色譜芯-現(xiàn)代版點石成金的故事
導讀
點石成金的神話故事源遠流長，人們向往一種神奇力量可以把自然界極為普通和豐富的石頭變成昂貴而稀有的金子以期改變貧窮的困境。但只要學過一點化學知識的人都知道，石頭主要是由二氧化硅組成，而硅元素是不可能變成金元素，因此點石成金也只能存在于虛構(gòu)的故事中。但現(xiàn)代的科學家把石頭組份變成比金子還貴的高科技產(chǎn)品已經(jīng)成為現(xiàn)實。色譜芯就是科學家把普通石頭變成比金子還貴的材料，堪稱現(xiàn)代版點石成金的故事。
比金子還貴的色譜芯
說起色譜很多人可能會陌生，色譜技術(shù)又稱層析技術(shù)是現(xiàn)代最重要，也是最有效的分離技術(shù)之一，它是利用混合樣品各組份在固定相（色譜填料）和流動相中的分配系數(shù)不同，當流動相推動樣品中的各組份在色譜填料填充的柱中遷移時，由于各組份在兩相中進行連續(xù)反復多次分配，從而形成差速移動，達到分離的目的。這種解釋對很多非專業(yè)人士來說很難理解。因此希望通過下面一個簡單案例讓非專業(yè)人士更容易明白色譜分離技術(shù)。首先分離是從無序到有序的過程，熱力學第二定律說明從無序到有序的分離過程是一個熵減過程，因此不是一個自發(fā)的過程。舉個例子，您把染料扔到水里，過一段時間染料就會自發(fā)地均勻地分布在水里，這是一個熵增的過程，也是自發(fā)的過程，可是如果反過來，把染料從水里分離開就不可能自動發(fā)生了，而需要有外界力量或方法才可能使染料從水中分離，傳統(tǒng)的分離方法就是把所有的水蒸干（蒸餾），染料才可能從水里分開�？扇绻卸喾N不同顏色染料都溶解在水里，這時簡單把水蒸干只能獲得混合的染料，而無法把不同顏色的染料分開。如果要把不同組份的染料分開就得求助于色譜分離技術(shù)，把溶解在水里的混合染料從色譜柱的一端加入，由于不同染料組份與色譜填料的相互作用力不同，因此通過色譜柱遷移速度就不一樣，這樣不同組份的染料從色譜柱另外一端會按先后順序分開來，從而達到分離混合染料的目的，這就是色譜分離技術(shù)。
色譜分離三種染料組分的示意圖
色譜技術(shù)是目前分離復雜組份最有效的手段，與傳統(tǒng)蒸餾和重結(jié)晶分離技術(shù)相比，色譜分離法條件溫和，適用范圍廣，可以對復雜組份進行分離，因此被廣泛地應用于工業(yè)分離純化，無論是生物制藥，天然產(chǎn)物提取，還是化學化工都離不開色譜分離純化技術(shù)。尤其是在生物制藥領(lǐng)域，由于生物分子具有結(jié)構(gòu)復雜，對溫度和環(huán)境敏感，而且濃度低，組份復雜，傳統(tǒng)的蒸餾和重結(jié)晶方法不能用于生物分離，因此色譜技術(shù)幾乎是生物制藥分離純化的唯一手段。高純度、高活性的生物制品基本都依賴色譜分離技術(shù)，如果沒有色譜分離技術(shù)，高純度的生物藥也就生產(chǎn)不出來。
另外色譜技術(shù)也是實驗室分析檢測領(lǐng)域發(fā)展最快，應用最廣的技術(shù)之一。液相色譜（HPLC）作為一種高效，快速的分析檢測的技術(shù)已被廣泛地用于藥物質(zhì)量檢測，純度分析，環(huán)境監(jiān)測，食品安全檢測，及化學化工產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控等領(lǐng)域。
色譜分離和分析性能很大程度上取決于色譜填料，現(xiàn)代的色譜填料基本都是由微米級多孔微球組成，就像芯片是電子產(chǎn)品的心臟一樣，色譜填料當之無愧是整個色譜分離技術(shù)的“心臟”，因此被譽為色譜芯。色譜技術(shù)的進步往往依賴于新的色譜材料的發(fā)展。由二氧化硅材料組成的色譜材料（也稱為硅膠）是分析檢測最廣泛使用的色譜填料，也是多肽，胰島素，手性藥物等分離純化最常用的色譜填料。
二氧化硅是大自然中石頭的主要組份，也是地球上最為豐富的材料。二氧化硅組成的色譜芯是目前最重要的色譜填料之一。而用于色譜分離和分析的色譜芯性能要求高，需要控制二氧化硅填料粒徑大小、均勻性、形貌、孔徑結(jié)構(gòu)、比表面積及功能基團，任何一個環(huán)節(jié)沒有控制好，都會影響其色譜分離性能，另外色譜填料的生產(chǎn)還要保證批次的穩(wěn)定性和重復性，即使生產(chǎn)出性能再好的產(chǎn)品，如果無法保證批次穩(wěn)定性，也就無法使用，從而影響最終產(chǎn)品的商業(yè)化。因此色譜填料的制備技術(shù)壁壘高、難度大、在以前全球只有少數(shù)幾家公司如瑞典的Kromasil，日本Daiso和Fuji具備大規(guī)模生產(chǎn)二氧化硅色譜填料基球的能力，中國用于分離和分析的高性能球形二氧化硅色譜填料基球基本依賴進口，而且價格昂貴。雖然二氧化硅是自然界最豐富的材料，但其組成的進口色譜填料賣的比金子還貴。更有甚者，很多高性能二氧化硅色譜填料是花錢都買不到的。
國內(nèi)一位知名色譜專家曾經(jīng)給我講了一個故事：為了讓科技部給色譜填料研究立項，因此給科技部領(lǐng)導說了句言簡意賅又非常有說服力的話：“我們國家是想用金子去換石頭，還是用石頭去換金子”來說明研究色譜填料的重要性。這個故事是否真實發(fā)生過我無從考證，但我知道這位色譜專家用非常形象的語言說明了色譜填料的重要意義。
最近日韓貿(mào)易摩擦，日本采取的手段就是限制半導體關(guān)鍵材料到韓國，以影響韓國的電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此關(guān)鍵材料、核心部件及技術(shù)是國家核心競爭力所在，很多時候不是有錢就能買到的。很顯然如果中國企業(yè)沒有自主可控的產(chǎn)品供應能力，色譜芯就是屬于卡脖子的產(chǎn)品之一。如果色譜芯斷供，不僅影響中國生物醫(yī)藥生產(chǎn)，還會影響食品和環(huán)境的檢測、石油化工的質(zhì)量檢測、甚至化學和生命科學研究。這也是為什么中國有一代代色譜專家把研究色譜填料的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化作為終身為之奮斗的目標。值得欣慰的是在中國色譜基礎(chǔ)研究取得突飛猛進的進步的基礎(chǔ)上，已經(jīng)有中國企業(yè)脫穎而出，不僅在產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)進口替代，更能引領(lǐng)產(chǎn)品創(chuàng)新。
中國發(fā)表的文章數(shù)量已于2011年超越美國成為全球 No1
數(shù)據(jù)出處：Xiaoying Geng, Fuling Li and Qi Wang. The Cream of Chromatograph[J]. The analytical Scientist, 2015, 26:33-37
第三代單分散硅膠色譜填料改變世界色譜填料發(fā)展軌跡
過去我們只要走進任何科研院所的實驗室或藥企，您不難發(fā)現(xiàn)中國用于實驗室分析檢測，藥品質(zhì)量控制及科學研究用的色譜柱90%以上都是依賴國外進口，剩下10%國產(chǎn)化的色譜柱，里面裝填的色譜填料又幾乎100%都依賴進口。而這種局面正在發(fā)生改變。
另外如果回顧過去硅膠色譜填料的發(fā)展歷程，我們可以看到幾乎所有色譜產(chǎn)業(yè)化技術(shù)如球形硅膠色譜填料、手性硅膠色譜填料、雜化硅膠色譜填料、核殼結(jié)構(gòu)色譜填料、HILIC,、SEC等眾多新型色譜技術(shù)都發(fā)明于國外，與中國14億人無關(guān)。而且除了國外淘汰下來的第一代無定型硅膠在中國生產(chǎn)外，幾乎所有其它高性能球形色譜填料都只能在歐美日發(fā)達國家生產(chǎn)。這對于一個擁有最多人口的國家，培養(yǎng)了最多的理工科學生，也擁有最多專職研究人員的國家，色譜文章數(shù)量位居全球首位的中國來說是比較尷尬的。
色譜填料關(guān)系到生物制藥的質(zhì)量和成本，也關(guān)系到民生的醫(yī)藥安全供應問題，但生物制藥分離純化用關(guān)鍵色譜填料或?qū)游鼋橘|(zhì)卻基本依賴進口，這些材料不僅價格昂貴，供貨周期長，嚴重限制中國生物制藥行業(yè)的發(fā)展。中國能否改變這種格局，關(guān)鍵在于我們是否能真正創(chuàng)造出自己的“色譜芯”？ 眾多中國色譜科學家、企業(yè)家及公司為了改變這一落后局面并創(chuàng)造出中國自己的色譜芯而一直在努力，納微科技就是其中最為突出的代表。
國內(nèi)外色譜芯的發(fā)展狀況
二氧化硅色譜填料因其優(yōu)異的色譜性能成為目前應用最為廣泛的液相色譜填料之一，尤其是針對有機小分子的分離和分析，硅膠基質(zhì)的色譜填料占據(jù)絕大多數(shù)的市場份額。
最早用于分離純化的第一代硅膠色譜填料是上世紀70年代開發(fā)的無定型硅膠。無定形硅膠色譜填料制備技術(shù)簡單，主要是通過碾磨塊狀硅膠，然后通過篩分制備而成。這種無定形硅膠色譜填料形態(tài)不規(guī)則，粒徑分布寬，裝成的柱子柱效低，分離效率差，穩(wěn)定性和重復性差，既滿足不了高端色譜分離純化的需求，更不能用于實驗室色譜分離檢測的需求。另外無定型硅膠由于使用壽命短，更換頻率高（往往使用1-2次后就要更換），污染排放大，價格低廉，技術(shù)門檻低，國外很早就淘汰生產(chǎn)無定型硅膠色譜填料，目前絕大多數(shù)無定形硅膠基本都在中國生產(chǎn)。
第二代硅膠色譜填料是上世紀80年代開發(fā)出來的多孔球形填料，由于球形硅膠形貌的規(guī)整性，尤其是小粒徑 (<10微米) 硅膠色譜填料的出現(xiàn)極大地改善其分離性能, 大幅度提升生物醫(yī)藥分離純化水平。亞微米球形硅膠的發(fā)展使得超高效液相色譜分析速度，分離度及靈敏度達到前所未有的水平。第二代球形硅膠色譜填料中國基本依賴進口，其價格是第一代無定形硅膠幾千倍甚至幾萬倍。
傳統(tǒng)溶膠-凝膠法和噴霧干燥法制備硅膠色譜填料原理
目前生產(chǎn)球形多孔硅膠微球主要用溶膠一凝膠法或噴霧干燥法制得。這兩種方法可以大規(guī)模制備不同尺寸的球形硅膠，但這兩種方法制備的球形硅膠粒徑分布較寬不能直接用作色譜填料，而需要經(jīng)過復雜的篩分和分級處理，去除過大或過小的硅膠微球以獲得粒徑分布較窄的硅膠填料，因此生產(chǎn)周期長、產(chǎn)率低、且會產(chǎn)生大量的不合格硅膠產(chǎn)品。而且填料的顆粒越細，篩分工藝難度越大。
色譜填料粒徑大小和粒徑分布會直接影響其分離性能，因此國內(nèi)外色譜界科學家一直致力于研發(fā)粒徑精準可控，粒徑高度均勻第三代球形硅膠色譜填料的制備技術(shù)。由于二氧化硅的特性，制備微米尺寸的單分散球形多孔二氧化硅微球一直是世界難題。這方面的文章和專利也很少報道，更不用說有產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和產(chǎn)品。
令國內(nèi)外色譜界震驚的是，粒徑高度均勻，孔徑可控的微米級單分散球形二氧化硅色譜填料技術(shù)竟然被中國公司-蘇州納微科技突破，相反于以往色譜技術(shù)的發(fā)展歷程，新的色譜技術(shù)極其產(chǎn)業(yè)化往往都是由發(fā)達國家完成。納微科技不僅突破了單分散硅膠色譜填料精準控制的世界性難題，而且成功把該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，成為世界上第一家大規(guī)模生產(chǎn)單分散硅膠色譜填料的公司，改變了世界色譜填料發(fā)展的軌跡，推動了全球硅膠色譜填料制備技術(shù)的進步。
納微科技每次去美國參展，歐美客戶經(jīng)常問我們是不是日本公司，他們不相信一個連第二代硅膠色譜填料都要依靠進口的中國，會突然生產(chǎn)出色譜界夢寐以求的第三代單分散硅膠色譜填料。國外客戶懷疑一般會持續(xù)到他們拿到納微真實的產(chǎn)品并做過測試，甚至要親自訪問過納微工廠，才會真正由懷疑變成震驚，也因此尊重我們，最終成為納微的客戶。因此真正的創(chuàng)新是可以贏得客戶甚至競爭對手的尊重，因為創(chuàng)新不僅只是為一個公司，甚至一個國家做貢獻，它會推動了整個行業(yè)的進步，為全人類做出貢獻。
讓國外同行更想不到的是納微科技從事硅膠色譜填料研究工作的核心技術(shù)人員沒有一個是色譜專業(yè)出身，也沒有在國外知名專業(yè)色譜公司做過硅膠色譜填料的研究工作。納微做硅膠色譜填料完全從零開始，而且屬于跨領(lǐng)域研究�？赡苷且驗檫@種跨界創(chuàng)新，不受該領(lǐng)域固有知識的束縛，才讓納微有機會革新現(xiàn)有硅膠色譜填料的制備方法，并做到顛覆性的技術(shù)突破。當然跨界創(chuàng)新只是納微成功的因素之一，更重要是我們攻克技術(shù)的決心及開發(fā)產(chǎn)品的耐心。因為一項顛覆性技術(shù)突破本身就不容易，而要把顛覆性技術(shù)轉(zhuǎn)化成有競爭力的高性能產(chǎn)品更是難上加難。納微的技術(shù)團隊整整花了十多年時間才完成單分散硅膠色譜填料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程。在當今中國這種浮躁的大環(huán)境下，一個團隊用十年時間集中精力做世界上沒人做成功過的項目，如果沒有足夠的耐心和恒心根本不可能完成，即使在美國的公司一個團隊要堅持十年做一個項目也很難做到。
色譜芯是底層技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化道路非常長，有一系列技術(shù)壁壘需要突破。粒徑分布控制問題，只是眾多難關(guān)的第一個突破口，隨后還要解決孔道結(jié)構(gòu)的控制技術(shù)，硅膠機械強度的控制技術(shù)，金屬含量的控制技術(shù)，表面鍵合技術(shù)，封端技術(shù)，裝柱技術(shù)，應用技術(shù)，生產(chǎn)工藝放大技術(shù)等等一系列問題，其中任何一個環(huán)節(jié)的技術(shù)細節(jié)沒做到位都不可能開發(fā)出有市場競爭力的硅膠產(chǎn)品。而基于別人材料基礎(chǔ)上開發(fā)應用技術(shù)相對容易的多，往往只要解決一個應用問題就馬上就可以導入市場，這也是為什么絕大多數(shù)從事色譜技術(shù)的公司都愿意去做應用技術(shù)而不愿意做色譜填料基球的原因。其實即使在全世界范圍內(nèi)，可以大規(guī)模生產(chǎn)第二代硅膠色譜填料基球的也只有瑞典Kromasil、日本Daiso、Fuji等少數(shù)幾家公司。因此納微科技開發(fā)硅膠色譜填料的困難程度大家是可以想象的，有興趣的讀者可以看我的另外一篇文章（從中國色譜芯的崛起看中國芯片的希望）。
中國色譜芯引領(lǐng)世界色譜創(chuàng)新
無論從理論計算還是從實驗結(jié)果都證明，色譜填料粒徑大小和均勻性是影響其分離性能的最重要參數(shù)之一，在其它條件相同的情況下，粒徑分布越窄、色譜柱內(nèi)流動相分布越均勻、柱效越高、分離效果越好、反壓也越低、重復性也越好。且粒徑越小的色譜填料對粒徑的均勻性要求也越高。粒徑分布均勻性可以由CV值（填料粒徑分布變異系數(shù)）表示，CV值越小代表粒徑越均勻。國際著名品牌的硅膠色譜填料CV值普遍大于10%，而納微生產(chǎn)的第三代UniSil硅膠填料粒徑的CV值小于3%。如果非專業(yè)人士對CV概念不是很理解的話，也可以直觀地從電子掃描電鏡上對比第二代和第三代硅膠色譜填料的差距。歐美日公司歷來以產(chǎn)品質(zhì)量和性能卓越稱著。但如果下圖沒有標明那個產(chǎn)品是進口的，那個是國產(chǎn)的，相信幾乎100%的人都會猜錯。因為以往中國確實很少有技術(shù)和產(chǎn)品可以明顯領(lǐng)先歐美日。
粒徑分布與流速特征關(guān)系圖
從納微UniSil®10硅膠色譜填料與國際三大知名品牌同類產(chǎn)品掃描電鏡對比圖和粒徑分布對比圖可以看出納微科技新一代單分散硅膠色譜填料在粒徑精確度、粒徑分布及球型規(guī)整度方面都遠遠超越國際知名品牌產(chǎn)品。尤其是納微生產(chǎn)的超大孔硅膠色譜填料比日本產(chǎn)品具有更大優(yōu)勢。
納微UniSil®硅膠填料與國際三大著名硅膠色譜填料品牌SEM對比圖
納微UniSil®硅膠填料
與國際三大著名硅膠色譜填料品牌粒徑分布對比圖
納微科技顛覆性技術(shù)不僅可以大規(guī)模生產(chǎn)不同粒徑單分散色譜填料（常規(guī)粒徑：1.7、3、 5、8、 10、 12、15、 20、 30、40、 50微米）；還可以調(diào)控孔徑大�。ǔＲ�(guī)孔徑：60 Å、 100 Å、 120 Å、 200 Å、 300 Å、500 Å， 1500 Å），以滿足UPLC，HPLC制備色譜各種需求。
精確的粒徑大小，極窄的粒徑和孔徑分布使得納微硅膠填料具有卓越的機械強度和分離性能。納微硅膠經(jīng)過反復裝柱后可以保持完美無損，而日本硅膠經(jīng)過反復裝柱后產(chǎn)生大量的破碎。
納微不同孔徑二氧化硅色譜填料
納微科技硅膠色譜填料與日本某品牌
硅膠色譜填料在反復裝柱20次的前后對比SEM圖
從第三代單分散硅膠色譜填料的精準制造技術(shù)的突破及成功產(chǎn)業(yè)化，到超大孔硅膠基球的突破及表面鍵合技術(shù)的完善，最后生產(chǎn)出一系列高性能，高附加值的硅膠色譜填料產(chǎn)品包括用于胰島素精純的反相硅膠色譜填料，用于異構(gòu)體藥物分離的手性色譜填料，及用于蛋白分析檢測的SEC色譜填料。蘇州納微科技股份憑一己之力分別打破了Kromasil, Daicel 及Tosoh 對這些色譜填料的長期壟斷，創(chuàng)造了這一個個看似不可能的奇跡。國內(nèi)外色譜公司及很多人都很好奇納微是如何做到的。其實納微并沒有點石成金的神奇力量，有的只是比別人多一些耐心，多一些堅持。納微一旦設(shè)立一個目標就會讓一個技術(shù)團隊長期堅持研發(fā)下去，三年不行五年，五年不成八年，八年不成十年，直到成功，納微很多項目都是堅持了十年八年才做成功的，也有的項目堅持研發(fā)10年多還沒出產(chǎn)品，即使這樣也從來沒有放棄過。就是這樣一個簡單的法寶讓納微完成一個個奇跡。
目前納微高性能的硅膠產(chǎn)品已成功銷售給歐美、日本、韓國等生物制藥公司及色譜領(lǐng)域國際知名品牌公司。納微曾經(jīng)以比金子還貴的價格買過進口硅膠基球，現(xiàn)在卻可以按比金子還貴的價格把由石頭組成的色譜填料產(chǎn)品賣給國外客戶，真正實現(xiàn)了以石頭換金子的奇跡。如果想進一步了解納微可以聯(lián)系我們，也歡迎有志之士加盟納微繼續(xù)創(chuàng)造世界奇跡。
