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色谱芯-现代版点石成金的故事

浏览次数: 日期:2019-08-13 13:26:10

导读
       点石成金的神话故事源远流长,人们向往一种神奇力量可以把自然界极为普通和丰富的石头变成昂贵而稀有的金子以期改变贫穷的困境。但只要学过一点化学知识的人都知道,石头主要是由二氧化硅组成,而硅元素是不可能变成金元素,因此点石成金也只能存在于虚构的故事中。但现代的科学家把石头组份变成比金子还贵的高科技产品已经成为现实。色谱芯就是科学家把普通石头变成比金子还贵的材料,堪称现代版点石成金的故事。

 

比金子还贵的色谱芯


       说起色谱很多人可能会陌生,色谱技术又称层析技术是现代最重要,也是最有效的分离技术之一,它是利用混合样品各组份在固定相(色谱填料)和流动相中的分配系数不同,当流动相推动样品中的各组份在色谱填料填充的柱中迁移时,由于各组份在两相中进行连续反复多次分配,从而形成差速移动,达到分离的目的。这种解释对很多非专业人士来说很难理解。因此希望通过下面一个简单案例让非专业人士更容易明白色谱分离技术。首先分离是从无序到有序的过程,热力学第二定律说明从无序到有序的分离过程是一个熵减过程,因此不是一个自发的过程。举个例子,您把染料扔到水里,过一段时间染料就会自发地均匀地分布在水里,这是一个熵增的过程,也是自发的过程,可是如果反过来,把染料从水里分离开就不可能自动发生了,而需要有外界力量或方法才可能使染料从水中分离,传统的分离方法就是把所有的水蒸干(蒸馏),染料才可能从水里分开。可如果有多种不同颜色染料都溶解在水里,这时简单把水蒸干只能获得混合的染料,而无法把不同颜色的染料分开。如果要把不同组份的染料分开就得求助于色谱分离技术,把溶解在水里的混合染料从色谱柱的一端加入,由于不同染料组份与色谱填料的相互作用力不同,因此通过色谱柱迁移速度就不一样,这样不同组份的染料从色谱柱另外一端会按先后顺序分开来,从而达到分离混合染料的目的,这就是色谱分离技术。

 

色谱分离三种染料组分的示意图

 

       色谱技术是目前分离复杂组份最有效的手段,与传统蒸馏和重结晶分离技术相比,色谱分离法条件温和,适用范围广,可以对复杂组份进行分离,因此被广泛地应用于工业分离纯化,无论是生物制药,天然产物提取,还是化学化工都离不开色谱分离纯化技术。尤其是在生物制药领域,由于生物分子具有结构复杂,对温度和环境敏感,而且浓度低,组份复杂,传统的蒸馏和重结晶方法不能用于生物分离,因此色谱技术几乎是生物制药分离纯化的唯一手段。高纯度、高活性的生物制品基本都依赖色谱分离技术,如果没有色谱分离技术,高纯度的生物药也就生产不出来。
       另外色谱技术也是实验室分析检测领域发展最快,应用最广的技术之一。液相色谱(HPLC)作为一种高效,快速的分析检测的技术已被广泛地用于药物质量检测,纯度分析,环境监测,食品安全检测,及化学化工产品的质量监控等领域。
       色谱分离和分析性能很大程度上取决于色谱填料,现代的色谱填料基本都是由微米级多孔微球组成,就像芯片是电子产品的心脏一样,色谱填料当之无愧是整个色谱分离技术的“心脏”,因此被誉为色谱芯。色谱技术的进步往往依赖于新的色谱材料的发展。由二氧化硅材料组成的色谱材料(也称为硅胶)是分析检测最广泛使用的色谱填料,也是多肽,胰岛素,手性药物等分离纯化最常用的色谱填料。
       二氧化硅是大自然中石头的主要组份,也是地球上最为丰富的材料。二氧化硅组成的色谱芯是目前最重要的色谱填料之一。而用于色谱分离和分析的色谱芯性能要求高,需要控制二氧化硅填料粒径大小、均匀性、形貌、孔径结构、比表面积及功能基团,任何一个环节没有控制好,都会影响其色谱分离性能,另外色谱填料的生产还要保证批次的稳定性和重复性,即使生产出性能再好的产品,如果无法保证批次稳定性,也就无法使用,从而影响最终产品的商业化。因此色谱填料的制备技术壁垒高、难度大、在以前全球只有少数几家公司如瑞典的Kromasil,日本Daiso和Fuji具备大规模生产二氧化硅色谱填料基球的能力,中国用于分离和分析的高性能球形二氧化硅色谱填料基球基本依赖进口,而且价格昂贵。虽然二氧化硅是自然界最丰富的材料,但其组成的进口色谱填料卖的比金子还贵。更有甚者,很多高性能二氧化硅色谱填料是花钱都买不到的。

 

 


       国内一位知名色谱专家曾经给我讲了一个故事:为了让科技部给色谱填料研究立项,因此给科技部领导说了句言简意赅又非常有说服力的话:“我们国家是想用金子去换石头,还是用石头去换金子”来说明研究色谱填料的重要性。这个故事是否真实发生过我无从考证,但我知道这位色谱专家用非常形象的语言说明了色谱填料的重要意义。
       最近日韩贸易摩擦,日本采取的手段就是限制半导体关键材料到韩国,以影响韩国的电子产业的发展。因此关键材料、核心部件及技术是国家核心竞争力所在,很多时候不是有钱就能买到的。很显然如果中国企业没有自主可控的产品供应能力,色谱芯就是属于卡脖子的产品之一。如果色谱芯断供,不仅影响中国生物医药生产,还会影响食品和环境的检测、石油化工的质量检测、甚至化学和生命科学研究。这也是为什么中国有一代代色谱专家把研究色谱填料的技术及产业化作为终身为之奋斗的目标。值得欣慰的是在中国色谱基础研究取得突飞猛进的进步的基础上,已经有中国企业脱颖而出,不仅在产业化领域实现进口替代,更能引领产品创新。

 

 

中国发表的文章数量已于2011年超越美国成为全球 No1


数据出处:Xiaoying Geng, Fuling Li and Qi Wang. The Cream of Chromatograph[J]. The analytical Scientist, 2015, 26:33-37

 

第三代单分散硅胶色谱填料改变世界色谱填料发展轨迹

 

       过去我们只要走进任何科研院所的实验室或药企,您不难发现中国用于实验室分析检测,药品质量控制及科学研究用的色谱柱90%以上都是依赖国外进口,剩下10%国产化的色谱柱,里面装填的色谱填料又几乎100%都依赖进口。而这种局面正在发生改变。
       另外如果回顾过去硅胶色谱填料的发展历程,我们可以看到几乎所有色谱产业化技术如球形硅胶色谱填料、手性硅胶色谱填料、杂化硅胶色谱填料、核壳结构色谱填料、HILIC,、SEC等众多新型色谱技术都发明于国外,与中国14亿人无关。而且除了国外淘汰下来的第一代无定型硅胶在中国生产外,几乎所有其它高性能球形色谱填料都只能在欧美日发达国家生产。这对于一个拥有最多人口的国家,培养了最多的理工科学生,也拥有最多专职研究人员的国家,色谱文章数量位居全球首位的中国来说是比较尴尬的。
       色谱填料关系到生物制药的质量和成本,也关系到民生的医药安全供应问题,但生物制药分离纯化用关键色谱填料或层析介质却基本依赖进口,这些材料不仅价格昂贵,供货周期长,严重限制中国生物制药行业的发展。中国能否改变这种格局,关键在于我们是否能真正创造出自己的“色谱芯”?众多中国色谱科学家、企业家及公司为了改变这一落后局面并创造出中国自己的色谱芯而一直在努力,威廉希尔公司科技就是其中最为突出的代表。

 

国内外色谱芯的发展状况

 

       二氧化硅色谱填料因其优异的色谱性能成为目前应用最为广泛的液相色谱填料之一,尤其是针对有机小分子的分离和分析,硅胶基质的色谱填料占据绝大多数的市场份额。
       最早用于分离纯化的第一代硅胶色谱填料是上世纪70年代开发的无定型硅胶。无定形硅胶色谱填料制备技术简单,主要是通过碾磨块状硅胶,然后通过筛分制备而成。这种无定形硅胶色谱填料形态不规则,粒径分布宽,装成的柱子柱效低,分离效率差,稳定性和重复性差,既满足不了高端色谱分离纯化的需求,更不能用于实验室色谱分离检测的需求。另外无定型硅胶由于使用寿命短,更换频率高(往往使用1-2次后就要更换),污染排放大,价格低廉,技术门槛低,国外很早就淘汰生产无定型硅胶色谱填料,目前绝大多数无定形硅胶基本都在中国生产。

 

 

       第二代硅胶色谱填料是上世纪80年代开发出来的多孔球形填料,由于球形硅胶形貌的规整性,尤其是小粒径 (<10微米) 硅胶色谱填料的出现极大地改善其分离性能, 大幅度提升生物医药分离纯化水平。亚微米球形硅胶的发展使得超高效液相色谱分析速度,分离度及灵敏度达到前所未有的水平。第二代球形硅胶色谱填料中国基本依赖进口,其价格是第一代无定形硅胶几千倍甚至几万倍。

 

传统溶胶-凝胶法和喷雾干燥法制备硅胶色谱填料原理

 

       目前生产球形多孔硅胶微球主要用溶胶一凝胶法或喷雾干燥法制得。这两种方法可以大规模制备不同尺寸的球形硅胶,但这两种方法制备的球形硅胶粒径分布较宽不能直接用作色谱填料,而需要经过复杂的筛分和分级处理,去除过大或过小的硅胶微球以获得粒径分布较窄的硅胶填料,因此生产周期长、产率低、且会产生大量的不合格硅胶产品。而且填料的颗粒越细,筛分工艺难度越大。
       色谱填料粒径大小和粒径分布会直接影响其分离性能,因此国内外色谱界科学家一直致力于研发粒径精准可控,粒径高度均匀第三代球形硅胶色谱填料的制备技术。由于二氧化硅的特性,制备微米尺寸的单分散球形多孔二氧化硅微球一直是世界难题。这方面的文章和专利也很少报道,更不用说有产业化技术和产品。
       令国内外色谱界震惊的是,粒径高度均匀,孔径可控的微米级单分散球形二氧化硅色谱填料技术竟然被中国公司-苏州威廉希尔公司科技突破,相反于以往色谱技术的发展历程,新的色谱技术极其产业化往往都是由发达国家完成。威廉希尔公司科技不仅突破了单分散硅胶色谱填料精准控制的世界性难题,而且成功把该技术产业化,成为世界上第一家大规模生产单分散硅胶色谱填料的公司,改变了世界色谱填料发展的轨迹,推动了全球硅胶色谱填料制备技术的进步。
       威廉希尔公司科技每次去美国参展,欧美客户经常问我们是不是日本公司,他们不相信一个连第二代硅胶色谱填料都要依靠进口的中国,会突然生产出色谱界梦寐以求的第三代单分散硅胶色谱填料。国外客户怀疑一般会持续到他们拿到威廉希尔公司真实的产品并做过测试,甚至要亲自访问过威廉希尔公司工厂,才会真正由怀疑变成震惊,也因此尊重我们,最终成为威廉希尔公司的客户。因此真正的创新是可以赢得客户甚至竞争对手的尊重,因为创新不仅只是为一个公司,甚至一个国家做贡献,它会推动了整个行业的进步,为全人类做出贡献。
       让国外同行更想不到的是威廉希尔公司科技从事硅胶色谱填料研究工作的核心技术人员没有一个是色谱专业出身,也没有在国外知名专业色谱公司做过硅胶色谱填料的研究工作。威廉希尔公司做硅胶色谱填料完全从零开始,而且属于跨领域研究。可能正是因为这种跨界创新,不受该领域固有知识的束缚,才让威廉希尔公司有机会革新现有硅胶色谱填料的制备方法,并做到颠覆性的技术突破。当然跨界创新只是威廉希尔公司成功的因素之一,更重要是我们攻克技术的决心及开发产品的耐心。因为一项颠覆性技术突破本身就不容易,而要把颠覆性技术转化成有竞争力的高性能产品更是难上加难。威廉希尔公司的技术团队整整花了十多年时间才完成单分散硅胶色谱填料的研发和产业化过程。在当今中国这种浮躁的大环境下,一个团队用十年时间集中精力做世界上没人做成功过的项目,如果没有足够的耐心和恒心根本不可能完成,即使在美国的公司一个团队要坚持十年做一个项目也很难做到。
       色谱芯是底层技术,产业化道路非常长,有一系列技术壁垒需要突破。粒径分布控制问题,只是众多难关的第一个突破口,随后还要解决孔道结构的控制技术,硅胶机械强度的控制技术,金属含量的控制技术,表面键合技术,封端技术,装柱技术,应用技术,生产工艺放大技术等等一系列问题,其中任何一个环节的技术细节没做到位都不可能开发出有市场竞争力的硅胶产品。而基于别人材料基础上开发应用技术相对容易的多,往往只要解决一个应用问题就马上就可以导入市场,这也是为什么绝大多数从事色谱技术的公司都愿意去做应用技术而不愿意做色谱填料基球的原因。其实即使在全世界范围内,可以大规模生产第二代硅胶色谱填料基球的也只有瑞典Kromasil、日本Daiso、Fuji等少数几家公司。因此威廉希尔公司科技开发硅胶色谱填料的困难程度大家是可以想象的,有兴趣的读者可以看我的另外一篇文章。

 

中国色谱芯引领世界色谱创新

 

       无论从理论计算还是从实验结果都证明,色谱填料粒径大小和均匀性是影响其分离性能的最重要参数之一,在其它条件相同的情况下,粒径分布越窄、色谱柱内流动相分布越均匀、柱效越高、分离效果越好、反压也越低、重复性也越好。且粒径越小的色谱填料对粒径的均匀性要求也越高。粒径分布均匀性可以由CV值(填料粒径分布变异系数)表示,CV值越小代表粒径越均匀。国际著名品牌的硅胶色谱填料CV值普遍大于10%,而威廉希尔公司生产的第三代UniSil硅胶填料粒径的CV值小于3%。如果非专业人士对CV概念不是很理解的话,也可以直观地从电子扫描电镜上对比第二代和第三代硅胶色谱填料的差距。欧美日公司历来以产品质量和性能卓越称著。但如果下图没有标明那个产品是进口的,那个是国产的,相信几乎100%的人都会猜错。因为以往中国确实很少有技术和产品可以明显领先欧美日。

 

粒径分布与流速特征关系图

 

       从威廉希尔公司UniSil®10硅胶色谱填料与国际三大知名品牌同类产品扫描电镜对比图和粒径分布对比图可以看出威廉希尔公司科技新一代单分散硅胶色谱填料在粒径精确度、粒径分布及球型规整度方面都远远超越国际知名品牌产品。尤其是威廉希尔公司生产的超大孔硅胶色谱填料比日本产品具有更大优势。

 

威廉希尔公司UniSil®硅胶填料与国际三大著名硅胶色谱填料品牌SEM对比图

 

威廉希尔公司UniSil®硅胶填料与国际三大著名硅胶色谱填料品牌粒径分布对比图

 

       威廉希尔公司科技颠覆性技术不仅可以大规模生产不同粒径单分散色谱填料(常规粒径:1.7、3、 5、8、 10、 12、15、 20、 30、40、 50微米);还可以调控孔径大小(常规孔径:60 Å、 100 Å、 120 Å、 200 Å、 300 Å、500 Å, 1500 Å),以满足UPLC,HPLC制备色谱各种需求。
       精确的粒径大小,极窄的粒径和孔径分布使得威廉希尔公司硅胶填料具有卓越的机械强度和分离性能。威廉希尔公司硅胶经过反复装柱后可以保持完美无损,而日本硅胶经过反复装柱后产生大量的破碎。

 

威廉希尔公司不同孔径二氧化硅色谱填料

 

威廉希尔公司科技硅胶色谱填料与日本某品牌硅胶色谱填料在反复装柱20次的前后对比SEM图

 

       从第三代单分散硅胶色谱填料的精准制造技术的突破及成功产业化,到超大孔硅胶基球的突破及表面键合技术的完善,最后生产出一系列高性能,高附加值的硅胶色谱填料产品包括用于胰岛素精纯的反相硅胶色谱填料,用于异构体药物分离的手性色谱填料,及用于蛋白分析检测的SEC色谱填料。苏州威廉希尔公司科技股份凭一己之力分别打破了Kromasil, Daicel 及Tosoh 对这些色谱填料的长期垄断,创造了这一个个看似不可能的奇迹。国内外色谱公司及很多人都很好奇威廉希尔公司是如何做到的。其实威廉希尔公司并没有点石成金的神奇力量,有的只是比别人多一些耐心,多一些坚持。威廉希尔公司一旦设立一个目标就会让一个技术团队长期坚持研发下去,三年不行五年,五年不成八年,八年不成十年,直到成功,威廉希尔公司很多项目都是坚持了十年八年才做成功的,也有的项目坚持研发10年多还没出产品,即使这样也从来没有放弃过。就是这样一个简单的法宝让威廉希尔公司完成一个个奇迹。
       目前威廉希尔公司高性能的硅胶产品已成功销售给欧美、日本、韩国等生物制药公司及色谱领域国际知名品牌公司。威廉希尔公司曾经以比金子还贵的价格买过进口硅胶基球,现在却可以按比金子还贵的价格把由石头组成的色谱填料产品卖给国外客户,真正实现了以石头换金子的奇迹。如果想进一步了解威廉希尔公司可以联系我们,也欢迎有志之士加盟威廉希尔公司继续创造世界奇迹。

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