有序多孔有机整体柱的制备及其生物色谱研究

Optimizing the porous structure of stationary phase is an effective way to improve the performance of chromatography. In this context, the aligned porous monolith, as one of the stationary phases, is studied in terms of fabrication, characteriation and potential appllication for biochromatography. With focus on the controlled formation of aligned interconnected macropores, the aligned porous monolith is fabricatied by a combination of the templating method and phase separation process, where the aligned interconnected macropores are adjusted readily by templating the sacrificial material with regular framework and the diffusion pores are constructed by phase separtion. After that, further works are applied to analyze the obtained monolith in terms of structural characteristics, physical property and the chromatography behavior. On the basis of these experiments, we put forward the mass transport model and then elucidate the corresponding structure-activity relationshion of the aligned porous monolith. The above achievement will serve as an effecitve guide to develop the templating phase separtion process into the aligned porous monolith for the application of biochromatography. Finally, after modified with suitable ligands, the fabricated aligned porous monolith is explored carefully toward the chromatography technology for the purpose of varied applications.

本项目以适合于生物大分子高效分离的整体柱（色谱介质）的合成为目标，采用模板-相分离联合法，以有序多孔结构的可控调节为切入点，系统研究新型有序多孔（贯通孔-扩散孔）有机整体柱的制备科学和生物色谱分离机理。该研究侧重于利用具有规则形貌的模板来构建整体柱的有序贯通大孔；扩散孔的形成通过精细调控有机聚合体系相分离实现。在实验基础上，对合成的多孔材料进行结构、物性及色谱过程表征，建立有序多孔整体柱的传质模型，阐明整体柱结构与性能之间的构效关系，进而揭示有序多孔整体柱的色谱机理。应用上，将合成的多孔材料修饰功能化基团，针对分离过程和分离对象，完善分离过程，掌握分离规律，创建高效实用的生物分离技术。

生物大分子的色谱分离属于生物化工行业的前沿领域，而作为色谱技术核心的色谱介质，一直以来是研究的热点。在目前开发中的色谱介质中，整体柱由于同时具备灌流大孔和扩散微孔，尤其适合生物大分子的分离。因此，这类新型色谱介质受到科研工作者的关注。然而，由于致孔技术的限制，传统整体柱的孔道结构多为无规则孔道，从而导致传质均匀度难以提高，限制了整体柱进一步的发展。.为了解决这一难题，本项目提出了一种新的致孔技术（定向冰晶生长－自由基聚合联合法），研制出了一种具有有序多孔结构的新型整体柱色谱介质。通过制备过程研究，证实胶体颗粒的合成与冰晶溶剂的选择是有序孔结构形成的关键。其中，胶体颗粒有效堆积决定整体柱的机械强度，并且胶体尺寸与扩散孔的大小密切相关；而合适的的冰晶溶剂的选择，有助于有序大孔结构的调节。通过对孔结构形成机制的系统研究，并结合生物色谱分离的使用要求，我们优化了合成条件，制备出了具备有序孔结构的多孔整体柱。研究表明，该整体柱的有序大孔尺寸达到近10 μm, 扩散孔在20-50 nm左右，空隙率超过70%，达到生物大分子的分离要求。.有序多孔整体柱是一类具有全新结构的色谱材料，探究新型整体柱的有序多孔与色谱性能之间的构效关系，并在此基础上创建高效实用的生物色谱分离技术，也是本研究的重要内容之一。 通过流体力学和柱效研究，新型多孔整体柱具备良好的渗透性，经过计算，渗透值达到1.325×10-12 m2，超过传统多孔整体柱渗透性的15-30倍。经过孔结构对比，很显然，新型多孔整体柱的有序大孔结构是其高渗透性的重要原因。众所周知，渗透性是色谱介质的重要应用指标，高渗透性有助于色谱介质实现低背压下的快速分离，并有助于色谱材料的尺寸放大及设备成本降低。同时，通过分子脉冲实验，获得了有序大孔整体柱的柱效数据。显示有序大孔对于色谱介质柱效有显著提高，并且柱效受流速影响不大。经分析，有序大孔可以提高流体通过柱床的均匀性，使蛋白质大分子在整体柱内实现均匀传质，进而提高整体柱的柱效。进一步研究表明，有序大孔间的扩散孔可以使整体柱达到较高的吸附水平。.综合上述研究结果，本项目突破类现有致孔理论和技术，合成了一种高渗透性、高柱效的有机多孔整体柱。研究成果为高效生物分离提供了新的介质和方法选择，将推动色谱理论和技术的进一步发展。另外，该方法对于其他多孔功能材料的开发有积极的借鉴意义。