶表面的硅羟基维持在一个合适的水平。对核壳微球表面进行了C18 改性，称取不同量的核壳微球在120 °C干燥6 小时后，加入对应于硅胶量的十八烷基三氯硅烷，然后在110°C油浴中回流6 小时。反应完成后，用G4 砂芯漏斗进行抽滤，依次分别用50 mL无水甲苯，甲苯，丙酮和甲醇洗涤，然后在65°C干燥。装柱过程如下，首先将键合有C18的核壳微球分散于甲醇溶液中，一般0.23 g填料能装填尺寸为5 cm ´ 2.1 mm i.d.的色谱柱。因为填料在甲醇中发生团聚，后将分散剂改为甲苯，填料可以很好地分散开。同时，以甲醇作为顶替液，装柱压力缓慢升至800 bar，保持1 h后静置泄压至零。

（2）反相核壳色谱柱对烷基苯同系物的快速分离分析

色谱条件：色谱条件为：色谱柱规格：2.1×50 mm，流动相为60%乙腈：40%水；柱温为25 °C，流速0.6mL/min；检测波长为 254 nm，样品名称：1、苯甲醇；2、苯乙醇；3、苯丙醇；4、苯丁醇；5、苯戊醇；6、苯己醇。色谱分离图见图7。

对照试验应用商购的BEH-C18柱（ACQUITY 1.7μm全多孔, NO：02053210315501）。色谱分离图见图8。