Nat. Commun.|双模板精密组装有序介孔微球赋能高性能色谱分离

厦门大学化学化工学院的 Juxing Zeng, Hanchen Cao, Kaiyue Sun, Zhuoheng Zhou等人于2026年2月在《Nature Communications》上发表了题为《Template-in-template assembly nanostructured microspheres for high performance chromatography》的研究文章。

论文的通讯作者为厦门大学化学化工学院的张博教授。

论文创新点：

首次提出“模板套模板（TiTAN）”组装策略，实现了微球宏观形貌与介孔纳米结构的独立精准调控，并利用该策略构建出具有超高色谱分离效率的有序介孔色谱填料。

三句话读懂全文：

利用“微流控液滴模板（控制微球尺寸和均一性）+表面活性剂胶束模板（控制介孔结构）”的“双模板嵌套”策略，成功构建出尺寸均一（CV≈3%）、内部孔道高度有序的介孔微球，实现了色谱填料从宏观到纳米尺度的精准设计。
该体系不仅能够构筑二维六方（2D-hex）、体心立方（bcc）、面心立方（fcc）和双旋结立方（double gyroid）等多种有序介孔结构，还能通过水热条件调控实现2 Å（0.2 nm）级别的孔径精确调节，同时保持微球粒径和球形度不变。
构建的有序介孔填料（OMP）相比传统全多孔填料（TPP）表现出更高的保留能力和柱效，可成功分离传统难以解决的关键分离对（Critical Pair），实现了接近理论极限条件下的快速高分辨色谱分离。

01 论文摘要

介孔微球中形貌与纳米结构的协同精准构筑，对于实现高性能分离至关重要。

本文开发了一种模板中模板组装纳米结构化（Template-in-Template Assembly Nanostructuring，TiTAN）策略，可精确合成具有有序介孔结构的单分散微球。微流控液滴模板保证了微球形貌的均一性（CV=3%），而液滴内部的结构导向剂则实现了孔结构的可调控构筑，包括二维六方、体心立方、面心立方以及双旋结立方等介观结构。通过调控水热处理条件，可实现空间分辨率达到2 Å的结构参数精细调节。进一步将该制造能力扩展至多种材料体系后，研究人员能够按照设计需求从头构筑色谱材料，并通过解决色谱领域长期存在的经典难题——即选择性因子α无限接近1的关键组分对分离——验证了其性能优势，同时实现了尽可能短的分析时间。

除色谱分离介质外，TiTAN策略还为同时具备精确宏观形貌与微观纳米结构的多孔材料通用合成提供了新路径。

02 图文速览

图1. 具有有序介孔结构的单分散微球的合成与表征。

(a) 有序介孔二氧化硅微球的合成示意图；

(b) 微流控装置产生的单分散液滴光学显微图像；

(c,d) 不同放大倍数下获得的有序介孔二氧化硅微球SEM图像；

(e) TEM图像；

(f) 单分散液滴（dd，蓝色）和微球（dp，红色）的粒径分布分析；

(g) 氮气吸附-脱附等温线；

(h) 孔径分布；

(i) 有序介孔二氧化硅微球的小角X射线散射（SAXS）图谱。

图2. 不同孔结构构型单分散微球的结构表征。

(a-d) 体心立方（bcc）结构微球的SEM图、TEM图、SAXS图谱及孔径分布；

(e-h) 面心立方（fcc）结构微球的SEM图、TEM图、SAXS图谱及孔径分布；

(i-l) 双旋结立方（cubic double gyroidal）结构微球的SEM图、TEM图、SAXS图谱及孔径分布。

图3. 有序介孔微球孔结构参数的自由调控。

(a) 通过调节水热处理条件实现孔结构调控示意图；

(b) 不同水热条件下介孔微球孔径分布；

(d) 孔结构参数统计；

(e) 通过增加模板剂引入量实现孔结构调控示意图；

(f) 不同PEO-PMMA用量下介孔微球氮气吸附-脱附等温线；

(g) 有效孔体积变化。

图4. 有序介孔颗粒（OMP）与传统全多孔颗粒（TPP）的性能比较。

(a) 15 cm色谱柱上烷基苯混合物的色谱图；

(b) 保留因子比较；

(d) OMP与TPP修正动力学图比较。

图5. 基于有序介孔微球的关键分离对分离性能展示。

(a-c) 多环芳烃混合物在TPP和OMP色谱柱上的分离结果；

(d-f) 二甲苯异构体混合物在TPP和OMP色谱柱上的分离结果；

(g-i) 苯/氘代苯体系在TPP和OMP色谱柱上的分离结果；

03 研究结论

针对色谱分离介质长期存在的球形形貌与孔结构难以同时精确调控的问题，作者开发了一种TiTAN策略，实现了具有均一形貌和有序介孔结构色谱微球的精准合成，并展现出高度的灵活性和通用性。

借助氟化油液滴微流控技术，TiTAN策略实现了微球形貌参数与孔结构参数的独立调控。通过纳米结构的精确设计，可以构建二维六方、体心立方、面心立方以及双旋结立方等多种有序介孔结构，同时保持优异的单分散性和球形度，并能够灵活调控粒径及材料组成。

此外，通过调节模板剂用量和水热处理条件，实现了表面积、孔径和孔体积等孔结构参数的精细调控，其空间分辨率可达到2 Å。

单分散球形形貌与有序孔结构的结合显著提升了材料的保留能力和分离效率，从而获得更高的色谱分辨率。这使得低选择性因子关键分离对（Critical Pair）的高效分离成为可能，包括多环芳烃、二甲苯异构体以及苯同位素分子等体系。

04 原文地址

https://doi.org/10.1038/s41467-026-68362-y