用于液相色谱的多孔颗粒以及其制备方法
【专利摘要】提供了表面多孔型二氧化硅颗粒以及一种用于制备这些表面多孔型颗粒的一锅法，该方法包括使一种包含官能团的二氧化硅前体水解并且缩合以形成表面多孔型颗粒，这些表面多孔型颗粒包括二氧化硅微颗粒，这些二氧化硅微颗粒具有结合到这些微颗粒表面上的二氧化硅纳米颗粒。这些纳米颗粒在微颗粒上提供了一个多孔外层。这些表面多孔型颗粒可用作液相色谱中的固定相并且允许样品的快速质量传递和分离。
【专利说明】用于液相色谱的多孔颗粒以及其制备方法
发明领域
[0001]本发明涉及液相色谱的领域。本发明进一步涉及在填充液相色谱柱中用作一种固定相的多孔颗粒，并且涉及用于制备这些多孔颗粒的方法。
[0002]发明背景
[0003]液相色谱(LC)柱已经得到广泛发展，并且常规地用于分析型以及制备型色谱中。一种包括多种组分的混合物的样品(也称为分析物或溶质)在色谱柱中的分离是通过将该样品溶解于一种液体流动相中并且使该流动相通过一种典型地填充在一个管状柱中的固定相来实现的，从而使该样品由于不同组分在该流动相与固定相之间的不同分配(即，这些组分具有不同的分配系数)而分离成其多个组分。在液相色谱中，固定相典型地是以填充在柱内的颗粒床的形式。本发明涉及此类所谓的填充柱。
[0004]通常使用二氧化硅颗粒作为固定相床。非多孔二氧化硅颗粒具有低的样品容量。因此，通常使用多孔二氧化硅颗粒，这些多孔二氧化硅颗粒含有孔网络以增大固定相的表面积并且因而改善分离能力。这些孔隙可以是小于2nm尺寸的微孔、2nm至50nm的介孔、或大于50nm的大孔。已存在减小这些多孔颗粒的尺寸来改善分离的动力学以及分辨率的趋势，但这以增大工作压力为代价。多孔颗粒还可以具有过大颗粒尺寸分布，这限制了峰分辨率。已经使用所谓的表面多孔型颗粒(即只在其表面为多孔的颗粒)来作为其中孔隙贯穿颗粒的本体而延伸的全多孔型二氧化硅颗粒的替代方案。这些使得能够使用合理的工作压力，但仍然具有高的分辨率。 它们还提供了窄颗粒尺寸分布的可能性。表面多孔型颗粒包括一个具有多孔壳的非多孔核。该多孔壳导致短的质量传递距离并且因此导致快速的质量传递以及快速的样品分离。这对于大型生物分子(例如像蛋白质)的分离是重要的。在来自安捷伦(Agilent)的Poroshell?柱以及来自赛默飞世尔科技(Thermo Scientific)的Accucore?柱中用于HPLC的表面多孔型颗粒是可商购的。
[0005]在US3，505, 785所描述的一种已知方法中，表面多孔型二氧化硅颗粒是通过在充当实心核的非多孔二氧化硅微球的表面上的二氧化硅胶体多层包覆层制备的。描述了两层与三十层之间的胶体颗粒。这种排列是由表面相容性引起的，并且在某些情况下，必需进行二氧化硅颗粒的表面预处理或改性来引起相互作用。由于单独地制备实际的核以及壳颗粒，接着进行核包覆步骤，这种方法相当复杂。由于必须在分开的步骤中施加每一层，这种方法还是一个很长的过程，并且难以再现最终的表面多孔型颗粒尺寸以及尺寸分布。
[0006]制备表面多孔型二氧化娃的另一种方法是在J.J.Kirkland, F.A.Truszkowski,以及 C.H.Dilks Jr, G.S.Engel,色谱杂志 A (Journal of Chromatography A), 890 (2000) 3-13中描述的一种凝聚法，其中用一种聚合物和硅溶胶的凝聚层来包覆实心的(即非多孔的)二氧化硅微球，随后通过高温下加热来去除该聚合物。然而，这种多级工艺具有另外的缺点，这些缺点在于一些核颗粒可能没有被包覆而留下非多孔颗粒并且可能形成一些全多孔型颗粒。类似地，在本申请的 优先权日:之后公开的W02012/018598描述了由至少一种两步合成形成的表面多孔型颗粒，其中首先合成有种子的二氧化硅颗粒或其他颗粒，并且然后在其顶部生成多孔层。[0007]以上这些工艺采用在二氧化硅微颗粒表面上的多孔层作为表面多孔型颗粒的基底。US2010/0051877A中描述的另一种方法涉及二氧化硅微颗粒表面的假形貌(pseudomorphic)转换。在该过程期间，将核颗粒的外层溶解并且再沉淀以在表面上形成一个多孔层。然而，该工艺要求在第一反应中形成核颗粒并且然后将其回收以便在进一步的反应中对其进行处理来进行表面的假形貌转换从而形成表面多孔型颗粒。如此，该工艺就过长的制备时间以及再现性而言存在缺点。必须首先生长核，对其进行检验以便进行质量控制并且然后将其分级，这会花费几个星期。然后必须使壳逐渐形成在核上并且生长至给定厚度。这样做时，颗粒尺寸改变并且颗粒尺寸分布变宽，可能需要进一步分级，这又可能花费几个星期。
[0008]常规地，二氧化硅微颗粒本身是用Stdber法(W.Stober, A.Fink, E.Bohn，胶体与界面科学杂志(Journal of Colloid and Interface Science)，第 26 卷，第 I 期，1968,第62-69页)的多种变体来制备的，其中向含有一种醇(诸如乙醇)以及氨的过量的水中加入原硅酸四乙基酯(TEOS)。TEOS的水解以及缩合产生二氧化硅颗粒。
[0009]在Lee 等人，朗缪尔(Langmuir)，2007，23 (22)，第 10875-10878 页；Lee 等人，微孔与介孔材料(Microporous and Mesoporous Materials), 2001, 50,第 77-90 页以及 Lee 等人，朗缪尔，2011，27 (7)，第3372-3380页中早已描述了使用巯基硅烷类代替TEOS作为前体二氧化硅源来产生多孔、单分散的二氧化硅微颗粒。一般来说，发现增大巯基硅烷的浓度使颗粒尺寸增大。另一方面，增大碱浓度使颗粒尺寸减小。那些研究中报道的二氧化硅微颗粒是多孔的并且大多是光滑的，即没有报道任何表面多孔性。
[0010]针对此背景作出本发明。
[0011]发明概述
[0012]根据本发明的一个方面，提供一种用于制备表面多孔型二氧化硅颗粒的一锅法，该方法包括使一种包含官能团的二氧化硅前体水解并且缩合以形成表面多孔型二氧化硅颗粒，这些表面多孔型二氧化硅颗粒包括实质上非多孔的二氧化硅微颗粒，这些二氧化硅微颗粒具有结合到这些微颗粒表面上的更小的二氧化硅纳米颗粒。
[0013]根据本发明的另一个方面，提供由本发明的方法可得到的表面多孔型二氧化硅。
[0014]根据本发明的再另一个方面，提供表面多孔型二氧化硅，该表面多孔型二氧化硅包括其上具有更小的二氧化硅纳米颗粒的二氧化硅微颗粒。在下文中描述该表面多孔型二氧化硅的进一步的特征。
[0015]第一制备步骤后的微颗粒和纳米颗粒包含一个官能团，该官能团优选地选自巯基(SH)、氨基(NH2)、羟基(OH)或环氧基，最优选巯基。然而，在600°C至1250°C下进行烧结之后，此官能团将与其他有机官能度一起实质性地被烧掉。
[0016]根据本发明的又另一个方面，提供本发明的表面多孔型二氧化硅作为液相色谱中的固定相的用途。
[0017]根据本发明的一个进一步的方面，提供一种由表面多孔型球上球(spheres-on-sphere)颗粒制成或包括这些表面多孔型球上球颗粒的固定相。有利的是,这些颗粒呈现出在分离化学(诸如液体色谱，尤其是HPLC)中的改善的性能。该固定相适合于大型生物分子的分离。
[0018]在权利要求书中详述了本发明的进一步的优选特征。[0019]所形成的颗粒是表面多孔型的，具有一个多孔壳。本发明所提供的每个表面多孔型颗粒均具有一个核球(即微颗粒)以及一个在该核球的表面上的更小球(即纳米颗粒)的包覆层的形式。因此这些表面多孔型颗粒具有一种球上球形貌。因此该表面多孔型颗粒在此多数被称为球上球颗粒，例如球上球二氧化硅。典型地，纳米颗粒是在微颗粒上实质性一层厚的，虽然在本发明的某些实施例中可能形成多层。如以下更详细地说明的，在本发明的方法中，典型地在一种一锅反应合成法中，已经发现首先形成微颗粒，接着是纳米颗粒在这些微颗粒的表面上的受控生长。微颗粒和纳米颗粒可以方便地由同一种前体形成。这样，相比现有技术的方法，本发明的方法快速并且过程简单。
[0020]二氧化硅前体的水解和缩合形成了微颗粒以及在这些微颗粒表面上的纳米颗粒。已发现的是，使该前体水解并且缩合的方法可以方便地以一锅合成法来进行，以形成由表面结合的更小的纳米颗粒包围的微颗粒。能够在单个锅中进行该方法显然是有利的，因此优选该前体水解并且缩合的步骤是一种一锅合成法。因此，以此方式，通过将用于制备多孔壳颗粒的方法精简到单个步骤中，本发明减少了现有技术方法需要几个高劳动强度步骤的至少部分问题。本发明的方法不同于已报道的方法，因为它涉及简单的反应混合物以便获得所希望的球上球结构以及对表面孔隙率的控制。
[0021]虽然本发明提供了如在此所描述的一种表面多孔型二氧化硅及其用途，以及用于制备该二氧化硅的方法，本发明还可适用于除二氧化硅外的其他半金属或金属氧化物。该金属氧化物可以是已知能够通过一种适当的前体的水解和缩合形成为微颗粒的任何金属氧化物。实例包括而不限于，氧化锌(Zn)、氧化铜(Cu)、氧化招(Al)、氧化钛(Ti)、氧化错(Zr)、氧化镍(Ni)以及氧化铁(Fe)。在某些实施例中有可能使用二氧化硅颗粒作为模板来制备球上球型二氧化娃上金属氧化物(metal oxides-on-silica)颗粒(即，不是纯金属氧化物，其中该金属氧化物不同于二氧化硅)。 [0022]表面多孔型颗粒的核处的微颗粒通常具有比其表面的纳米颗粒包覆层更小的孔隙率。微颗粒核是实质上非多孔的(即实质上实心的)，即，具有很小的或没有孔隙率。
[0023]核微颗粒优选具有在I μ m至100 μ m范围内的颗粒尺寸，进一步优选I μ m至50 μ m,更优选I μ m至20 μ m,再更优选I μ m至15 μ m并且最优选I μ m至10 μ m,尤其是2μηι至5μηι。令人希望地,这些微颗粒的尺寸为至少I μ m。还令人希望地,这些微颗粒的尺寸小于ΙΟμπ?。此微颗粒尺寸是由激光衍射技术测量的。在此处的实例中，使用马尔文(Malvern) Mastersizer2000分析仪通过激光衍射技术测量微颗粒尺寸。产生了颗粒尺寸体积分布，其典型地是一条实质上钟形的曲线，其中在此所提到的平均尺寸是该分布中的峰值尺寸，即该曲线的最高点处的尺寸。
[0024]纳米颗粒优选具有在Inm至1000nm范围内的颗粒尺寸。更优选地,纳米颗粒具有至少IOnm的颗粒尺寸，再更优选至少20nm,甚至更优选50nm,又甚至更优选IOOnm并且最优选至少200nm。更优选地,纳米颗粒具有小于1000nm的颗粒尺寸,再更优选不大于800nm,甚至更优选不大于500nm并且最优选不大于400nm。令人希望地,纳米颗粒具有在IOnm至800nm范围内的颗粒尺寸，更令人希望地在50nm至500nm,更令人希望地在IOOnm至500nm,并且最令人希望地在150nm至400nm以及200nm至400nm,例如约200nm。此纳米颗粒尺寸是由动态激光散射(DLS)技术测量的。在此处的实例中，纳米颗粒尺寸是用VisCOtek802DLS分析仪测量的。在此所用的来自DLS的初步结果是来自强度分布的平均值(称为Z平均)，并且可以用多分散性指数(PDI)来描述分布宽度。在目前情况下，所产生的颗粒尺寸分布典型地是一条实质上钟形的曲线，并且平均尺寸是该分布中的峰值尺寸，即该曲线的最高点。
[0025]表面多孔型(即球上球)颗粒优选具有在Iym至100 μ m范围内的由激光衍射法测得的颗粒尺寸，进一步优选I μ m至50 μ m,更优选I μ m至20 μ m,再更优选I μ m至15 μ m并且最优选I μ m至10 μ m,尤其是2 μ m至5 μ m。颗粒尺寸的范围也是相关的。优选地,表面多孔型颗粒具有的D9tZDltl不大于3.5，更优选不大于3.0,甚至更优选不大于2.0,再更优选不大于1.6并且最优选不大于1.4,其中D9tl是在由激光衍射技术测得的体积分布中第90百分点的直径，并且Dltl是在该体积分布中第10百分点的直径。此颗粒尺寸是由如上述的激光衍射技术测量的。在此处的实例中，表面多孔型颗粒的尺寸是用马尔文Mastersizer2000分析仪测量的。如下面更详细地描述的，通过改变方法条件，颗粒尺寸可以是可控的。
[0026]更小的纳米颗粒被结合到微颗粒的表面上。由于纳米颗粒之间的间距或间隙提供了孔隙，这些纳米颗粒在微颗粒的表面上形成一个多孔层。也就是说，通过纳米颗粒堆积在表面上产生了表面孔隙。这些孔隙典型地小于5nm孔径，并且尤其为微孔，即小于2nm孔径。这些更小的纳米颗粒优选形成一个包围微颗粒的多孔壳。纳米颗粒优选完全覆盖微颗粒。纳米颗粒壳是小厚度的。该壳优选是实质上只有一层纳米颗粒厚的。可以进行制备这些颗粒的方法从而在微颗粒上提供纳米颗粒的一个单一层(单层)，并且该方法倾向于基于前体的首次加料 来进行。有可能在一锅合成法中形成一个纳米颗粒壳，该纳米颗粒壳包括两个层，并且如果需要的话，或许包括甚至三个或更多个层。已经发现，如下面所说明的，在微颗粒生长阶段之后，即在纳米颗粒生长阶段期间，加入另外量的前体可以提供两个或更多个纳米颗粒层。通过对颗粒进行煅烧可以改善多孔纳米颗粒表面层的稳定性。然而，已经发现具有纳米颗粒单层的颗粒是最稳定的。已经发现甚至为单层的多孔层的小厚度对有效的色谱分离来说是足够合适的。多孔层的小厚度意味着短的质量传递距离，并且因此可能发生快速的质量传递以及快速的样品分离。
[0027]由于小纳米颗粒堆积在表面上，表面多孔型颗粒典型地具有小的孔径。由非局部密度泛函理论(DFT)计算的表面多孔型颗粒的孔径优选小于5nm，更优选小于3nm并且再更优选小于2nm。
[0028]表面多孔型颗粒的孔隙率优选在30%至70%的范围内。
[0029]煅烧(即至少550°C )后表面多孔型颗粒的表面积优选为，按优先递增的顺序，至少 10m2/g、至少 25m2/g、至少 50m2/g、至少 75m2/g、至少 100m2/g、至少 150m2/g、或至少 175m2/go最优选地，表面多孔型颗粒的表面积为至少200m2/g。已发现，实例典型地具有在10至250m2/g范围内的表面积。
[0030]可以对表面多孔型颗粒进行热处理(即煅烧)以给予改善的机械稳定性。本发明的另一个优点在于，球上球颗粒对于高温(例如，高达1250°C )是稳健的，而没有对球上球形貌的任何显著变形。因此可以在没有对球上球形貌的显著损伤的情况下对这些颗粒进行煅烧。优选地，在用作色谱的固定相之前对表面多孔型颗粒进行煅烧。
[0031]本发明提供了适合于用作液相色谱(LC)中的固定相床的表面多孔型颗粒。这些颗粒可以容易地被填充入LC柱中。该LC可以是正相(NP)或反相(RP)LC。在用作RP固定相之前，优选将表面多孔型颗粒功能化。该LC可以是在等度或梯度洗脱条件下。对于反相LC，优选使用梯度洗脱条件。该LC可以是高效液相色谱(HPLC)、超高效液相色谱(UHPLC)、快速蛋白质液相色谱(FPLC)或另一种LC技术。该LC可以有用地为大型生物分子(例如像蛋白质类)的LC。多孔壳和非多孔核的存在可以提供优异的质量传递性质，导致快速的质量传递并且因此导致大型生物分子(诸如蛋白质类)的快速分离。因此，本发明减少了现有技术中对于诸如蛋白质类的大型生物分子的分离缓慢的问题。这些表面多孔型颗粒还可以减少与HPLC中闻背压有关的问题。
[0032]该方法优选使用一种含有巯基基团的二氧化硅前体(其中在此提及前体还包括使用前体混合物的情况)(在此称为巯基-二氧化硅前体)。然而，该方法可以使用一种含氨基基团的前体(在此称为例如氨基-二氧化硅前体)、和/或一种含羟基基团的前体(在此称为例如羟基-二氧化硅前体)、和/或一种含环氧基团的前体(在此称为例如环氧基_ ~ 氧化娃如体)。因此，如体的官能团优选选自疏基、氣基、羟基以及烷氧基，最优选疏基。为了方便起见，本说明书此后将主要指的是含有巯基基团的最优选前体的情况，并且更具体地一种巯基-二氧化硅前体的情况，但应理解的是，除非上下文另外要求，对巯基-二氧化硅前体的引用可以由相应的氨基-二氧化硅前体、羟基-二氧化硅前体、或环氧基-二氧化硅前体的引用所替代。在形成除二氧化硅以外的表面多孔型颗粒、例如另一种金属氧化物的情况下，此处巯基-二氧化硅前体等可以是一种含有这些官能团之一的金属氧化物前体。
[0033]巯基-二氧化硅前体优选是一种巯基硅烷。更优选地，巯基-二氧化硅前体含有一个烷基-巯基基团，优选一个(C1-C4烷基)-巯基，例如3-巯基-丙基。该巯基硅烷优选具有以下通式:
【权利要求】
1.一种用于制备表面多孔型二氧化硅颗粒的一锅法，该方法包括使一种包含官能团的二氧化硅前体水解并且缩合以形成表面多孔型二氧化硅颗粒，这些表面多孔型二氧化硅颗粒包括实质上非多孔的二氧化硅微颗粒，这些二氧化硅微颗粒具有结合到这些微颗粒的表面上的二氧化硅纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该官能团是一种巯基基团。
3.根据权利要求2所述的方法，其中该前体包括一种巯基硅烷。
4.根据权利要求3所述的方法，其中该巯基硅烷包括3-巯基丙基三甲氧基硅烷。
5.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中使用该前体作为唯一的二氧化硅源。
6.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中在一种具有9至11范围内的起始pH的碱性介质中对该前体进行水解和缩合。
7.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中在一种包括水和一种有机溶剂的介质中对该前体进行水解和缩合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中该有机溶剂包括甲醇。
9.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中在一种表面活性剂存在的情况下对该前体进行水解和缩合。
10.根据权利要 求9所述的方法，其中该表面活性剂包括一种季铵表面活性剂。
11.根据权利要求10所述的方法，其中该季铵表面活性剂包括溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)和/或氯化十六烷基三甲基铵(CTAC)。
12.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中在一种胶体稳定剂存在的情况下对该前体进行水解和缩合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该胶体稳定剂包括一种亲水性聚合物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该亲水性聚合物包括聚(乙烯醇)(PVA)和/或聚(乙烯吡咯烷酮)(PVP)。
15.根据以上任何一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括对这些表面多孔型二氧化硅颗粒进行煅烧。
16.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中这些微颗粒具有在Iμ m至20 μ m、优选Ιμπ?至ΙΟμπ?范围内的通过激光衍射测得的平均颗粒尺寸。
17.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中这些纳米颗粒具有不大于500nm的通过动态激光散射(DLS)测得的平均颗粒尺寸。
18.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中由非局部密度泛函理论(DFT)计算出的表面多孔型颗粒的孔径小于2nm。
19.根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中结合到这些微颗粒表面上的纳米颗粒形成一个单层。
20.通过以上任何一项权利要求所述的方法可得到的表面多孔型颗粒。
21.表面多孔型二氧化硅颗粒，这些表面多孔型二氧化硅颗粒具有球上球形貌，并且包括被二氧化硅纳米颗粒所覆盖的实质上非多孔的二氧化硅微颗粒。
22.如权利要求21所述的表面多孔型二氧化硅颗粒，其中这些二氧化硅微颗粒具有在Ιμπ?至ΙΟμπ?范围内的颗粒尺寸并且这些二氧化娃纳米颗粒具有不大于500nm的颗粒尺寸。
23.一种用于液相色谱的固定相，该固定相由如权利要求20至22中任一项所述的表面多孔型颗粒制 成。
【文档编号】C01B33/18GK104010970SQ201280059128
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年11月22日 优先权日:2011年12月1日
【发明者】H·里奇, A·阿罕默德, P·迈尔斯, 张海飞 申请人:赛默电子制造有限公司