具有精确控制的颗粒密度的表面多孔颗粒及其准备和使用方法

具有精确控制的颗粒密度的表面多孔颗粒及其准备和使用方法
【专利说明】具有精确控制的颗粒密度的表面多孔颗粒及其准备和使用 方法
[0001] 优先权声明及相关应用
[0002] 本申请要求于2013年7月2日递交的、美国临时申请No. 61/842,007的权益，其 全部内容被通过引用结合于此。
技术领域
[0003] 本发明一般地涉及金属氧化物颗粒。更具体地，本发明涉及具有精确控制的颗粒 密度的表面多孔金属氧化物颗粒，并且涉及其准备和使用的方法，还涉及具有表面多孔颗 粒的分离装置（例如，高压液相色谱）。
【背景技术】
[0004] 近来，表面多孔颗粒由于其在分离效率中的特殊特性和改进吸引了广泛关注。表 面多孔金属氧化物（特别是氧化硅颗粒）被用于将混合的物质彼此间进行分离的色谱柱。 这些颗粒具有无孔、实心的核，外部是多孔壳。使用表面多孔氧化硅颗粒的高压液相色谱 (HPLC)柱允许更短的传质距离，导致比传统柱更快的传质和分离。
[0005] 准备表面多孔氧化硅颗粒的各种方法已经被报导（美国专利公开 No. 2007/0189944A1)。第一种方法是喷雾干燥方法，其中，实心氧化硅颗粒或核与硅溶胶 进行混合。混合物在高压下通过喷嘴被喷射到高温（例如，200°C)的干燥塔中。不幸地， 该方法所准备的颗粒经常被不完全地或不均匀地包覆。这些颗粒还总是包含来自溶胶的、 不想要的具有相似尺寸的全多孔颗粒的极浓聚物。该产品的淘洗分离经常不能将全多孔颗 粒移除，使得喷雾干燥方法对于生产想要的表面多孔颗粒不是最优的。此外，喷雾干燥方法 只可以制造尺寸大于5μπι的颗粒，主要在30μπι到100μπι范围内，并且这些颗粒倾向于具 有宽的粒径分布。
[0006] 第二种传统的方法是多层方法，在该方法中通过将电性相反的纳米颗粒层和包括 氨基功能组的聚合物层进行交替，实心的（即，无孔的）氧化硅核被反复地包覆胶体颗粒 层，直到颗粒达到想要的尺寸（美国专利No. 3, 505, 785 ;美国专利公开No. 2007/0189944 A1)。该过程是劳动密集型的并且很难实现。当该方法被应用在尺寸小于2μm的小核上时， 最后的颗粒表面倾向于变得更非球形并且更粗糙。该过程生成许多不同类型的聚合颗粒， 从而使想要的颗粒产量亏损。
[0007] 第三种传统的方法涉及凝聚。在该方法中，实心的（S卩，无孔的）氧化硅球体在酸 性条件下被悬浮在包括尿素、甲醛和胶体硅溶胶（colloidalsilicasol)的凝聚反应混 合物中。因此，尿素-甲醛聚合物和超纯硅溶胶的凝聚层被形成，并且被包覆在实心球上 (Kirkland2000J.ChromatographyA890,3_13)。然后，尿素-甲醛聚合物通过在 540°C煅 烧而被移除。然后，颗粒通过在高温下烧结而被强化。对比于以上所描述的多层方法，该过 程更简单并且更实用。然而，凝聚方法具有其缺点。一个缺点是某些实心颗粒经常未被包 覆，从而在成品中存留无孔的颗粒。另一缺点是更小的、全多孔的颗粒连同被包覆和未被包 覆的颗粒形成，从而还需要对全多孔颗粒和表面多孔颗粒进行进一步分类。
[0008] 因此，准备表面多孔氧化硅颗粒的传统方法均将实心氧化硅纳米颗粒用作构建模 块，在该构建模块上添加外部多孔壳。因此，多孔壳具有随机分布的孔，这些孔具有宽的孔 径分布。孔径主要由氧化硅纳米颗粒的尺寸控制，并且弯曲的孔道由这些纳米颗粒如何随 机地聚合来确定。这些具有实心核和多孔层的表面多孔颗粒的颗粒密度通常在1.5cm3/g 到1. 7cm3/g之间，这远高于全多孔颗粒的颗粒密度0. 8cm3/g到1. 2cm3/g。高的颗粒密度 主要归因于拥有70vol. %到80vol. %的颗粒的实心核。此外，由于通常较高的薄膜传质阻 力，因此所得到的粗糙的外部颗粒表面限制了使用这些颗粒的色谱柱在高流速的性能。由 于在组装过程中颗粒之间的摩擦力增加，因此粗糙的表面还限制了组装密度（Gritti等， 2007J.Chromatogr.A1166,30-46)〇
[0009] 当在分离柱中被用作固相时，色谱性能主要与色谱柱被组装地多好有关。有效的 组装技术是使用密度接近全多孔氧化硅颗粒密度的泥浆溶剂。因此，在色谱柱组装过程 中倾向于不安置颗粒。一般地，更高的组装压力还被发现既有利于性能也有利于稳定性 (Kirkland2006J.ofChromatographyΑ·1126,50)。由于表面多孔颗粒的颗粒密度高，因 此，组装表面多孔颗粒是更难的。不仅难于发现匹配颗粒密度的高密度溶剂，而且需要承受 更高的组装压力的牢固的颗粒。
[0010] 因此，需要制造具有窄的粒径分布、窄的孔径分布、高的比表面积的表面多孔氧化 硅颗粒的多孔外层，以用于在色谱条件下更快分离、更低色谱柱压降和更高效率，也在高ΡΗ值处具有稳定性并具有好的机械强度。

【发明内容】

[0011] 本发明部分地基于独特的表面多孔颗粒，该表面多孔颗粒具有中空核和精确控制 的、可调的颗粒密度。表面多孔氧化硅颗粒特征还在于窄的粒径分布、窄的孔径分布、高的 比表面积和多孔外层。
[0012] 这些新的颗粒理想地适用于在色谱条件下更快的分离、更低的色谱柱压降和更高 的效率、在高ΡΗ值处的稳定性以及卓越的机械强度。
[0013] 在一方面，本发明一般地涉及多个表面多孔颗粒。每个表面多孔颗粒包括：中空 核、无孔内壳和充分多孔的外壳。中空核半径的范围为完整颗粒半径的大约20%到大约 90%。颗粒中值尺寸的范围从大约0.5μπι到大约100μπι，其中，粒径分布（一个标准差） 不多于中值粒径的15% ;颗粒的比表面积从大约5m2/g到大约1000m2/g。颗粒包括从氧化 硅、氧化铝、氧化钛或氧化锆中选择的金属氧化物。
[0014] 在另一方面，本发明一般地涉及用于制造表面多孔颗粒的方法。该方法包括：提供 多个单分散的聚合物颗粒；形成包覆聚合物颗粒的多孔氧化硅内壳；形成包覆无孔氧化硅 内壳的表面多孔氧化硅外壳；将多个聚合物颗粒移除以形成中空核；并且将多孔氧化硅内 壳煅烧以形成无孔氧化硅内壳。
【附图说明】
[0015] 图1示出了本发明的实施例的表面多孔颗粒的示意图。
[0016] 图2示出了单分散的聚合物颗粒的扫描电子显微镜（SEM)图像。
[0017]图3示出了在单分散的聚合物颗粒之上具有氧化硅层的增长颗粒的SEM图像。
[0018] 图4示出了在烧除表面活性剂和聚合物核之后的氧化硅包覆的颗粒的SEM图像。
[0019] 图5示出了具有中空核的最终表面多孔颗粒的TEM和FIB-SEM(聚焦离子束扫描 电子显微镜）图像。
【具体实施方式】
[0020] 本发明提供了独特的表面多孔颗粒，该表面多孔颗粒具有中空核和精确控制并且 可调的颗粒密度。这些颗粒特征还在于窄的粒径分布、窄的孔径分布、高的比表面积和多孔 外层。
[0021] 本发明的表面多孔颗粒理想地适用于在色谱条件下更快的分离、更低的色谱柱压 降和更高的效率、在高PH值处的稳定性以及卓越的机械强度。
[0022] 由于中空核、无孔内壳和表