本申請涉及液相色譜分離填料領(lǐng)域，特別是涉及一種單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球及其制備方法。

背景技術(shù)：

色譜柱是色譜分離的心臟，而決定色譜柱質(zhì)量的好壞則是柱中所裝填的物質(zhì)，我們稱之為色譜的固定相，即填料或介質(zhì)。目前應(yīng)用較為廣泛的是液相色譜，尤其是在蛋白的色譜分離中。作為理想的液相色譜分離填料，必須滿足以下條件(Nawrocki,J.et al.J.Chromatogr.A 2004,1028,1-30.Schomburg,G.et al.Anal.Chem.1991,10,163-169.)：(1)易變的相比，如保留性和樣品容量；(2)具有長期的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠耐酸耐堿以及耐高溫；(3)機械強度高，能夠承受一定的壓力；(4)具有很窄的粒徑分布和高的比表面積，因此填料最好為球形，孔的結(jié)構(gòu)應(yīng)處于開放狀態(tài)，沒有束縛，且孔徑分布窄，大小應(yīng)在6-50nm，適合分離物的分子直徑，才具有良好的傳質(zhì)性，對于蛋白的分離，孔徑至少應(yīng)大于30nm；(5)填料表面既具有同源性，又易化學(xué)改性，尤其在蛋白分離中，生物相容性要好，且非特異性吸附要低。

目前在液相色譜填料的研究中，ZrO₂、TiO₂、Al₂O₃、多糖基質(zhì)以及有機高分子微球備受國內(nèi)外色譜學(xué)家的關(guān)注。但多糖基質(zhì)和有機高分子的機械性能較差，不能承受較高的壓力。而目前對金屬氧化物的研究不夠透徹，作為色譜填料仍存在挑戰(zhàn)性；如TiO₂填料的孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)、熱力學(xué)性質(zhì)以及柱效等仍不清楚。Al₂O₃雖然單分散性和比表面積較好，但其孔結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)穩(wěn)定性和機械強度仍不清楚。SiO₂是目前市場上應(yīng)用最為廣泛的填料，其唯一的缺點是化學(xué)穩(wěn)定性不好，只在pH 3-8之間較為穩(wěn)定。ZrO₂剛好克服了這一缺點，在pH 1-14間都非常穩(wěn)定，且具有高的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性，作為色譜填料具有廣泛的應(yīng)用前景。作為固定相，ZrO₂一般需要經(jīng)過特定的修飾，使其表面狀態(tài)與性質(zhì)可以按照色譜分離的具體要求加以調(diào)整和控制。因二氧化鋯表面具有較強Lewis酸性，堿性物質(zhì)由于與二氧化鋯表面的酸堿強相互作用不易從色譜柱上洗脫下來，一般需要在流動相中加入更強的Lewis堿，如氟離子、磷酸根以及羧酸根等。

然而，ZrO₂峰拖尾較嚴重，峰型較寬。為了改善這一情況，需對二氧化鋯表面進行改性。Carr小組、國內(nèi)武漢大學(xué)的達世祿和馮鈺琦小組等對于ZrO₂在色譜分離領(lǐng)域作出了大量的研究，可將其制備成正相、反相、離子交換及疏水型色譜填料，將其應(yīng)用于堿性化合物、酸性化合物、富勒烯、核酸、蛋白和單克隆抗體等生物樣品的分離，展現(xiàn)出可觀的應(yīng)用前景。

復(fù)合氧化物起初主要是應(yīng)用于催化劑領(lǐng)域，其在色譜分離領(lǐng)域則較少研究。隨著色譜行業(yè)的發(fā)展，復(fù)合氧化物漸漸引起科學(xué)家們的關(guān)注。Kaneko小組通過共沉淀的方法，制備出SiO₂與ZrO₂、Al₂O₃、TiO₂和MgO的復(fù)合物(Kaneko,S.et al.J.Chromatogr.A 1994,669,1-7.)，并將其用于分離氨基酸、芳香烴化合物以及堿性化合物等，其中SiO₂/MgO復(fù)合氧化物對堿性化合物分離效果最好。

在二氧化鋯復(fù)合氧化物色譜分離填料領(lǐng)域，馮鈺琦做出了大量的工作。馮鈺琦小組以油乳液法，通過溶膠-凝膠化，制備出ZrO₂/MgO微球復(fù)合填料。利用ZrO₂/MgO復(fù)合氧化物對磷酸類化合物的特異性吸附對其進行β-環(huán)糊精修飾，用于反相高效液相色譜，分離芳香烴化合物和堿性化合物。利用此復(fù)合微球與芘丁酸的相互作用，對其進行芘丁酸修飾，可用于富勒烯的分離，并且不同孔徑的ZrO₂/MgO微球復(fù)合填料的分離效果不同。二氧化鈰，作為一種常見的稀土金屬氧化物，具有優(yōu)良的機械性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及熱力學(xué)穩(wěn)定性等特性，在催化和色譜分離中有著重要的應(yīng)用。二氧化鈰和二氧化鋯都是四價的金屬氧化物，從而制備出的兩者復(fù)合氧化物則會具有較好的同源性。2001年馮鈺琦小組以微乳液法制備出多孔ZrO₂/CeO₂復(fù)合微球，對其進行硬脂酸修飾，并對比研究了未修飾和硬脂酸修飾的多孔ZrO₂/CeO₂復(fù)合微球的液相色譜行為。結(jié)果表明硬脂酸修飾的ZrO₂/CeO₂復(fù)合微球在分離堿性化合物時具有與未修飾的ZrO₂/CeO₂和ODS-SiO₂不同的選擇性。但該報道采用微乳液法制備出的多孔ZrO₂/CeO₂復(fù)合微球粒徑分布較寬，而且孔徑只有6.3nm，只適合小分子化合物的色譜分離。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請的目的是提供一種新的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球及其制備方法。

本申請采用了以下技術(shù)方案：

本申請的一方面公開了一種單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的制備方法，包括以多孔高分子微球為模板，用含鋯源和鈰源的溶液對多孔高分子微球進行浸潤的同時進行溶膠凝膠化，形成二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球，然后對二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球進行高溫煅燒，去除多孔高分子模板，即獲得單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。其中，二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球是指高分子復(fù)合微球的孔中吸附有二氧化鋯和二氧化鈰的復(fù)合微球。

需要說明的是，本申請的制備方法，其關(guān)鍵在于以多孔高分子微球為模板制備多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。由本申請的方法制備的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球與現(xiàn)有的ZrO₂/CeO₂復(fù)合微球相比，第一，本申請的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球粒徑均一，且大小可控；第二，本申請的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，其孔徑可控，粒徑和孔徑都可以由采用的多孔高分子微球模板控制；第三，本申請的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，機械強度高，能夠滿足色譜填料的基本要求，是一種性能優(yōu)良的色譜填料。此外，本申請的制備方法操作簡單、重復(fù)性較好，為制備高品質(zhì)的色譜填料奠定了基礎(chǔ)。

還需要說明的是，本申請的多孔高分子微球，是常規(guī)的可以通過市場購買的多孔高分子微球，也可以通過聚合反應(yīng)自行制備，例如分散聚合、種子聚合、乳液聚合、無皂乳液聚合、微乳液聚合、細乳液聚合和懸浮聚合等聚合方法；并且，本申請采用的多孔高分子微球還有一個關(guān)鍵的特征，即經(jīng)過高溫煅燒后可以去除。

優(yōu)選的，本申請的制備方法，具體包括以下步驟，

(1)將鋯源和鈰源溶于水中，配制成水溶液；

(2)將功能化或未功能化的多孔高分子微球分散于步驟(1)配制的水溶液中，并加入乙醇，超聲分散，然后在50～150℃溫度下處理3～20h，使鋯源和鈰源溶液浸潤多孔高分子微球的同時溶膠凝膠化，獲得二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球；其中，功能化或未功能化的多孔高分子微球，功能化是指根據(jù)特殊的使用需求，或者一些特殊情況下，需要對多孔高分子微球進行修飾，例如氨基修飾、季銨修飾、磺酸化修飾、磷酸化修飾等；

(3)將步驟(2)制備的二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球，置于馬弗爐中高溫煅燒，除去高分子微球模板，即獲得本申請的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。

優(yōu)選的，步驟(1)中，鋯源為硝酸鋯、氯氧化鋯、四氯化鋯和硝酸氧鋯中的任意一種；鈰源為硝酸鈰和/或硝酸鈰銨。

優(yōu)選的，多孔高分子微球與鋯源的質(zhì)量比為0.5～10:1；鋯源與鈰源的質(zhì)量比為1～5:1。

優(yōu)選的，多孔高分子微球為聚苯乙烯類微球、聚苯乙烯類衍生物微球、聚丙烯酸酯類微球或聚丙烯酸酯類衍生物微球中的任意一種；更優(yōu)選的，多孔高分子微球為聚甲基丙烯酸縮水甘油酯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚苯乙烯/二乙烯苯微球、聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸縮水甘油酯/乙二醇二甲基丙烯酸酯微球中的任意一種。

優(yōu)選的，步驟(2)中，功能化或未功能化的多孔高分子微球，其中功能化包括氨基修飾、季銨修飾、磺酸化修飾和磷酸化修飾中的任意一種。

優(yōu)選的，多孔高分子微球的粒徑為500納米-200微米，多孔高分子微球的孔徑為2納米-2000納米，多孔高分子微球的交聯(lián)度為0～100％。

需要說明的是，本申請的多孔高分子微球的粒徑為500納米-200微米是指，可以選用500納米-200微米的多孔高分子微球，制備出粒徑大小與多孔高分子微球相當(dāng)?shù)膯畏稚⒍嗫锥趸?二氧化鈰復(fù)合微球；也就是說，本申請的制備方法可以制備出粒徑約500納米-200微米的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。

優(yōu)選的，高溫煅燒的條件為，以1-10℃/min的速度從室溫升至600℃，并于600℃保持2-20h。

本申請的另一面公開了本申請的制備方法制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。

本申請的再一面公開了本申請的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球在色譜填料中的應(yīng)用。

本申請的有益效果在于：

本申請的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的制備方法，操作簡單、重復(fù)性好，所制備出的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球粒徑均一，尺寸和孔徑可控，并且機械強度高，能夠滿足色譜填料的使用要求。本申請的制備方法為制備高品質(zhì)的色譜填料提供了一種新的方法和途徑。

附圖說明

圖1是本申請實施例1中單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的掃描電鏡圖；

圖2是本申請實施案例1制備出的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的孔徑分布圖；

圖3是本申請實施案例2制備出的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的孔徑分布圖；

圖4是本申請實施例1中單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的破碎力測試結(jié)果。

具體實施方式

本申請研究了一種新的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的制備方法，創(chuàng)造性的提出，以多孔高分子微球為模板，在其孔道中浸潤鋯源和鈰源溶液，然后在其孔道中原位溶膠凝膠化，形成二氧化鋯和二氧化鈰，最后高溫煅燒去除多孔高分子微球模板。本申請的制備方法，不僅簡單易操作、重復(fù)性好；而且，最大的優(yōu)點是，粒徑均一，且粒徑和孔徑可控，相比于微乳液法制備出的多孔ZrO₂/CeO₂復(fù)合微球，本申請的制備方法獲得的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球能夠更好的適用于各種使用需求的色譜分離。

本申請中，“PGMA/EGDMA”是聚甲基丙烯酸縮水甘油酯/乙二醇二甲基丙烯酸酯的縮寫；“EDA”是乙二胺的縮寫。

下面通過具體實施例對本申請作進一步詳細說明。以下實施例僅對本申請進行進一步說明，不應(yīng)理解為對本申請的限制。

實施例一

本例以市購的粒徑5μm的多孔PGMA/EGDMA微球為模板，制備本例的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，具體制備方法如下：

稱取1g粒徑5μm的多孔PGMA/EGDMA微球于燒杯中，稱取2g氯氧化鋯ZrOCl₂·8H₂O于3mL水中充分溶解，稱取0.5g硝酸鈰銨溶于2mL水中充分溶解，然后將鋯源和鈰源溶液倒入含多孔PGMA/EGDMA微球的燒杯中，加入3mL乙醇，超聲分散至溶液中不見明顯的大塊顆粒。然后將其放入90℃烘箱中干燥10h，形成二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球。為除去二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球的高分子模板，將干燥后的二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球于馬弗爐中進行高溫煅燒。高溫煅燒條件為：以1℃/min的速度從室溫升至600℃，并于600℃保持12h，即獲得本例的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。

采用掃描電鏡對本例制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行觀察，結(jié)果如圖1所示；可見，本例制備出了大小均一的單分散性好的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。

進一步的本例采用比表面積分析儀測制備出的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的N₂吸附-解吸附等溫曲線，獲得其孔徑分布圖，結(jié)果如圖2所示；可見，本例的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，其孔徑大小比較均勻，大部分分布在45nm左右。

采用微納米硬度儀Fischerscope Hm2000對本例制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行硬度測試，結(jié)果如圖4所示，可見，本例制備出的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的破碎力為4mN左右，能夠滿足色譜填料的需要。

實施例二

本例的模板與實施例一相同，所不同的是本例對多孔PGMA/EGDMA微球模板進行了EDA功能化修飾，用以制備本例的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。其中，EDA修飾的目的是使高分子微球表面帶有氨基基團，利用氨基和鋯鈰的配位作用，高分子微球更好地與鋯源和鈰源相互作用，以調(diào)控制備出的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球的孔徑，EDA修飾的方法可以參考常規(guī)試驗進行。本例的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球具體制備方法如下：

將3g粒徑5μm的單分散多孔PGMA/EGDMA微球超聲分散于200mL水中，再加入6g的EDA，80℃反應(yīng)13h，結(jié)束后抽濾，用水洗至中性后，乙醇洗滌3次，然后于50℃烘箱干燥、備用，獲得EDA功能化的多孔PGMA/EGDMA微球。

稱取1g制備的EDA功能化的多孔PGMA/EGDMA微球于燒杯中，稱取2g氯氧化鋯ZrOCl₂·8H₂O于3mL水中充分溶解，0.5g硝酸鈰銨溶于2mL水中充分溶解，然后將鋯源和鈰源溶液倒入含多孔PGMA/EGDMA微球的燒杯中，加入3mL乙醇，超聲分散至溶液中不見明顯的大塊顆粒。然后將其放入90℃烘箱中干燥10h，形成二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球。為除去二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球中的高分子模板，將干燥后的二氧化鋯-二氧化鈰-高分子復(fù)合微球于馬弗爐中進行高溫煅燒。高溫煅燒條件為：以1℃/min的速度從室溫升至600℃，并于600℃保持12h，即獲得本例的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球。

采用掃描電鏡對本例制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行觀察，結(jié)果顯示，本例制備的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球單分散性好、粒徑大小均一。

采用實施例一相同的方法對本例制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行孔徑分布統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖3所示；可見，本例的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，其孔徑大小比較均勻，大部分分布在15nm左右。

采用實施例一相同的方法對本例的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行硬度測試，結(jié)果顯示，其機械強度與實施例一的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球相當(dāng)。

實施例三

本例采用實施例一相同的模板制備單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，所不同的是，本例稱取1g硝酸鈰銨溶于2mL水中作為鈰源溶液，其余步驟、參數(shù)和條件均與實施例一相同。

同樣的，采用掃描電鏡對本例制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行觀察，結(jié)果顯示，本例制備的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球單分散性好、粒徑大小均一。

采用實施例一相同的方法對本例制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行孔徑分布統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，本例的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，其孔徑大小比較均勻，大部分分布在30nm左右。

采用實施例一相同的方法對本例的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行硬度測試，結(jié)果顯示，其機械強度與實施例一的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球相當(dāng)。

實施例四

本例采用實施例一相同的模板制備單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，所不同的是，本例稱取1.5g硝酸鈰銨溶于2mL水中作為鈰源溶液，其余步驟、參數(shù)和條件均與實施例一相同。

同樣的，采用掃描電鏡對本例制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行觀察，結(jié)果顯示，本例制備的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球單分散性好、粒徑大小均一。

采用實施例一相同的方法對本例制備的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行孔徑分布統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，本例的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球，其孔徑大小比較均勻，大部分分布在18nm左右。

采用實施例一相同的方法對本例的單分散多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球進行硬度測試，結(jié)果顯示，其機械強度與實施例一的多孔二氧化鋯-二氧化鈰復(fù)合微球相當(dāng)。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本申請所作的進一步詳細說明，不能認定本申請的具體實施只局限于這些說明。對于本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本申請的保護范圍。