C18改性的径向介孔核壳二氧化硅微球的合成：壳层厚度可调，适用于超高效液相色谱技术

《Journal of Chromatography A》：Synthesis of C18-modified radial mesoporous core-shell silica microspheres with tunable shell thickness for ultra-high performance liquid chromatography

　　

黄仁秀|杨雅莉|牟月明|权开军|李祖光|邱洪登|陈佳

浙江工业大学化学工程学院，中国杭州310014

摘要

随着超高效液相色谱（UHPLC）的出现，核壳硅微球（CSSMs）应运而生，用于平衡系统背压和柱效。作为制备CSSMs的方法之一，双相合成法在精确控制壳层厚度方面仍面临挑战。在本研究中，我们在经典的双相法基础上，通过多参数调节制备出了具有径向介孔结构和可调壳层厚度的CSSMs。首次引入四丁基溴化铵（TBAB）作为电解质，以提高系统的离子强度，有效促进了二氧化硅低聚物在非多孔硅核上的定向沉积。通过调节TBAB和正硅酸四乙酯（TEOS）的用量以及水与正己烷的体积比，成功制备出了壳层厚度可调（59.54-251.93 nm）、比表面积高且介孔尺寸可调的CSSMs。此外，用十八烷基三氯硅烷（OTS）对三种不同壳层厚度的CSSMs（在不同水与正己烷体积比下制备）进行修饰后，所得C18修饰固定相能够在6分钟内实现5种烷基苯、8种多环芳烃（PAHs）和4种邻苯二甲酸酯（PAEs）的分离。该固定相还表现出优异的重现性和稳定性，进一步证明了CSSMs在UHPLC中的实用价值。这种方法为超高效核壳固定相的合理设计提供了一种实用可靠的途径。

引言

超高效液相色谱（UHPLC）作为高效液相色谱（HPLC）的重大进步，是现代分析化学中不可或缺的核心分离技术，广泛应用于药物分析、环境监测、生命科学、食品安全等相关领域[[1], [2], [3]]。作为UHPLC的核心组成部分，色谱柱的分离效率、分析速度和稳定性在很大程度上取决于固定相的结构和性质[4,5]。为了满足UHPLC对高柱效、高流速和适当系统背压的要求，人们致力于开发能够克服传统全多孔颗粒局限性的优秀固定相。自2006年商业化以来，Halo核壳固定相作为一种突破性平台技术引起了广泛关注[6]。核壳硅微球（CSSMs）由固体硅核和多孔硅壳层组成，其结构显著缩短了颗粒内部的扩散路径，有效降低了van Deemter方程中的传质阻力（C项）[7]。与亚2 μm的全多孔颗粒相比，稍大颗粒尺寸（例如2.7 μm）的CSSMs在HPLC中可实现相当的柱效，同时提供更高的分离速度和更低的系统背压[8]。这些优势使得CSSMs成为现代高性能色谱固定相开发的关键方向[9,10]。

尽管核壳结构在色谱分离性能上具有显著优势，但其分离效率仍高度依赖于对壳层厚度和介孔结构的精确控制[11]。壳层厚度直接影响比表面积、孔体积、固定相负载能力以及分析物的传质动力学，而孔取向则影响传质阻力和峰宽行为[12]。通过合成方法实现这种核壳结构，尤其是精确控制壳层厚度，仍然是一个重要的研究领域。当前的CSSMs合成方法包括逐层组装[13,14]、模板法[15,16]、聚合诱导的胶体聚集体[17,18]、一锅法[19,20]和伪形转化[21,22]。这些方法在实现壳层厚度的精确控制方面仍存在局限性，并面临操作复杂性、反应时间过长、颗粒团聚或二次成核等问题，这些都会影响微球批次间的重现性和单分散性[23]。

随着研究的进展，基于油水双相系统的合成方法为CSSMs的可控制备开辟了新途径[[24], [25], [26]]。该方法在温和的反应条件下能够实现均匀的壳层涂层，并具有可扩展的应用潜力[27]。通过调节有机相极性和表面活性剂类型等关键参数，可以有效调节壳层厚度和介孔尺寸。例如，Polshettiwar等人采用双相法合成了具有树枝状纤维介孔的高表面积硅纳米球，通过改变溶剂类型来实现颗粒尺寸控制，并研究了尿素浓度对硅球形态的影响[28]。在此基础上，Qu等人在十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和十八烷基胺的存在下使用双模板法合成了具有22.3 nm孔径的单分散核壳硅球，实现了蛋白质的快速分离[29]。Zhang等人通过调整正硅酸四乙酯（TEOS）的用量，将纤维壳层的厚度控制在50-100 nm范围内[30]。Yang等人使用不同烷基链长度的咪唑鎓离子液体作为结构导向剂，实现了高度单分散的分支介孔SiO₂纳米球的精确控制[31]。随后，Liu等人使用苯乙醇合成了孔径为19.29 nm的CSSMs[32]。然而，当前控制CSSMs壳层厚度的方法主要依赖于单一参数的调节，导致可调性有限且灵活性不足。此外，多种因素对壳层形成机制的协同效应尚未得到充分利用，使得在较宽范围内连续、可调及可重复地精细调节壳层厚度变得困难。尽管已讨论了核壳颗粒的壳层厚度效应，但以往关于CSSMs的研究主要集中在合成、孔结构调节和色谱应用方面，而对壳层厚度对色谱性能影响的系统研究仍然有限，这限制了色谱性能的进一步提升。

本研究改进了经典的双相合成方法，并首次引入四丁基溴化铵（TBAB）作为电解质以增强系统的离子强度。通过独立调节TBAB和TEOS的用量以及水与正己烷的体积比，证实每个参数都是调节壳层厚度的有效变量，实现了核壳结构的多参数协同调节。合成的CSSMs经过C18配体的修饰，并对其色谱分离性能进行了系统评估（图1）。此外，我们还研究了制备的色谱柱的稳定性和重现性。

章节摘录

CSSMs的合成

将1.5 g CTAB、2.0 g非多孔SiO₂微球（见补充材料1.3）和1.0 g TBAB分散在180 mL水中， ultrasonicated处理5分钟。然后在60°C下机械搅拌混合物，并加入5 mL三乙醇胺（TEOA）。搅拌2小时后，依次加入60 mL正己烷、5 mL甲苯和3 mL TEOS，反应持续36小时。之后静置12小时，底部形成白色沉淀物

具有可调壳层厚度的CSSMs的合成与表征

如图2所示，通过在水-正己烷双相系统中，通过阳离子表面活性剂的界面自组装和TEOS的控制水解-缩合反应，实现了具有可调壳层厚度的CSSMs的合成。具体来说，在碱性条件下，非多孔硅核表面带有负电荷。此时，CTAB的疏水尾部和亲水头部自组装形成胶束。

结论

本研究提出了一种改进的双相合成方法，用于合成具有宽范围可调壳层厚度的径向介孔CSSMs。通过加入甲苯作为孔扩展剂，孔径可达11.19 nm。此外，在双相系统中引入TBAB有效地调节了壳层生长，通过改变TEOS的用量和水与正己烷的体积比，可以将壳层厚度精确控制在59.54 nm至251.93 nm范围内。所制备的CSSMs

CRediT作者贡献声明

黄仁秀：验证、软件、研究、数据整理。杨雅莉：方法学、研究。牟月明：研究。权开军：研究。李祖光：撰写-审阅与编辑、监督。邱洪登：撰写-审阅与编辑、监督。陈佳：撰写-审阅与编辑、验证、监督、资源管理、方法学、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFF0722504）、国家自然科学基金（22374159）、甘肃省杰出青年基金（24JRRA042）、甘肃省基础研究创新团队（23JRRA570）、甘肃省自然科学基金（25JRRA472）和国家自然科学基金（22174129）的支持。