包含表面多孔材料的色谱柱和分离装置及其用于超临界流体色谱及其他色谱的用途相关申请的交叉引用
本申请涉及2013年6月11日提交的美国临时专利申请61/833,699号。该专利申请的全
部内容通过引用结合到本文中来。
发明背景
在二十世纪七十年代，表面多孔粒子(也称作薄皮、熔融芯或芯壳粒子)常规用作色谱
吸附剂。这些早期的表面多孔材料具有通过吸附二氧化硅溶胶到不确定的多分散无孔二氧
化硅芯(>20μm)的表面上而制备的薄多孔层。通常使用喷涂溶胶溶液或使其经过粒子床的
方法。Kirkland广泛探究了此时表面多孔粒子的用途且在二十世纪七十年代帮助研发了
Zipax牌表面多孔材料。Kirkland的工作的综述由Unger(JournalofChromatographyA,
1060(2004)1)提供。
在过去的五年间，表面多孔粒子已经成为一个十分活跃的研究领域。一个先前报
道使用了具有YSi(OR)3型有机硅烷的四烷氧基硅烷的混合缩合，其中Y含有烷基或芳基且R
为甲氧基或乙氧基，YSi(OR)3型有机硅烷已经由Unger就全多孔粒子(EP84,979B1，1996)
和表面多孔粒子(AdvancedMaterials1998,10,1036)进行了报道。这些粒子不具有在
UPLC中有效使用的足够粒度(1-2μm)，并且它们也不含色谱增强的孔几何结构。Kirkland
(美国申请20070189944)已经报道了使用逐层方法(LBL)的窄分布表面多孔粒子，然而，这
些粒子不是高度球形的。其他表面活性剂模板化方法可产生低产率的窄分布、全多孔粒子，
然而，这些方法并未用于制备具有色谱增强的孔几何结构的单分散性球形表面多孔粒子。
当前市售表面多孔粒子使用较小(<2μm)的单分散性球形高纯度无孔二氧化硅芯。
形成多孔层，这些粒子生长到1.7-2.7μm的最终直径。优化多孔层的厚度和孔径以适应特定
应用(例如，小分子与大分子分离)。为了除去聚电解质、表面活性剂或粘合剂(在合成期间
加入的另外试剂)且为了强化粒子以便在HPLC或UPLC应用中使用，将这些材料煅烧(在空气
中，500-1000℃)。已经报道了另外的孔扩大、酸处理、再羟基化和粘合步骤。
表面多孔材料的评估(例如，JournalofChromatographyA,1217(2010)
1604-1615;JournalofChromatographyA,1217(2010)1589-1603)表明柱性能的改
善可使用填充有这些表面多孔材料的柱实现。虽然不受理论限制，但是在vanDeemter方面
以及改善的导热率方面注意到了改善。科克大学还拥有关于表面多孔粒子的最新专利申请
(WO2010/061367A2)。
TerryA.Berger(LC-GCNorthAmerica,2010，第28卷，第5期)报道了小于2μm
的全多孔二氧化硅柱在超临界流体色谱法(SFC)中的第一用途。
在一篇后续的文章中，TerryA.Berger(Chromatographia,2010,72,597-
602)探究了小于2μm的全多孔粒子在不同应用中的实用性。他发现1.8μm无限制的二氧化硅
柱产生有效柱(理论值的80%)、各种溶质家族(包括类固醇、磺酰胺、洛芬类、芯酸和占吨)的
快速分离、良好的峰形、低柱头压力的用途。
在另一后续文章中，TerryA.Berger(JournalofChromatographyA,1218
(2011)4559-4568)比较了2.6μm表面多孔亲水相互作用液相色谱(HILIC)与3μm完全多孔
二氧化硅HILIC柱(两者都是4.6x150mm)的超临界流体色谱(SFC)的性能，其中在效率和
拖尾因子方面比较无限制的表面多孔二氧化硅(Phenomenex2.6μmKinetexHILIC)和二
醇结合的全多孔二氧化硅(Phenomenex3μmLunaHILIC)。与3μm二氧化硅粒子相比，2.6μm
表面多孔二氧化硅在SFC中显示出改善的效率。
与1.8μm全多孔二氧化硅柱(Agilent1.8μmZorbaxRX-Sil,3×100mm)相比较，
2.6μm表面多孔二氧化硅柱(Phenomenex2.6μmKinetexHILIC,4.6×150mm)在较低压降
下但在较久的时间内产生较高的效率。然而，在该研究中，作者注意到在2.6μm表面多孔二
氧化硅柱(4.6×150mm)上分离的许多峰前移。将分析物稀释20倍并不改善峰形，这表明这
并不是柱过载的问题。“一些溶质并未前移，表明前移并不归因于填充不良。”
需要在现代超性能SFC和/或会聚色谱(UPC2)系统上具有增加的效率、良好的峰形和性
能的高性能<2μm的表面多孔柱。
考虑到无限制的2.6μm表面多孔二氧化硅柱的不良峰形，很可能在粒子、硬件和柱
填充技术方面的当前局限性不允许所需性能改善。本发明使得表面多孔柱在HILIC、正相色
谱、超临界流体色谱、基于二氧化碳的色谱、亚临界流体色谱和溶剂化气相色谱中的性能改
善。这在较高效率的等浓度分离、增加峰值容量的梯度分离和改善的分析物峰形方面实现。
发明概述
一般而言，本发明涉及色谱材料。更具体而言，本发明在各种实施方案中涉及用于正相
色谱、超临界流体色谱、基于二氧化碳的色谱、亚临界流体色谱和溶剂化气相色谱的色谱材
料以及相应设备、套装、制造方法及使用方法。
一方面，本发明提供了具有包含表面多孔二氧化硅粒子的固定相的分离装置，其
中所述粒子的尺寸小于2微米。
一方面，本发明提供了具有包含表面多孔无机/有机杂化粒子的固定相的分离装
置，其中所述粒子具有小于2微米的尺寸。
一方面，本发明提供了具有包含表面多孔颗粒材料的固定相的分离装置，所述表
面多孔颗粒材料包括基本无孔的芯和一层或多层包围所述芯的多孔壳材料，其中所述粒子
具有小于2微米的尺寸。
在某些实施方案中，所述装置选自色谱柱、薄层板、过滤膜、微流体分离装置、样品
清洁装置、固体载体、固相提取装置、微芯片分离装置和微量滴定板。
在一个特定的实施方案中，所述分离装置可用于超临界流体色谱。
另一方面，本发明提供了色谱柱，其包括：
a)具有用于接受填充材料的圆柱形内部的柱和
b)填充的色谱床，其包括表面多孔二氧化硅粒子、表面多孔无机/有机杂化粒子或包
括基本无孔的芯和一层或多层包围所述芯的多孔壳材料的表面多孔颗粒材料，其中所述粒
子的尺寸小于2微米。
另一方面，本发明提供了色谱装置，其包括：
a)用于接受填充材料的内部通道，和
b)填充的色谱床，其包括表面多孔二氧化硅粒子、表面多孔无机/有机杂化粒子或包
括基本无孔的芯和一层或多层包围所述芯的多孔壳材料的表面多孔颗粒材料，其中所述粒
子的尺寸小于2微米。
另一方面，本发明提供了包含本发明的表面多孔材料和在超临界流体色谱中使用
的说明书的套装。在某些实施方案中，所述说明书是结合分离装置使用。在某些其他实施方
案中，所述分离装置选自色谱柱、薄层板、微流体分离装置、固相提取装置、过滤膜、样品清
洁装置和微量滴定板。
另一方面，本发明提供了进行超临界流体色谱的方法，其包括以下步骤：
提供待通过超临界流体色谱分离的样品；
将所述样品加载到包含表面多孔二氧化硅粒子、表面多孔无机/有机杂化粒子或包括
基本无孔的芯和一层或多层包围所述芯的多孔壳材料的表面多孔颗粒材料的固定相上，其
中所述粒子的尺寸小于2微米；和
进行超临界流体色谱以分离所述样品。
再一方面，本发明提供了进行超临界流体色谱的方法，其包括以下步骤：
提供待通过超临界流体色谱分离的样品；
将所述样品加载到包含表面多孔二氧化硅粒子、表面多孔无机/有机杂化粒子或包括
基本无孔的芯和一层或多层包围所述芯的多孔壳材料的表面多孔颗粒材料的固定相上；和
进行超临界流体色谱以分离所述样品；
其中与所述固定相相关的拖尾因子为约0.80-2.0。
表面多孔材料具有式1：
[X](W)a(Q)b(T)c式1
其中：
X为表面多孔二氧化硅材料、表面多孔无机/有机杂化材料或包括基本无孔的芯和一层
或多层包围所述芯的多孔壳材料的表面多孔颗粒材料；
W不存在和/或包括氢和/或包括在X的表面上的羟基；
Q直接连接X且包含与分析物色谱相互作用的第一亲水、极性、可电离和/或带电的官能
团；
T直接连接X且包含与分析物色谱相互作用的第二亲水、极性、可电离和/或带电的官能
团；
a>0，b>0，c>0，其中b=0且c>0，或c=0且b>0，且
Q和T基本上消除了在分析物之间的色谱相互作用，且X和W由此使在采用低水浓度的色
谱条件下保留变量随时间的变化(漂移)减至最小。
表面多孔材料具有式2：
[X](W)a(Q)b(T)c式2
其中：
X为表面多孔材料；
W不存在和/或包括氢和/或包括在X的表面上的羟基；
Q为使在采用低水浓度的色谱条件下保留变量随时间的变化(漂移)减至最小的官能
团；
T包含与分析物色谱相互作用的一个或多个亲水、极性、可电离和/或带电的官能团；且
b和c为正数，0.05≤(b/c)≤100且a≥0。
另一方面，本发明提供了进行超临界流体色谱的方法，所述方法包括以下步骤：
提供待通过超临界流体色谱分离的样品；
将所述样品加载到包含表面多孔二氧化硅粒子、表面多孔无机/有机杂化粒子或包括
基本无孔的芯和一层或多层包围所述芯的多孔壳材料的表面多孔颗粒材料的固定相上，其
中所述粒子的尺寸小于2微米；和
进行超临界流体色谱以分离所述样品。
附图简述
图1示出在超临界流体色谱条件下用如本文所述的尺寸小于2微米的表面多孔粒子与
尺寸小于2微米的全多孔粒子以及尺寸大于2微米的表面多孔粒子填充的柱的比较。具体地
讲，柱为3.0×50mm且用实施例11a的材料填充。条件：3.0mLm/min,97/3CO2/MeOH,40C,
2175psiABPR,254nm检测，ACQUITYUPC2系统；
图2示出对羟基苯甲酸丁酯在用实施例11a的材料填充的3.0×50mm柱上得到的低拖尾
峰色谱图(USP拖尾因子=1.126；USP板=15782)。条件：3.0×50mm柱，3.0mLm/min,97/3
CO2/MeOH,40C,2175psiABPR，254nm检测，ACQUITYUPC2系统。
发明详述
本发明提供了例如用于色谱分离的新色谱材料、其制备方法及含有所述色谱材料的分
离装置。将参考下文阐述的定义更全面地说明本发明。
定义
“杂化”(包括“杂化无机/有机材料”)包括基于无机的结构，其中有机官能团对于内部
或“骨架”无机结构以及杂化材料表面是完整的。杂化材料的无机部分可为例如氧化铝、二
氧化硅、钛、铈，或者“杂化”包括基于无机的结构，其中有机官能团对于内部或“骨架”无机
结构以及杂化材料表面是完整的。杂化材料的无机部分可为例如氧化铝、二氧化硅、钛、铈
或锆氧化物或陶瓷材料；在一个有利的实施方案中，杂化材料的无机部分为二氧化硅。如上
所述，例示性杂化材料示于美国专利号4,017,528、6,528,167、6,686,035和7,175,913及国
际申请公告号WO2008/103423中。
术语“脂环基”包括三个或多个碳原子的闭环结构。脂环基包括为饱和环状烃的烷
烃(cycloparaffin)或环烷(naphthene)、具有两个或更多个双键的不饱和环烯烃和具有三
键的环炔。它们不包括芳族基团。环烷烃的实例包括环丙烷、环己烷和环戊烷。环烯烃的实
例包括环戊二烯和环辛四烯。脂环基还包括稠环结构和取代的脂环基如烷基取代的脂环
基。在脂环类的情况下，所述取代基还可包括低级烷基、低级烯基、低级烷氧基、低级烷硫
基、低级烷基氨基、低级烷基羧基、硝基、羟基、-CF3、-CN等。
术语“脂族基团”包括以直链或支链为特征的有机化合物，其通常具有1-22个碳原
子。脂族基团包括烷基、烯基和炔基。在复杂的结构中，链可为支链或交联的。烷基包括具有
一个或多个碳原子的饱和烃类，包括直链烷基和支链烷基。所述烃部分可在一个或多个碳
上被例如卤素、羟基、硫醇、氨基、烷氧基、烷基羧基、烷硫基或硝基取代。除非碳的数目是另
外说明的，否则本文使用的“低级脂族”意指如上定义的脂族基团(例如，低级烷基、低级烯
基、低级炔基)，但其具有1-6个碳原子。所述低级脂族基团如低级烷基的代表有甲基、乙基、
正丙基、异丙基、2-氯丙基、正丁基、仲丁基、2-氨基丁基、异丁基、叔丁基、3-硫代戊基等。本
文使用的术语“硝基”意指-NO2；术语“卤素”表示-F、-Cl、-Br或-I；术语“硫醇”意指SH；且术
语“羟基”意指-OH。因此，本文使用的术语“烷基氨基”意指如以上定义的具有连接于其上的
氨基的烷基。合适的烷基氨基包括具有1-约12个碳原子、有利地1-约6个碳原子的基团。术
语“烷硫基”是指具有连接于其上的巯基的如上定义的烷基。合适的烷硫基包括具有1-约12
个碳原子、有利地1-约6个碳原子的基团。本文使用的术语“烷基羧基”意指具有连接于其上
的羧基的如上定义的烷基。本文使用的术语“烷氧基”意指具有连接于其上的氧原子的如上
定义的烷基。代表性烷氧基包括具有1-约12个碳原子、有利地1-约6个碳原子的基团，例如
甲氧基、乙氧基、丙氧基、叔丁氧基等。术语“烯基”和“炔基”是指类似于烷基的不饱和脂族
基团，但其分别含有至少一个双键或三键。合适的烯基和炔基包括具有2-约12个碳原子、有
利地1-约6个碳原子的基团。
术语“烷基”包括饱和的脂族基团，包含直链烷基、支链烷基、环烷基(脂环族)基
团、烷基取代的环烷基和环烷基取代的烷基。在某些实施方案中，直链或支链的烷基在其主
链中具有30个或更少的碳原子，例如，直链C1-C3或支链C3-C30。在某些实施方案中，直链或支
链烷基在其主链中具有20个或更少的碳原子，例如，直链C1-C20或支链C3-C20，且更有利地18
个或更少。同样地，有利的环烷基在其环状结构中具有4-10个碳原子且更有利的环烷基在
环状结构中具有4-7个碳原子。术语“低级烷基”是指在链中具有1-6个碳的烷基和在环结构
中具有3-6个碳的环烷基。
此外，如在整个说明书和权利要求书中所用的术语“烷基”(包括“低级烷基”)包括
“未被取代的烷基”和“被取代的烷基”两者，后者是指烷基部分在烃主链的一个或多个碳上
具有置换氢的取代基。所述取代基可包括例如卤素、羟基、烷基羰氧基、芳基羰氧基、烷氧基
羰氧基、芳氧基羰氧基、羧酸酯、烷基羰基、烷氧羰基、氨羰基、烷基硫代羰基、烷氧基、磷酸
酯、膦酸根合(phosphonato)、次膦酸根合(phosphinato)、氰基、氨基(包括烷基氨基、二烷
基氨基、芳基氨基、二芳基氨基和烷基芳基氨基)、酰基氨基(包括烷基羰基氨基、芳基羰基
氨基、氨基甲酰基和脲基)、脒基、亚氨基、巯基、烷硫基、芳硫基、硫代羧酸酯、硫酸酯、磺酸
根合(sulfonato)、氨磺酰基、磺酰氨基、硝基、三氟甲基、氰基、叠氮基、杂环基、芳烷基或芳
族或杂芳族部分。本领域技术人员应当理解，如果合适，在烃链上取代的部分可以自身被取
代。环烷基可例如被上述取代基进一步取代。“芳烷基”部分为用例如具有1-3个分开或稠合
的环或6-约18个碳环原子的芳基取代的烷基，例如苯甲基(苄基)。
本文所用的术语“氨基”是指式-NRaRb的未被取代或被取代的部分，其中Ra和Rb各
自独立地为氢、烷基、芳基或杂环基，或Ra和Rb与它们所连接的氮原子一起形成在环中具有
3-8个原子的环状部分。因此，除非另有说明，否则术语“氨基”包括环状氨基部分，例如哌啶
基或吡咯烷基。“氨基取代的氨基”是指其中Ra和Rb中至少一个被氨基进一步取代的氨基。
“杂原子取代的氨基”是指其中Ra和Rb中的至少一个被含有另一杂原子的基团进一步取代的
氨基。
术语“芳族基团”包括含有一个或多个环的不饱和环烃。芳族基团包括5-和6-元单
环基团，其可包含0-4个杂原子，例如苯、吡咯、呋喃、噻吩、咪唑、噁唑、噻唑、三唑、吡唑、吡
啶、吡嗪、哒嗪和嘧啶等。芳族环可在一个或多个环位置被例如卤素、低级烷基、低级烯基、
低级烷氧基、低级烷硫基、低级烷基氨基、低级烷基羧基、硝基、羟基、-CF3、-CN等取代。
术语“芳基”包括5-和6-元单环芳族基团，其可包含0-4个杂原子，例如未被取代或
被取代的苯、吡咯、呋喃、噻吩、咪唑、噁唑、噻唑、三唑、吡唑、吡啶、吡嗪、哒嗪和嘧啶等。芳
基还包括多环稠合芳族基团，例如萘基、喹啉基、吲哚基等。芳族环可在一个或多个环位置
被例如上文对于烷基所述的取代基取代。合适的芳基包括未被取代和被取代的苯基。本文
使用的术语“芳氧基”意指具有连接于其上的氧原子的如上定义的芳基。本文使用的术语
“芳烷氧基”意指具有连接于其上的氧原子的如上定义的芳烷基。合适的芳烷氧基具有1-3
个分开的或稠合的环和6-约18个碳环原子，例如，O-苄基。
术语“陶瓷前体”意欲包括导致形成陶瓷材料的任何化合物。
术语“手性部分”意欲包括允许手性或立体选择性合成的任何官能团。手性部分包
括但不限于具有至少一个手性中心的取代基、天然或非天然的氨基酸、肽和蛋白质、衍生的
纤维素、大环抗生素、环糊精、冠醚和金属配合物。
用语“色谱增强的孔几何结构”包括本发明公开材料的孔构型的几何结构，已经发
现其增强材料的色谱分离能力，例如，如不同于本领域中的其他色谱介质。例如，可以形成、
选择或构造几何结构，并且可使用多种性质和/或因素以确定材料的色谱分离能力是否已
经“增强”，例如，与本领域中已知或常用的几何结构相比较。这些因素的实例包括高分离效
率、较长的柱寿命和高传质性质(如通过例如减少的条带散布和良好的峰形所证明)。这些
性质可使用本领域公认的技术测量或观察。例如，本发明多孔材料的色谱增强的孔几何结
构通过不存在“墨水瓶(inkbottle)”或“贝壳状(shellshaped)”孔几何结构或形态而与
现有技术粒子区别，以上两者都是不期望的，因为它们例如降低传质率，导致低效率。在仅
含有少量微孔的多孔材料中发现色谱增强的孔几何结构。具有这样的低微孔表面积(MSA)
的多孔材料给出包括高分离效率和良好传质性质(如通过例如降低条带散布和良好峰形所
证明)的色谱增强作用。微孔表面积(MSA)定义为具有直径小于或等于34?的孔的表面积，微
孔表面积是通过多点氮吸附分析，使用BJH方法由等温线的吸附支路(adsorptionleg)确
定。本文所用的缩写“MSA”和“MPA”可互换地用以表示“微孔表面积”。
术语“官能化基团”包括有机官能团，其赋予色谱固定相某些色谱官能团。
术语“杂环基团”包括在环中的一个或多个原子为非碳的元素如氮、硫或氧的闭环
结构。杂环基团可为饱和或不饱和的，且杂环基团例如吡咯和呋喃可具有芳族特性。它们包
含稠环结构，例如喹啉和异喹啉。杂环基团的其他实例包括吡啶和嘌呤。杂环基团还可以在
一个或多个构成原子(constituentatoms)位置被例如卤素、低级烷基、低级烯基、低级烷
氧基、低级烷硫基、低级烷基氨基、低级烷基羧基、硝基、羟基、-CF3、-CN等取代。合适的杂芳
族和杂脂环基团通常将具有1-3个分开或稠合的环和一个或多个N、O或S原子，其中每个环
具有3-约8个成员，例如香豆素基、喹啉基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、呋喃基、吡咯基、噻吩
基、噻唑基、噁唑基、咪唑基、吲哚基、苯并呋喃基、苯并噻唑基、四氢呋喃基、四氢吡喃基、哌
啶基、吗啉基和吡咯烷基。
术语“金属氧化物前体”意欲包括含有金属并导致形成例如氧化铝、二氧化硅、氧
化钛、氧化锆或氧化铈的金属氧化物的任何化合物。
术语“纳米粒子”为粉末/纳米粉末的微观粒子/细粒或微观成员，其至少一维小于
约100nm，例如直径或粒子厚度小于约100nm(0.1mm)，其可为结晶或非结晶的。纳米粒子具
有不同于并通常优于那些常规本体材料(bulkmaterial)的性质，包括例如更大的强度、硬
度、延展性、可烧结性和更大的反应性等。大量的科学研究继续专注于确定纳米材料的性
质，其少量已经通过包括胶体沉淀、机械研磨和气相成核和生长的多种方法来合成(主要作
为纳米级粉末)。大量的综述已经记载了近期纳米相材料的发展，并且通过引用结合到本文
中来：Gleiter,H.(1989)"Nano-crystallinematerials,"Prog.Mater.Sci.33:
223-315和Siegel,R.W.(1993)"Synthesisandpropertiesofnano-phase
materials,"Mater.Sci.Eng.A168:189-197。在某些实施方案中，纳米粒子包含下列的
氧化物或氮化物：碳化硅、铝、金刚石、铈、碳黑、碳纳米管、锆、钡、铈、钴、铜、铕、钆、铁、镍、
钐、硅、银、钛、锌、硼及其混合物。在某些实施方案中，本发明的纳米粒子选自金刚石、氧化
锆(无定形、单斜晶、正方晶和立方形式)、氧化钛(无定形、锐钛矿、板钛矿和金红石形式)、
铝(无定形、α和γ形式)和氮化硼(立方形式)。在特定的实施方案中，本发明的纳米粒子选
自纳米金刚石、碳化硅、二氧化钛(锐钛矿形式)、立方氮化硼及其任意组合。此外，在特定的
实施方案中，纳米粒子可为结晶或无定形的。在特定的实施方案中，纳米粒子的直径小于或
等于100nm，例如，直径小于或等于50nm，例如，直径小于或等于20nm。
此外，应当理解的是特征为散布在本发明的复合材料内的纳米粒子意欲描述外源
加入的纳米粒子。这与含有与假设纳米粒子具有显著相似性的纳米粒子或形成物形成对
比，其能够在原位形成，其中，例如，例如粒子的大分子结构可包含这些外源产物的聚集体。
术语“基本无序的”是指基于X-射线粉末衍射分析缺少孔顺序。具体地讲，“基本无
序的”通过在对应于X-射线衍射图中至少1nm的d值(或d-间距)的衍射角处缺少峰来定义。
“表面改性剂”(通常)包含有机官能团，其赋予色谱固定相某一色谱官能团。多孔
的无机/有机杂化颗粒具有可额外地用表面改性剂取代或衍生的有机基团和硅醇基团两
者。
用语“表面改性的”在本文中用以描述具有可额外地用表面改性剂取代或衍生的
有机基团和硅醇基团两者的本发明的复合材料。“表面改性剂”(通常)包含有机官能团，其
赋予色谱固定相某一色谱官能团。如本文公开的表面改性剂连接到基础材料，例如，通过衍
生或涂覆且随后交联，将表面改性剂的化学特征赋予基础材料。在一个实施方案中，杂化材
料例如粒子的有机基团反应以与表面改性剂形成有机共价键。改性剂可经由在有机和高分
子化学中熟知的若干机理与材料的有机基团形成有机共价键，所述机理包括但不限于亲
核、亲电、环加成、自由基、碳烯、氮烯和碳正离子反应。有机共价键定义为涉及在有机化学
的常见元素之间的共价键形成，所述元素包括但不限于氢、硼、碳、氮、氧、硅、磷、硫和卤素。
另外，碳-硅和碳-氧-硅键定义为有机共价键，然而，硅-氧-硅键并不被定义为有机共价键。
多种合成转换在文献中是熟知的，参见例如March,J.AdvancedOrganicChemistry，第3
版，Wiley，NewYork，1985。
术语“纳米粒子”为粉末/纳米粉末的微观粒子/细粒或微观成员，其至少一维小于
约100nm，例如直径或粒子厚度小于约100nm(0.1μm)，其可为结晶或非结晶的。纳米粒子具
有不同于并通常优于那些常规本体材料的性质，包括例如更高的强度、硬度、延展性、可烧
结性和更大的反应性等。大量的科学研究继续专注于确定纳米材料的性质，其少量已经通
过包括胶体沉淀、机械研磨和气相成核和生长的多种方法来合成(主要作为纳米级粉末)。
大量的综述已经记载了近期纳米相材料的发展，并且通过引用结合到本文中来：Gleiter,
H.(1989)"Nano-crystallinematerials,"Prog.Mater.Sci.33:223-315和Siegel,
R.W.(1993)"Synthesisandpropertiesofnano-phasematerials,"Mater.Sci.
Eng.A168:189-197。在某些实施方案中，纳米粒子包含下列的氧化物或氮化物：碳化硅、
铝、金刚石、铈、碳黑、碳纳米管、锆、钡、铈、钴、铜、铕、钆、铁、镍、钐、硅、银、钛、锌、硼及其混
合物。在某些实施方案中，本发明的纳米粒子选自金刚石、氧化锆(无定形、单斜晶、正方晶
和立方形式)、氧化钛(无定形、锐钛矿、板钛矿和金红石形式)、铝(无定形、α和γ形式)和氮
化硼(立方形式)。在特定的实施方案中，本发明的纳米粒子选自纳米金刚石、碳化硅、二氧
化钛(锐钛矿形式)、立方氮化硼及其任意组合。此外，在特定的实施方案中，纳米粒子可为
结晶或无定形的。在特定的实施方案中，纳米粒子的直径小于或等于100μm，例如，直径小于
或等于50μm，例如，直径小于或等于20μm。
此外，应当理解的是特征为散布在本发明的复合材料内的纳米粒子意欲描述外源
加入的纳米粒子。这与含有与假设纳米粒子具有显著相似性的纳米粒子或形成物形成对
比，其能够在原位形成，其中，例如，例如粒子的大分子结构可包含这些外源产物的聚集体。
纳米粒子因为它们的本体材料与原子或分子结构之间有效联系而具有重大科学
意义。本体材料具有恒定的物理性质，而与其尺寸无关，但是在纳米级别度下，事实常不是
这样。观察到依赖尺寸的性质，例如在半导体粒子中的量子局限效应、在一些金属粒子中的
表面电浆共振和在磁性材料中的超顺磁性。
材料的性质随其尺寸接近纳米级别和在材料表面上原子的百分数改变而变得显
著。对于大于1微米的本体材料，在表面处原子的百分数相对于材料的总原子数很小。纳米
粒子的重要且有时出乎意料的性质部分地归因于主导这些性质的材料表面的各方面而不
是主体性质。在某些实施方案中，纳米粒子的选择影响色谱材料的选择性。例如，TiO2或氧
化锆的分散可改进表面电荷、表面酸性，且因此改进色谱选择性。
用语“复合材料”和术语“复合物”在本文中可互换地用以描述由一种或多种本文
所述的组分以及分散的纳米粒子构成的本发明的工程化材料，其中各组分/纳米粒子在成
品结构内在宏观水平上保持分开且不同。本发明的复合材料与形式无关，并且在本质上可
为整料或颗粒。此外，可使用速记约定来描述含有分散的纳米粒子的复合材料，Np/(A)w(B)x
(C)y，且可如下理解：在斜线标记左侧的符号表示代表分散的纳米粒子，且在斜线标记右侧
的符号表示代表包含在其内分散着纳米粒子(记录在斜线标记的左侧)的材料的组分。在某
些实施方案中，本发明的复合材料可为纳米复合材料，已知其至少包括例如纳米/纳米型、
内部型、中间型和内部/中间型。(NanocompositesScienceandTechnology，编者P.M.
Ajayan、L.S.Schadler、P.V.Braun、Wiley-VCH(Weinheim,Germany),2003。)
术语“具有高导热率的材料”、“高导热率芯”和“高导热率添加剂”定义为具有大于20W/
(m·K)的导热率的材料、芯材料或复合添加剂。在各种实施方案中，添加剂具有约20W/(m·
K)至不超过3500W/(m·K)；约100W/(m·K)至不超过3300W/(m·K)；和400W/(m·K)至不超
过3000W/(m·K)的导热率。高导热率芯或添加剂可为例如但不限于0.1-8μm芯粒子、纳米粒
子添加剂或金属氧化物前体。在各种实施方案中，所述高导热率芯或添加剂包括(但不限
于)铝、铜、金和金刚石。
“高散热率”芯或添加剂定义为具有大于20mm2/s的散热率的在表面多孔材料中使
用的添加剂。在各种实施方案中，所述芯或添加剂具有约20mm2/s至不超过2000mm2/s；约
100mm2/s至不超过1600mm2/s；和150mm2/s至不超过1400mm2/s的散热率。该高导热率芯或添
加剂可为0.1-8μm芯粒子、纳米粒子添加剂或金属氧化物前体。在各种实施方案中，所述高
导热率芯或添加剂包括(但不限于)铝、铜、金和金刚石。
“高导热率表面多孔材料(或粒子)”定义为相对于相同尺寸的多孔二氧化硅粒子
而言具有改善的导热率或改善的散热率的材料。在各种实施方案中，较高导热率的表面多
孔材料为相对于具有相同尺寸的表面多孔二氧化硅粒子而言具有改善的导热率或散热率
的材料。在各种实施方案中，较高导热率的表面多孔材料为相对于具有相同尺寸的全多孔
杂化粒子而言具有改善的导热率的材料。粒子导热率的确定可考虑本体材料性质、孔体积、
表面改性类型和覆盖率的差别通过Gritti和Guiochon[J.Chromatogr.A,2010,1217,
5137]的方法进行。
术语“磁性材料”、“磁性芯”和“磁性添加剂”定义为在室温下具有大于15emu/g(A
m2/kg)的质量磁化强度(σ，单位质量的磁矩、磁饱和度或饱和磁化强度)的材料、芯材料或
复合添加剂。这包括铁磁性和亚铁磁性材料，包括(但不限于)：磁铁矿(magnetite)(磁铁矿
(ferrousferricoxide))；磁赤铁矿；钇铁石榴石、钴、CrO2；和含有铁和Al、Mg、Ni、Zn、Mn
或Co的铁氧体)。磁芯粒子不包括其他氧化铁(包括赤铁矿和针铁矿)，其具有小于10emu/g
的质量磁化强度值。认为赤铁矿(0.4emu/g)在室温下为反铁磁性的。
本文使用的术语“细粒”是指在本发明的方法中产生的不想要的材料，其小于目标
粒度分布的10体积%。细粒可由于再种晶事件或粒子破裂而形成。所产生的细粒可为无孔或
全多孔的。细粒常常明显小于目标粒度分布的10体积%。细粒的尺寸常小于1μm。非常小的细
粒可造成色谱中透过填充床并陷进出口滤料中的问题。这产生增加的柱压力。供选地，粒度
足够小以透过填充床和出口滤料的细粒可引起关于检测器的问题并且可污染产物。关于检
测器的问题包括堵塞流动通道、堵塞检测器窗和反常的检测器读数。这样的问题可降低检
测器的寿命且可需要深入的清洁方案。这样的问题还可影响所产生的分析数据的精密性、
准确性、可靠性、重现性和稳定性。细粒可通过分级除去。
本文使用的术语“聚集体”和“团聚体”是指在本发明的方法中产生的大于目标粒
度分布的90体积%的不想要的材料。聚集体和/或团聚体可由于芯材料的不完美性、在所述
方法中的混合或分散不当或在处理期间过度的力而形成。聚集体和团聚体可影响在色谱柱
内填充床的效率、渗透性、重现性和稳定性。难以用具有增加量的聚集体和团聚体的材料最
佳地填充色谱柱。聚集体和团聚体在暴露于高压和高剪切时可在填充床结构内破裂开。这
可产生填充床的机械不稳定性且在柱顶部产生孔。聚集体和团聚体的这种破裂也可引起细
粒产生。聚集体和团聚体可通过分级除去。
杂化无机/有机表面多孔粒子
杂化粒子技术由于它们提供增加的化学稳定性和降低的硅醇活性而为许多色谱应用
高度需要。在色谱应用中杂化粒子优于二氧化硅和杂化涂覆的二氧化硅粒子的一项关键优
势在于在与碱性流动相(pH8-12)一起使用时具有优异的柱稳定性。二氧化硅和一些杂化
涂覆的二氧化硅包装材料由于二氧化硅溶解和填充床陷落而在这些条件下具有有限的寿
命。
合成杂化表面多孔粒子的方法
在一种方法中，根据标准方案制备球形二氧化硅或杂化无孔芯。表面多孔层使用以下
各物中的两种或更多种形成：TEOS、热可降解的有机官能硅烷(例如，乙酰氧基丙基三烷氧
基硅烷或溴乙基三烷氧基硅烷)；以及更加热稳定的杂化硅烷，例如(但不限于)亚苯基桥连
的硅烷。在该方法中，进行较低温度的热处理(<500℃)以使热可降解的有机官能硅烷降解，
由此引入孔隙度，同时维持更加热稳定的杂化基团。所述温度通过在空气中进行的TGA实验
确定。如本文详述，进行分级、孔改性、酸处理和粘合的额外步骤。
在另一方法中，根据标准方案制备球形杂化无孔芯。表面多孔层使用表面活性剂
或混合表面活性剂方法使用一种或多种硅烷制备，所述硅烷包括(但不限于)TEOS、较低温
度可降解的有机官能硅烷(例如，乙酰氧基丙基三烷氧基硅烷或溴乙基三烷氧基硅烷)、亚
乙基桥连的烷氧基硅烷或亚苯基桥连的烷氧基硅烷。表面活性剂使用酸乙醇法(例如，在乙
醇中的盐酸)除去。供选地，表面活性剂通过在保留杂化基团、同时除去表面活性剂的温度
下热处理(<500℃)除去。该温度通过在空气中进行的TGA实验确定。供选地，表面活性剂通
过氧化(例如，臭氧分解)除去。供选地，在该方法中使用的一种或多种表面活性剂选自酸不
稳定、碱不稳定或其他不稳定的表面活性剂。这些不稳定的表面活性剂可通过选择恰当的
化学条件(例如酸解、碱解、还原或氧化、氢化或氢解)而反应且随后除去。如上文详述，进行
分级、孔改性、酸处理和粘合的额外步骤。
在另一方法中，根据标准方案制备球形二氧化硅或杂化无孔芯。单独地，杂化溶胶
(<100nm)溶液使用一种或多种硅烷制备，所述硅烷包括(但不限于)TEOS、较低温度可降解
的有机官能硅烷(例如，乙酰氧基丙基三烷氧基硅烷或溴乙基三烷氧基硅烷)、亚乙基桥连
的烷氧基硅烷或亚苯基桥连的烷氧基硅烷。均匀的表面多孔层随后在逐层方法中使用合适
的带正电的聚电解质制备。合适的聚电解质包括(但不限于)含有以下基团：烷基、环烷基、
芳基、环氧乙烷基团中的一个或多个以及以下基团：伯、仲、叔和季胺基、吡咯烷酮、吡啶和
咪唑中的一个或多个的线性、分支和嵌段的聚合物。聚电解质通过在保持杂化基团、同时除
去聚电解质的温度下热处理(<500℃)除去。该温度通过在空气中进行的TGA实验确定。供选
地，聚电解质通过臭氧分解除去。如本文详述，进行分级、孔改性、酸处理和粘合的额外步
骤。
较高导热率的表面多孔粒子
最近的研究(Gritti,F.JournalofChromatographyA,1217(2010)5069-5083)
提出，在与相同粒度的全多孔粒子相比较时，表面多孔二氧化硅粒子具有显著更高的导热
率。该较高导热率为为何提到表面多孔粒子具有改善的色谱性能的一个原因。
合成较高导热率的表面多孔粒子的方法
已经熟知许多材料具有比二氧化硅高的导热率。这包括金刚石。熟知微米和亚微米尺
寸的金刚石粒子，且可由天然和化学方法制备。供选地，金刚石纳米粒子可并入无孔芯(包
括无孔二氧化硅)内。在与粒度相当的基于二氧化硅的表面多孔粒子相比较时，对于表面多
孔粒子使用金刚石芯(0.5-3μm)可引起可测量的导热率增加。为了降低可由金刚石芯产生
的不想要的色谱相互作用，可有利地使用无孔二氧化硅或杂化表面涂料。该表面涂覆步骤
可在生长方法中有利地重复或进行以实现所要的厚度。在该步骤的最后可有利地使用煅烧
和表面再羟基化。
所述表面多孔层可为二氧化硅或杂化的，且可在本文所述的方法中的任一种中制
备。如本文详述，随后进行分级、煅烧、孔改性、再煅烧、再羟基化和粘合的额外步骤(根据需
要)。
使用表面多孔技术改善渗透率
粒子特性对填充床渗透率的影响可使用康采尼-卡曼方程(Kozeny-Carmanequation)
模拟。可使用该方程来模拟推动溶剂经过用粒子填充的柱所需要的压力，所述柱的间隙馏
分(interstitialfraction)(ε)和粒度(dp)是变化的。压力随着粒度的平方(基于数字计
数)而变，同时柱效率与粒度(基于体积计数)线性相关。因此，减小粒度以改善效率，引起柱
压力显著增加。虽然存在可操作增加的柱压力的色谱系统，但是期望对于给定粒度得到可
用的最低柱压力。实现此的一种方法是减小在数量平均粒度和体积平均粒度之间的差别。
例如，使用单分散性的粒子。已经报道了具有粗糙或光滑粒子表面的单分散性无孔、全多孔
和表面多孔的粒子。对于后者，制备单分散性粒子的能力随着无孔芯以及多孔层的均匀性
而变。如本文所述，本发明的材料提供改善的渗透率以及高pH流动相的改善的化学稳定性。
合成形成具有改善的渗透率的填充床的表面多孔粒子的方法
如果将粒子形状改性，则可实现渗透率的进一步改善。例如，代替高度球形的芯，使用
均匀的微米尺寸的“甜甜圈”型、杆、哑铃状、星型或弯杆状芯。额外的形状包括(但不限于)
盘管、圆盘、凹面盘、线轴、环、螺旋体、鞍状物、十字形、立方体、帽状体、螺旋体、圆柱体和
管。已经报道了哑铃体、“甜甜圈”型、杆、盘管和五角三八面体粒子的实例{Doshi,N.
PNAS,2009,106,51,21495;Alexander,L.Chem.Commun.,2008,3507;Naik,S.
J.Phys.Chem.C2007,111,11168;Pang,X.MicroporousandMesoporous
Materials85(2005)1;Kievsky,Y.IEEETransactionsonNanotechnology,2005,
4,5,490;Sugimoto,T.inMonodispersedParticles,(ElsevierScienceBV,
Amsterdam)2001;Ozin,G.Adv.Mater.,1997,9,662}。
非球形芯的重要因素在于它们尺寸相对均匀，流动自由，无孔且机械强度足以用
于HPLC和UPLC。这些芯的组分可选自(但不限于)二氧化硅、金属氧化物、金刚石、强烈交联
的聚合物和杂化材料。芯均匀性的改善可经由分级实现。孔隙度的降低可通过用类似或不
同的组分孔填充(例如用交联聚合物组合物孔填充二氧化硅材料)。机械强度的改善通过用
相同或不同的组分增加交联(例如，在聚合物组合物内产生二氧化硅网络)或通过煅烧来实
现。对于后者，可有利地使用较高的温度(例如，>800℃)。
为了降低由芯引起的不想要的色谱相互作用，可有利地使用涂有二氧化硅、杂化
或聚合组合物的无孔表面涂料。该表面涂覆步骤可必须在生长方法中重复或进行以实现所
要的厚度。为了确保基本不改变芯形态，该步骤有利地提供均匀的表面层。在该步骤的最后
可有利地使用煅烧和表面再羟基化。
均匀的二氧化硅或杂化表面多孔层可由上述方法中的任一种形成。为了确保基本
不改变芯形态，该步骤有利地产生高度均匀的多孔层。如上详述，随后(根据需要)进行分
级、煅烧、孔改性、再煅烧、再羟基化和粘合的额外步骤。这些非球形表面多孔材料可单个地
或作为与其他形状或与球形粒子的混合物填充在色谱柱中。重要的是对于这些混合体系优
化柱填充条件。必须考虑维持在不同材料之间的类似分散、堆积密度和沉降速度。
制备表面多孔材料的改善方法
如本文所提，AMT方法和科克大学方法都需要在表面多孔层形成期间使用离心、接着再
分散的重复的工艺中的后处理。与重复离心相关的问题是聚集/团聚、难以将粒子再分散、
产物均匀性和该方法需要的劳动时间久。聚集和团聚对于该方法极其不利。聚集体/团聚体
可以在这两种方法中进一步涂覆。因为该性质，重复的离心允许这些未老化的“毛坯”材料
彼此挨近。过度的离心时间和地球引力可产生可难以再分散的致密床结构。过滤(包括切向
过滤)可代替离心，这允许形成不太紧凑的床。遗憾的是，过滤可能加载了亚微米细粒的<3μ
m材料所需要的时间是过高的。这些亚微米细粒可易于堵塞过滤材料，妨碍发生彻底过滤。
还有许多可用以再分散粒子的方法，包括使用声波浴、在线超声波仪、罐内超声波
仪、声波喇叭的超声处理；转子-定子混合器；研磨；低剪切和高剪切混合(例如，锯齿叶轮)
的方法。为了最佳化超声处理，使用振幅、频率和脉冲顺序的优化。还可使用调节导电率、pH
和表面活性剂混合物来最佳地再分散粒子(通过溶剂洗涤或控制试剂的添加顺序)。这些再
分散方法的一个忧虑是潜在地损害表面多孔层。预期高剪切可导致多孔层开裂。所得材料
可具有裸点(bare-spot)或不均匀的多孔层。
另一忧虑是重复法需要的反应时间久，例如AMT和科克大学所描述的那些方法。虽
然所述材料可以实验室或分批规模上制备，但是这些方法所需要的时间可超过通常用于合
成全多孔粒子的那些方法所需要的时间。
对于均匀壳方法的另一忧虑是再播种的影响。再播种的粒子(<0.5μm)可在生长步
骤期间出现。如果未将它们有效地除去，它们将开始优先在较大多孔层、固体芯材料之上生
长。在某一点，两种粒子分布可重叠。在进一步加工步骤之后，此最终结果是表面多孔粒子
和全多孔粒子重叠的混合物。粒子的这些重叠混合物难以分离、量化或了解对色谱性能(包
括色谱重现性)的影响。
改进表面多孔材料合成的方法
在该方法中，使用磁捕集方法来收集磁芯粒子来代替离心或过滤。这些方法包括罐内、
在线或离线磁捕集。
罐内磁捕集使用放置在可拆卸或永久性玻璃套管或挡板的可拆卸磁棒(或供选地
电磁体)。在该方法中，在捕集时间期间，磁棒放置在玻璃套管内。在放空剩余的反应溶液并
加入新的洗涤或反应溶剂之后，除去磁棒并再分散结合的磁芯粒子。供选地，外部磁铁放置
在反应器的侧面，允许磁芯粒子捕获在反应器侧壁上。在放空剩余的反应溶液并加入新的
洗涤或反应溶剂之后，除去外部磁铁并再分散结合的磁芯粒子。
在线磁捕集方法包括在再循环回路中通过收集容器泵送反应溶液。该收集容器放
置在磁性保持区(holdingblock)内。磁芯粒子收集在该容器中。在放空剩余的反应溶液并
加入新的洗涤或反应溶剂之后，从磁性保持区除去收集容器且随着结合的磁芯粒子泵送回
到反应容器中而使其再分散。通过使用适当尺寸的收集容器(有利地含有一个或多个平坦
表面)，该方法具有允许良好地控制暴露于磁场的表面积的优势。
离线磁捕集方法与过滤的类似之处在于将反应溶液转移到第二容器中。在该第二
容器中，施加磁场以允许受控地收集磁芯粒子。反应溶液或洗涤溶剂通过过滤、滗析或通过
虹吸除去。磁芯粒子再分散在适当的溶剂中并将其转移回到反应容器中。
在磁捕集步骤期间，对于所有这些方法，形成磁芯粒子的本体收集物。这些收集的
芯粒的密度比通过过量离心形成的饼块小。结果，这些粒子较易于再分散。再分散磁芯粒子
的方式与上述方法类似。
在该方法中，使用无孔磁芯代替无孔二氧化硅或杂化芯。该磁芯可含有(但不限
于)磁性形式的氧化铁、铁、金属、金属氧化物、二氧化铬、铁氧体或钴。有利地，所述磁芯含
有磁铁矿、磁赤铁矿。所述磁芯可作为纯金属或金属氧化物存在或以与包括(但不限于)二
氧化硅、杂化物、聚合物或非磁性材料的第二材料组合存在。例如，磁芯可通过在无孔二氧
化硅或聚合物粒子内合并<100nm的磁铁矿或钴纳米粒子形成。磁性纳米粒子可为在该材料
内均质分散的纳米粒子或分散的纳米粒子团簇，仅吸附到表面上或仅包含在无孔芯粒的内
部。供选地，可使用0.3-1.5μm磁铁矿或钴粒子作为无孔芯。在该方法中使用磁捕集方法代
替离心或过滤。
为了降低由芯引起的不想要的色谱相互作用，可有利地使用具有二氧化硅、杂化
物或聚合组合物的无孔表面涂料。该表面涂覆步骤可在生长方法中重复或进行以实现所要
的厚度。在该方法中使用磁捕集方法代替离心或过滤。为了确保基本不改变芯形态，该步骤
有利地提供均匀的表面层。在该步骤的最后可有利地使用煅烧和表面再羟基化。
均匀二氧化硅或杂化表面多孔层可由上述方法中的任一种形成。为了确保基本不
改变芯形态，该步骤有利地产生高度均匀的多孔层。在该方法中使用磁捕集方法代替离心
或过滤。如上详述，随后(根据需要)进行分级、煅烧、孔改性、再煅烧、再羟基化和粘合的额
外步骤。
考虑与均匀层方法的再播种粒子相关的问题，例如上述方法或科克大学方法，磁
芯粒子允许从再播种粒子中分离多孔层材料的独特方法。这可在生产中或在产物后处理期
间利用。
使用磁芯粒子以及磁捕集方法允许自动合成表面多孔粒子的独特方法。使用罐内
磁捕集(例如，使用电磁体)允许全自动粒子收集。使用自动化底阀和溶剂添加阀来使合成
条件完全自动化。使用罐内或在线粒度测量以监测反应性能并确定反应完成。
芯和壳材料
本发明提供包括基本无孔的无机/有机杂化芯和一层或多层包围所述芯的多孔壳材料
的表面多孔材料、粒子和/或整料。
在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料具有色谱增强的孔几何结构。也就是
说，在一些实施方案中，本发明的表面多孔材料仅具有少量微孔。
在某些方面，本发明的表面多孔材料包括在表面多孔芯上的多孔壳层。在某些实
施方案中，所述材料包括在表面多孔二氧化硅芯上的多孔杂化壳层。
杂化芯
本发明的新无机/有机杂化材料包括基本无孔的无机/有机杂化芯。也就是说，本发明
的无机/有机杂化芯具有小于0.10cc/g的孔体积。所述杂化芯可具有或没有共聚结构。在某
些实施方案中，所述杂化芯可能含有或可能不含复合材料的纳米粒子。
因此，一方面，本发明包括无机/有机杂化芯，其中所述杂化芯的无机部分以约0摩
尔%至不超过约100摩尔%的量存在，其中所述芯的孔基本无序。在其他实施方案中，所述杂
化芯的无机部分以约0摩尔%至不超过约75摩尔%的量存在。在其他实施方案中，所述杂化芯
的无机部分以约0摩尔%至不超过约50摩尔%的量存在。在其他实施方案中，所述杂化芯的无
机部分以约0摩尔%至不超过约25摩尔%的量存在。
在本发明的上述方面的各种实施方案中，所述杂化芯的无机部分的量为：约0摩
尔%至不超过约1摩尔%；约0摩尔%至不超过约2摩尔%；约0摩尔%至不超过约3摩尔%；约0摩
尔%至不超过约4摩尔%；约0摩尔%至不超过约5摩尔%；约0摩尔%至不超过约6摩尔%；约0摩
尔%至不超过约7摩尔%；约0摩尔%至不超过约8摩尔%；约0摩尔%至不超过约9摩尔%；约0摩
尔%至不超过约10摩尔%；约0摩尔%至不超过约11摩尔%；约0摩尔%至不超过约12摩尔%；约0
摩尔%至不超过约13摩尔%；约0摩尔%至不超过约14摩尔%；约0摩尔%至不超过约15摩尔%；约
0摩尔%至不超过约16摩尔%；约0摩尔%至不超过约17摩尔%；约0摩尔%至不超过约18摩尔%；
约0摩尔%至不超过约19摩尔%；约0摩尔%至不超过约20摩尔%；约0摩尔%至不超过约21摩
尔%；约0摩尔%至不超过约22摩尔%；约0摩尔%至不超过约23摩尔%；约0摩尔%至不超过约24
摩尔%；和约0摩尔%至不超过约25摩尔%；约0摩尔%至不超过约26摩尔%；约0摩尔%至不超过
约27摩尔%；约0摩尔%至不超过约28摩尔%；约0摩尔%至不超过约29摩尔%；约0摩尔%至不超
过约30摩尔%；约0摩尔%至不超过约31摩尔%；约0摩尔%至不超过约32摩尔%；约0摩尔%至不
超过约33摩尔%；约0摩尔%至不超过约34摩尔%；约0摩尔%至不超过约35摩尔%；约0摩尔%至
不超过约36摩尔%；约0摩尔%至不超过约37摩尔%；约0摩尔%至不超过约38摩尔%；约0摩尔%
至不超过约39摩尔%；约0摩尔%至不超过约40摩尔%；约0摩尔%至不超过约41摩尔%；约0摩
尔%至不超过约42摩尔%；约0摩尔%至不超过约43摩尔%；约0摩尔%至不超过约44摩尔%；约0
摩尔%至不超过约45摩尔%；约0摩尔%至不超过约46摩尔%；约0摩尔%至不超过约47摩尔%；约
0摩尔%至不超过约48摩尔%；约0摩尔%至不超过约49摩尔%；约0摩尔%至不超过约50摩尔%；
约0摩尔%至不超过约100摩尔%；约50摩尔%至不超过约99摩尔%；和约75摩尔%至不超过约99
摩尔%。
所述杂化芯的无机部分可为氧化铝、二氧化硅(SiO2)、氧化钛、氧化锆或陶瓷材
料。其中无机部分为SiO2的本发明的杂化材料是特定有利的。
在一个实施方案中，有机物含量为约1-约40%碳。在另一实施方案中，有机物含量
为约5-约35%碳。在又一实施方案中，本发明提供多孔无机/有机杂化粒子，其中有机物含量
为约25-约40%碳。在另一实施方案中，有机物含量为约25-约35%碳。在另一实施方案中，有
机物含量为约5-约15%碳。
在一个实施方案中，本发明的杂化材料包括式I的杂化芯：
(SiO2)d/[R2((R)p(R1)qSiOt)m](I)
其中
R和R1各自独立地为C1-C18烷氧基、C1-C18烷基、C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-
C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基、C5-C18芳氧基或C1-C18杂芳基；
R2为C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基、C1-
C18杂芳基；或不存在；其中R2各自连接到两个或更多个硅原子；
p和q各自独立地为0.0-3.0，
t为0.5、1.0或1.5；
d为0-约30；
m为1-20的整数；其中R、R1和R2任选被取代；
条件是：
(1)当R2不存在时，m=1且当0<p+q≤3时，t=；且
(2)当R2存在时，m=2-20且当p+q≤2时，t=。
在某些实施方案中，R2不存在，当p+q=1时，t=1.5；或当p+q=2时，t=1。在
其他实施方案中，R2存在，p=0，q为0或1且当q=0时，t=1.5；或当q=1时，t=1。
在某些实施方案中，R2不存在。在其他实施方案中，R2存在。在其中存在R2的式I的
实施方案中，本发明包括式I的杂化芯，其中p为0，q为0，t为1.5，m为2，且R2为C1-C18烷基、C2-
C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基或C1-C18杂芳基；其中R2各自
连接到两个或更多个硅原子。在另一实施方案中，d为0。在另一实施方案中，d为0.11。在又
一实施方案中，d为0.33。在某些实施方案中，d为0.83。
在其中存在R2的式I的其他实施方案中，本发明包括式I的杂化芯，其中d为0，q为
0，且R2为C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基或C1-
C18杂芳基；且其中R2各自连接到两个或更多个硅原子。在另一实施方案中，p为0、1或2。在另
一实施方案中，t为1.0或1.5。在另一实施方案中，m为1或2。
其中存在R2的式I的杂化芯的某些有利的实施方案列在下表(产物编号是指在下
文列出的实施例中使用的编号)：
在另一实施方案中，本发明的杂化材料包括式II的杂化芯：
(SiO2)d/[(R)p(R1)qSiOt](II)
其中：
R和R1各自独立地为C1-C18烷氧基、C1-C18烷基、C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-
C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基、C5-C18芳氧基或C1-C18杂芳基；
d为0-约30；
p和q各自独立地为0.0-3.0，条件是：当p+q=1时，t=1.5；当p+q=2时，t=1；或当
p+q=3时，t=0.5。
在又一实施方案中，本发明的杂化材料包括式III的杂化芯：
(SiO2)d/[R2((R1)rSiOt)m](III)
其中：
R1为C1-C18烷氧基、C1-C18烷基、C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18
杂环烷基、C5-C18芳基、C5-C18芳氧基或C1-C18杂芳基；
R2为C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基、C1-
C18杂芳基；或不存在；其中R2各自连接到两个或更多个硅原子；
d为0-约30；
r为0、1或2，条件是：当r=0时，t=1.5；当r=1时，t=1；或当r=2时，t=0.5；且
m为1-20的整数。
在各种实施方案中，本发明包括式I和II的杂化芯，其中R为C1-C18烷氧基、C1-C18烷
基或C1-C18烷基。在各种实施方案中，本发明包括式I、II和III的杂化芯，其中R1为C1-C18烷
氧基、C1-C18烷基或C1-C18烷基。在各种实施方案中，本发明包括式I和III的杂化芯，其中R2
为C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基或C1-C18杂
芳基。
在又一实施方案中，本发明的杂化材料包括式IV的杂化芯：
(A)x(B)y(C)z(IV)
其中重复单元A、B和C的顺序可为无规的、嵌段的或者无规和嵌段的组合；A为经由有机
键共价连接到一个或多个重复单元A或B的有机重复单元；B为经无机硅氧烷键连接到一个
或多个重复单元B或C且还可经由有机键连接到一个或多个重复单元A或B的有机硅氧烷重
复单元；C为经由无机键连接到一个或多个重复单元B或C的无机重复单元；x和y为正数，且z
为非负数，其中x+y+z=1。在某些实施方案中，当z=0时，0.002≤x/y≤210，且当
z≠0时，0.0003≤y/z≤500且0.002≤x/(y+z)≤210。
在一个相关的实施方案中，本发明的杂化材料可包括式V的杂化芯：
(A)x(B)y(B*)y*(C)z(V)
其中重复单元A、B、B*和C的顺序可为无规的、嵌段的或者无规和嵌段的组合；A为经由
有机键共价连接到一个或多个重复单元A或B的有机重复单元；B为经无机硅氧烷键连接到
一个或多个重复单元B或B*或C且还可经由有机键连接到一个或多个重复单元A或B的有机
硅氧烷重复单元，B*为经无机硅氧烷键连接到一个或多个重复单元B或B*或C的有机硅氧烷
重复单元，其中B*为不具有反应性(即，可聚合)有机组分且还可具有在聚合之后可去保护
的受保护的官能团的有机硅氧烷重复单元；C为经由无机键连接到一个或多个重复单元B或
B*或C的无机重复单元；x和y为正数且z为非负数，其中x+y+z=1。在某些实施方案中，
当z=0时，0.002≤x/(y+y*)≤210，且当z≠0时，0.0003≤(y+y*)/z≤500且
0.002≤x/(y+y*+z)≤210。
重复单元A可衍生自具有一种或多种能够进行例如自由基介导的聚合的聚合的可
聚合部分的多种有机单体试剂。单体可通过包括但不限于链式加成和逐步缩合方法、自由
基、阴离子、阳离子、开环、基团转移、易位和光化学机制的许多方法和机制寡聚或聚合。
A也可为以下单体中的一种：
和
其中R各自独立地为H或C1-C10烷基(例如，甲基、乙基或丙基)；m为1-约20的整数；n为0-
10的整数；且Q为氢、N(C1-6烷基)3、N(C1-6烷基)2(C1-6烷基-SO3)或C(C1-6羟基烷基)3。
重复单元B可衍生自具有两种或更多种能够进行例如自由基介导(有机)聚合和水
解(无机)聚合的聚合的不同可聚合部分的多种混合有机-无机单体试剂。B单体可通过包括
但不限于链式加成和逐步缩合方法、自由基、阴离子、阳离子、开环、基团转移、易位和光化
学机制的许多方法和机制寡聚或聚合。
B也可为以下中的一种：
。
重复单元C可为-SiO2-且可衍生自例如四乙氧基硅烷(TEOS)或四甲氧基硅烷
(TMOS)的烷氧基硅烷。
在一个实施方案中，A为被取代的亚乙基，B为氧基甲硅烷基取代的烷基且C为氧基
甲硅烷基，例如以下：
。
式IV的多孔杂化芯的一个具体实施方案为：
其中：
R1为H、F、Cl、Br、I、低级烷基(例如，CH3或CH2CH3)；
R2和R3各自独立地为H、F、Cl、Br、I、烷烃、被取代的烷烃、烯烃、被取代的烯烃、芳基、被
取代的芳基、氰基、醚、被取代的醚、嵌入的极性基团；
R4和R5各自独立地为H、F、Cl、Br、I、烷烃、被取代的烷烃、烯烃、被取代的烯烃、芳基、被
取代的芳基、醚、被取代的醚、氰基、氨基、被取代的氨基、二醇、硝基、磺酸、阳离子或阴离子
交换基团；
0≤a≤2x，0≤b≤4且0≤c≤4，条件是：当a=1时，b+c≤4；
1≤d≤20，
0.0003≤y/z≤500且0.002≤x/(y+z)≤210。
在又一实施方案中，所述杂化芯为球形的。在另一实施方案中，所述球形芯具有非
晶或无定形的分子序态。在另一实施方案中，所述球形芯具有非周期性孔结构。
在另一实施方案中，所述杂化芯具有约0.1μm-约300μm的平均粒度。在另一实施方
案中，所述杂化芯具有约0.1μm-约30μm的平均粒度。在另一实施方案中，所述杂化芯具有约
0.5μm-约30μm的平均粒度。在另一实施方案中，所述杂化芯具有约0.9μm-约10μm的平均粒
度。在另一实施方案中，所述杂化芯具有约1.0μm-约3.0μm的平均粒度。
在某些实施方案中，本发明的杂化芯材料具有明显窄的粒度分布。在某些其他实
施方案中，粒度的90/10比率为1.00-1.55。在具体的实施方案中，粒度的90/10比率为1.00-
1.10或1.05-1.10。在其他具体的实施方案中，粒度的90/10比率为1.10-1.55；1.10-1.50；或
1.30-1.45。
在某些实施方案中，所述杂化芯在约1-约14的pH下水解稳定。在一个实施方案中，
所述杂化芯在约10-约14的pH下水解稳定。在另一实施方案中，所述杂化芯在约1-约5的pH
下水解稳定。
在一个实施方案中，本发明包括如本文所述的无机/有机杂化芯，其中所述芯通过
一种或多种选自以下单体的单体的水解缩合形成：
其中R、R1和R2如先前定义；X为C1-C18烷氧基或C1-C18烷基；且n为1-8。
在另一实施方案中，所述单体为1,2-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烷：
。
在另一实施方案中，所述单体为1,2-双(甲基二乙氧基甲硅烷基)乙烷：
或1,8-双(三乙氧基甲硅烷基)辛烷：
。
在某些实施方案中，所述单体为苯基三乙氧基硅烷；苯基三甲氧基硅烷；苯基乙基
三乙氧基硅烷；苯基乙基三甲氧基硅烷；乙基三乙氧基硅烷；乙基三甲氧基硅烷；甲基三乙
氧基硅烷；甲基三甲氧基硅烷；二乙基二乙氧基硅烷；二乙基二甲氧基硅烷；1,4-双(三乙氧
基甲硅烷基)苯；1,4-双(三甲氧基甲硅烷基)苯；1,3-双(三乙氧基甲硅烷基)苯；1,3-双(三
甲氧基甲硅烷基)苯；1,8-双(三乙氧基甲硅烷基)辛烷；1,8-双(三甲氧基甲硅烷基)辛烷；
1,2-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烷；1,2-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烷；1,2-双(甲基二乙氧基
甲硅烷基)乙烷；1,2-双(甲基二甲氧基甲硅烷基)乙烷；乙烯基三乙氧基硅烷；乙烯基三甲
氧基硅烷；巯基丙基三甲氧基硅烷；巯基丙基三乙氧基硅烷；1,2-双(三乙氧基甲硅烷基)乙
烯；1,2-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烯；1,1-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烷；1,1-双(三甲氧基
甲硅烷基)乙烷；1,4-双(三乙氧基甲硅烷基乙基)苯；1,4-双(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯；
1,3-双(三乙氧基甲硅烷基乙基)苯；1,3-双(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯；己基三乙氧基硅
烷；己基三甲氧基硅烷；氯丙基三乙氧基硅烷；氯丙基三甲氧基硅烷；十八烷基三甲氧基硅
烷；十八烷基三乙氧基硅烷；辛基三甲氧基硅烷；辛基三乙氧基硅烷；3,3,3-三氟丙基三甲
氧基硅烷；3,3,3-三氟丙基三乙氧基硅烷；3-氰基丁基三乙氧基硅烷；和3-氰基丁基三甲氧
基硅烷，其单独或与四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷的组合。
在另一实施方案中，所述单体为被取代的苯，包括(但不限于)1,4-双(三乙氧基甲
硅烷基)苯、1,4-双(三甲氧基甲硅烷基)苯、1,3-双(三乙氧基甲硅烷基)苯、1,3-双(三甲氧
基甲硅烷基)苯、1,3,5-三(三乙氧基甲硅烷基)苯、1,3,5-三(三甲氧基甲硅烷基)苯和双
(4-三乙氧基甲硅烷基苯基)二乙氧基硅烷。
在其他实施方案中，如本文所述的多孔无机/有机杂化芯已经用具有式Za(R’)bSi-
R”的表面改性剂表面改性，其中Z=Cl、Br、I、C1-C5烷氧基、二烷基氨基或三氟甲烷磺酸酯；
a和b各自为0-3的整数，条件是a+b=3；R’为C1-C6直链、环状或支链烷基，且R”为官能化
基团。
在另一实施方案中，所述杂化芯已经通过用聚合物涂覆而表面改性。
在某些实施方案中，R’选自甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、叔丁基、仲丁基、戊基、
异戊基、己基和环己基。在其他实施方案中，R选自烷基、烯基、炔基、芳基、氰基、氨基、二醇、
硝基、酯、阳离子或阴离子交换基团、含有嵌入的极性官能团和手性部分的烷基或芳基。
在一个实施方案中，R”为C1-C30烷基。在另一实施方案中，R”包括手性部分。在另一
实施方案中，R”为C1-C20烷基。
在某些实施方案中，所述表面改性剂选自辛基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、辛基
二甲基氯硅烷和十八烷基二甲基氯硅烷。有利地，所述表面改性剂选自辛基三氯硅烷和十
八烷基三氯硅烷。
在另一实施方案中，所述杂化芯已经通过有机基团和硅醇基团改性的组合表面改
性。
在又一实施方案中，所述杂化芯已经通过有机基团改性和用聚合物涂覆的组合表
面改性。在另一实施方案中，所述有机基团包括手性部分。
在又一实施方案中，所述杂化芯已经通过硅醇基团改性和用聚合物涂覆的组合表
面改性。
在其他实施方案中，所述杂化芯经由在粒子的有机基团和改性剂之间形成有机共
价键表面改性。
在其他实施方案中，所述杂化芯已经通过有机基团改性、硅醇基团改性和用聚合
物涂覆的组合表面改性。
在另一实施方案中，所述杂化芯已经通过硅醇基团改性表面改性。
在某些实施方案中，所述多孔无机/有机杂化芯为整料。
另一方面，本发明提供如本文所述的材料，其中所述杂化芯还包含纳米粒子或分
散在所述杂化芯内的多于一种纳米粒子的混合物。
在某些实施方案中，所述纳米粒子以小于纳米复合材料的20重量%，小于纳米复合
材料的10重量%或小于纳米复合材料的5重量%存在。
在其他实施方案中，所述纳米粒子为结晶或无定形的且可为碳化硅、铝、金刚石、
铈、碳黑、碳纳米管、锆、钡、铈、钴、铜、铕、钆、铁、镍、钐、硅、银、钛、锌、硼、其氧化物或其氮
化物。在特定的实施方案中，所述纳米粒子为包含一种或多种选自纳米金刚石、碳化硅、二
氧化钛、立方氮化硼的部分的物质。在某些实施方案中，所述纳米粒子包含复合材料、磁性
材料、高导热率添加剂或具有层状结构的添加剂的纳米粒子。
在其他实施方案中，所述纳米粒子的直径可小于或等于200nm，小于或等于100nm，
小于或等于50nm或小于或等于20nm。
非杂化芯材料
在某些实施方案中，所述基本无孔的芯材料为二氧化硅；用无机/有机杂化包围材料涂
覆的二氧化硅；磁芯材料；用二氧化硅涂覆的磁芯材料；高导热率芯材料；用二氧化硅涂覆
的高导热率芯材料；复合材料；无机/有机杂化包围材料；用二氧化硅涂覆的复合材料；用无
机/有机杂化包围材料涂覆的磁芯材料；用无机/有机杂化包围材料涂覆的高导热率芯材
料。
在某些实施方案中，所述芯材料为复合材料。复合材料描述本发明的工程化材料，
其由一种或多种本文所述的组分以及分散的纳米粒子构成，其中各组分/纳米粒子在成品
结构内在宏观水平上保持分开且不同。本发明的复合材料与形式无关，并且在本质上可为
整料或颗粒。此外，本文中用以描述含有分散纳米粒子的复合材料的速记约定Np/(A)w(B)x
(C)y可如下理解：在斜线标记左侧的符号表示代表分散的纳米粒子，且在斜线标记右侧的
符号表示代表包含在其内分散着纳米粒子(记录在斜线标记的左侧)的材料的组分。在某些
实施方案中，本发明的复合材料可为纳米复合材料，已知其至少包括例如纳米/纳米型、内
部型、中间型和内部/中间型。(NanocompositesScienceandTechnology，编者P.M.
Ajayan、L.S.Schadler、P.V.Braun、Wiley-VCH(Weinheim,Germany),2003。)术语“纳
米粒子”为粉末/纳米粉末的微观粒子/细粒或微观成员，其至少一维小于约100nm，例如直
径或粒子厚度小于约100nm(0.1μm)，其可为结晶或非结晶的。
纳米粒子具有不同于并通常优于那些常规本体材料的性质，包括例如更大的强
度、硬度、延展性、可烧结性和更大的反应性等。大量的科学研究继续专注于确定纳米材料
的性质，其少量已经通过包括胶体沉淀、机械研磨和气相成核和生长的多种方法来合成(主
要作为纳米级粉末)。大量的综述已经记载了近期纳米相材料的发展，并且通过引用结合到
本文中来：Gleiter,H.(1989)"Nano-crystallinematerials,"Prog.Mater.Sci.
33:223-315和Siegel,R.W.(1993)"Synthesisandpropertiesofnano-phase
materials,"Mater.Sci.Eng.A168:189-197。在某些实施方案中，纳米粒子包含下列的
氧化物或氮化物：碳化硅、铝、金刚石、铈、碳黑、碳纳米管、锆、钡、铈、钴、铜、铕、钆、铁、镍、
钐、硅、银、钛、锌、硼及其混合物。在某些实施方案中，本发明的纳米粒子选自金刚石、氧化
锆(无定形、单斜晶、正方晶和立方形式)、氧化钛(无定形、锐钛矿、板钛矿和金红石形式)、
铝(无定形、α和γ形式)和氮化硼(立方形式)。在特定的实施方案中，本发明的纳米粒子选
自纳米金刚石、碳化硅、二氧化钛(锐钛矿形式)、立方氮化硼及其任意组合。此外，在特定的
实施方案中，纳米粒子可为结晶或无定形的。在特定的实施方案中，纳米粒子的直径小于或
等于100μm，例如，直径小于或等于50μm，例如，直径小于或等于20μm。
此外，应当理解的是特征为分散在本发明的复合材料内的纳米粒子意欲描述外源
加入的纳米粒子。这与含有与假设纳米粒子具有显著相似性的纳米粒子或形成物形成对
比，其能够在原位形成，其中，例如，例如粒子的大分子结构可包含这些外源产物的聚集物。
纳米粒子因为它们的本体材料与原子或分子结构之间有效关联而具有重大科学
意义。本体材料将具有恒定的物理性质，而与其粒度无关，但是在纳米标度下，事实常不是
这样。观察到依赖粒度的性质，例如在半导体粒子中的量子局限效应、在一些金属粒子中的
表面电浆共振和在磁性材料中的超顺磁性。
在某些实施方案中，复合材料包括磁性材料、具有高导热率的材料或其混合物。类
似地，在某些实施方案中，芯本身为磁性材料、具有高导热率的材料或其混合物。
具有高导热率的材料、高导热率芯或高导热率添加剂定义为具有大于20W/(m·K)
的导热率的材料。在各种实施方案中，添加剂具有约20W/(m·K)至不超过3500W/(m·K)；约
100W/(m·K)至不超过3300W/(m·K)；和400W/(m·K)至不超过3000W/(m·K)的导热率。该
高导热率添加剂可为0.1-8μm芯粒子、纳米粒子添加剂或金属氧化物前体。在各种实施方案
中，高导热率添加剂包括(但不限于)铝、铜、金和金刚石。
高散热率添加剂定义为在表面多孔粒子中使用的具有大于20mm2/s的散热率的添
加剂。在各种实施方案中，所述添加剂具有约20mm2/s至不超过2000mm2/s；约100mm2/s至不
超过1600mm2/s；和150mm2/s至不超过1400mm2/s的散热率。该高导热率添加剂可为0.1-8μm
的芯粒子、纳米粒子添加剂或金属氧化物前体。在各种实施方案中，高导热率添加剂包括
(但不限于)铝、铜、金和金刚石。
磁性材料包括在室温下具有大于15emu/g(Am2/kg)的质量磁化强度(σ，单位质
量的磁矩、磁饱和度和饱和磁化强度)的材料。这包括铁磁性和亚铁磁性材料，包括(但不限
于)：磁铁矿(magnetite)(磁铁矿(ferrousferricoxide))；磁赤铁矿；钇铁石榴石、钴、
CrO2；和含有铁和Al、Mg、Ni、Zn、Mn或Co的铁氧体)。磁芯粒子不包括其他氧化铁(包括赤铁
矿和针铁矿)，其具有小于10emu/g的质量磁化强度值。认为赤铁矿(0.4emu/g)在室温下为
反铁磁性的。
在一个实施方案中，芯为球形的。在另一实施方案中，球形芯具有非晶或无定形的
分子序态。在另一实施方案中，球形芯具有非周期性孔结构。
在某些实施方案中，所述芯在约1-约14的pH下水解稳定。在一个实施方案中，所述
芯在约10-约14的pH下水解稳定。在另一实施方案中，所述芯在约1-约5的pH下水解稳定。
多孔壳层材料
本发明的材料具有施用到基本无孔的芯上的一层或多层多孔壳材料。在某些实施方案
中，一层或多层多孔壳材料为多孔无机/有机杂化材料；多孔二氧化硅或多孔复合材料。
在某些方面，本发明的材料具有粗糙表面。在其他方面，本发明的材料具有光滑表
面。如本文所用，
在某些实施方案中，如垂直于无孔芯的表面所测量，多孔层的厚度各自独立地为0.02μ
m-5μm。
在其他实施方案中，如垂直于无孔芯的表面所测量，多孔层的厚度各自独立地为
0.06μm-1μm。
在其他实施方案中，如垂直于无孔芯的表面所测量，多孔层的厚度各自独立地为
0.20μm-0.70μm。
在某些实施方案中，本发明的材料具有1-15层多孔壳材料。在其他实施方案中，本
发明的材料具有2-5层多孔壳材料。在其他实施方案中，本发明的材料具有1或2层多孔壳材
料。
多孔杂化物
在某些实施方案中，可层合到杂化芯上的多孔杂化层材料或壳材料可独立地衍生自：
一种或多种聚合有机官能金属前体和/或聚合金属氧化物前体在杂化芯的表面上缩
合，或
在杂化芯的表面上施用部分缩合的聚合有机官能金属前体、两种或更多种聚合有机官
能金属前体的混合物或者一种或多种聚合有机官能金属前体与聚合金属氧化物前体的混
合物。
在某些方面，包围材料的有机部分独立地选自：氧化铝、二氧化硅、氧化钛、氧化铈
或氧化锆及陶瓷材料。
供选地，杂化层材料可独立地衍生自：
一种或多种有机官能硅烷和/或四烷氧基硅烷在杂化芯的表面上缩合，或
在杂化芯的表面上施用部分缩合的有机官能硅烷、两种或更多种有机官能硅烷的混合
物或者一种或多种有机官能硅烷与四烷氧基硅烷(即，四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷)的混
合物。
在其他方面，杂化层材料可独立地包含约0-100摩尔%的杂化材料。包围材料的无
机部分可独立地为氧化铝、二氧化硅、氧化钛、氧化铈、氧化锆或陶瓷材料或其混合物。
在具体的方面，杂化层材料的无机部分可独立地以约0摩尔%至不超过约25摩尔%
的量存在，其中包围材料的孔基本无序。类似地，包围材料的无机部分可独立地以约25摩
尔%至不超过约50摩尔%的量存在，其中包围材料的孔基本无序，且其中杂化层材料可能或
者可能不独立地具有色谱增强的孔几何结构(CEPG)。在某些实施方案中，杂化层材料的无
机部分可独立地以约50摩尔%至不超过约75摩尔%的量存在，其中杂化层材料的孔基本无
序，且其中杂化层材料独立地具有色谱增强的孔几何结构(CEPG)。在其他实施方案中，杂化
层材料的无机部分可独立地以约75摩尔%至不超过约100摩尔%的量存在，其中杂化层材料
的孔基本无序，且其中杂化层材料可能或者可能不独立地具有色谱增强的孔几何结构
(CEPG)。
在其他方面，杂化层材料的无机部分可独立地以约0摩尔%至不超过约100摩尔%的
量存在；具体地讲，以0%-10%、0%-5%、0%-4%、0%-3%、0%-2%、0%-1%、1%-10%、1%-5%、1%-4%、1%-
3%、1%-2%、5%-100%、10%-100%、15%-100%、20%-100%、25%-100%、30%-100%、35%-100%、40%-
100%、45%-100%、55%-100%、60%-100%、65%-100%、70%-100%、75%-100%、80%-100%、81%-100%、
82%-100%、83%-100%、84%-100%、85%-100%、86%-100%、87%-100%、88%-100%、89%-100%、90%-
100%、91%-100%、92%-100%、93%-100%、94%-100%、95%-100%、96%-100%、97%-100%、98%-100%
或99%-100%的量存在。
在一些方面，杂化层材料可包含式I的材料：
(SiO2)d/[R2((R)p(R1)qSiOt)m](I)
其中：
R和R1各自独立地为C1-C18烷氧基、C1-C18烷基、C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-
C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基、C5-C18芳氧基或C1-C18杂芳基；
R2为C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基、C1-
C18杂芳基；或不存在；其中R2各自连接到两个或更多个硅原子；
p和q各自独立地为0.0-3.0；
t为0.5、1.0或1.5；
d为0-约30；
m为1-20的整数；其中R、R1和R2为任选被取代的；
条件是：
(1)当R2不存在时，m=1且当0<p+q≤3时，t=；且
(2)当存在R2时，m=2-20且当p+q≤2时，t=。
在其他方面，杂化层材料可包含式II的材料：
(SiO2)d/[(R)p(R1)qSiOt](II)；
其中：
R和R1各自独立地为C1-C18烷氧基、C1-C18烷基、C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-
C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基、C5-C18芳氧基或C1-C18杂芳基；
d为0-约30；
p和q各自独立地为0.0-3.0，条件是：当p+q=1时，t=1.5；当p+q=2时，t=1；或当
p+q=3时，t=0.5。
在其他方面，杂化层材料可包含式III的材料：
(SiO2)d/[R2((R1)rSiOt)m](III)
其中：
R1为C1-C18烷氧基、C1-C18烷基、C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18
杂环烷基、C5-C18芳基、C5-C18芳氧基或C1-C18杂芳基；
R2为C1-C18烷基、C2-C18烯基、C2-C18炔基、C3-C18环烷基、C1-C18杂环烷基、C5-C18芳基、C1-
C18杂芳基；或不存在；其中R2各自连接到两个或更多个硅原子；
d为0-约30；
r为0、1或2，条件是：当r=0时，t=1.5；或当r=1时，t=1；或当r=2时，t=0.5；
且
m为1-20的整数。
在其他方面，杂化层材料可包含式IV的材料：
(A)x(B)y(C)z(IV)，
其中重复单元A、B和C的顺序可为无规的、嵌段的或无规和嵌段的组合；
A为经有机键共价连接到一个或多个重复单元A或B的有机重复单元；
B为经无机硅氧烷键连接到一个或多个重复单元B或C且还可经有机键连接到一个或多
个重复单元A或B的有机硅氧烷重复单元；
C为经无机键连接到一个或多个重复单元B或C的无机重复单元；且
x和y为正数且z为非负数，其中x+y+z=1。在某些实施方案中，当z=0时，0.002
≤x/y≤210，且当z≠0时，0.0003≤y/z≤500且0.002≤x/(y+z)≤210。
在其他方面，杂化层材料可包含式V的材料：
(A)x(B)y(B*)y*(C)z(V)，
其中重复单元A、B、B*和C的顺序可为无规的、嵌段的或无规和嵌段的组合；
A为经有机键共价连接到一个或多个重复单元A或B的有机重复单元；
B为经无机硅氧烷键连接到一个或多个重复单元B或B*或C且还可经有机键连接到一个
或多个重复单元A或B的有机硅氧烷重复单元；
B*为经无机硅氧烷键连接到一个或多个重复单元B或B*或C的有机硅氧烷重复单元，其
中B*为不具有反应性(即，可聚合)有机组分且还可具有可在聚合之后去保护的受保护的官
能团的有机硅氧烷重复单元；
C为经由无机键连接到一个或多个重复单元B或B*或C的无机重复单元；且
x和y为正数且z为非负数，其中x+y+y*+z=1。在某些实施方案中，当z=0时，
0.002≤x/(y+y*)≤210，且当z≠0时，0.0003≤(y+y*)/z≤500且0.002≤x/
(y+y*+z)≤210。
在某些方面，在上文提供的式中的R2可存在或不存在。
在某些方面，在上文提供的式中的R1为被羟基取代的C1-C18烷基。在其他方面，在
上文提供的式中的R1为羟基丙基。在其他方面，被羟基取代的烷基还可由异氰酸酯官能化。
在其他方面，异氰酸酯为异氰酸十八烷酯、异氰酸十二烷酯、异氰酸五氟苯酯、异氰酸4-氰
基苯酯、异氰酸3-氰基苯酯、异氰酸2-氰基苯酯、异氰酸苯酯、异氰酸苄酯、异氰酸苯基乙酯
或异氰酸二苯基乙酯。
在某些实施方案中，有机硅氧烷为，但不限于，苯基三乙氧基硅烷；苯基三甲氧基
硅烷；苯基乙基三乙氧基硅烷；苯基乙基三甲氧基硅烷；乙基三乙氧基硅烷；乙基三甲氧基
硅烷；甲基三乙氧基硅烷；甲基三甲氧基硅烷；二乙基二乙氧基硅烷；二乙基二甲氧基硅烷；
1,4-双(三乙氧基甲硅烷基)苯；1,4-双(三甲氧基甲硅烷基)苯；1,3-双(三乙氧基甲硅烷
基)苯；1,3-双(三甲氧基甲硅烷基)苯；1,8-双(三乙氧基甲硅烷基)辛烷；1,8-双(三甲氧基
甲硅烷基)辛烷；1,2-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烷；1,2-双(甲基二乙氧基甲硅烷基)乙烷；
1,2-双(甲基二甲氧基甲硅烷基)乙烷；乙烯基三乙氧基硅烷；乙烯基三甲氧基硅烷；巯基丙
基三甲氧基硅烷；巯基丙基三乙氧基硅烷；1,2-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烯；1,2-双(三甲
氧基甲硅烷基)乙烯；1,1-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烷；1,1-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烷；
1,4-双(三乙氧基甲硅烷基乙基)苯；1,4-双(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯；1,3-双(三乙氧基
甲硅烷基乙基)苯；1,3-双(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯；己基三乙氧基硅烷；己基三甲氧基
硅烷；氯丙基三乙氧基硅烷；氯丙基三甲氧基硅烷；十八烷基三甲氧基硅烷；十八烷基三乙
氧基硅烷；辛基三甲氧基硅烷；辛基三乙氧基硅烷；3,3,3-三氟丙基三甲氧基硅烷；3,3,3-
三氟丙基三乙氧基硅烷；3-氰基丁基三乙氧基硅烷；和3-氰基丁基三甲氧基硅烷，其单独或
与四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷混合。
在另一实施方案中，有机硅氧烷为不限于被取代的苯，包括(但不限于)1,4-双(三
乙氧基甲硅烷基)苯、1,4-双(三甲氧基甲硅烷基)苯、1,3-双(三乙氧基甲硅烷基)苯、1,3-
双(三甲氧基甲硅烷基)苯、1,3,5-三(三乙氧基甲硅烷基)苯、1,3,5-三(三甲氧基甲硅烷
基)苯和双(4-三乙氧基甲硅烷基苯基)二乙氧基硅烷。
另一方面，本发明提供如本文所述的材料，其中所述杂化层材料还包含纳米粒子
或分散在所述杂化芯内的多于一种纳米粒子的混合物。
在某些实施方案中，所述纳米粒子以小于纳米复合材料的20重量%，小于纳米复合
材料的10重量%或小于纳米复合材料的5重量%存在。
在其他实施方案中，所述纳米粒子为结晶或无定形的且可为碳化硅、铝、金刚石、
铈、碳黑、碳纳米管、锆、钡、铈、钴、铜、铕、钆、铁、镍、钐、硅、银、钛、锌、硼、其氧化物或其氮
化物。在特定的实施方案中，所述纳米粒子为包含一种或多种选自纳米金刚石、碳化硅、二
氧化钛、立方氮化硼的部分的物质。
在其他实施方案中，所述纳米粒子的直径可小于或等于200μm，小于或等于100μm，
小于或等于50μm或小于或等于20μm。
多孔二氧化硅
在某些实施方案中，多孔壳层材料为多孔二氧化硅。在其他实施方案中，多孔二氧化硅
包含1.03-1.8μm、1.35-1.7μm或1.4-1.6μm的粒子。在其他实施方案中，多孔二氧化硅包含
在二氧化硅芯上的二氧化硅多孔层。供选地，可使用在二氧化硅芯上的二氧化硅多孔层上
的薄杂化表面层。在各种情况下，孔体积通常为0.15-0.40cm3/g、0.2-0.35cm3/g或0.22-
0.33cm3/g。类似地，孔径通常为40-500埃、50-300埃或70-160埃。
在具有杂化涂层的实施方案中，所述涂层可为(O1.5SiXCH2CH2SiO1.5)1-x(SiO2)x，其
中x为0-0.9或0-0.8，X为(CH2)n；(CH2)nC6H4(CH2)n或(CH2)nY(CH2)n，其中n为0-30、0-8或0-2，
且Y为嵌入的极性基团，例如乙二醇、O、NH、N(烷基)、N(甲基)、聚乙二醇、脲、酰胺、酯、氨基
甲酸酯或碳酸酯。
多孔复合材料
在某些实施方案中，多孔壳层材料为复合材料。复合材料描述本发明的工程化材料，其
由一种或多种本文所述的组分以及分散的纳米粒子构成，其中各组分/纳米粒子在成品结
构内在宏观水平上保持分开且不同。本发明的复合材料与形式无关，并且在本质上可为整
料或颗粒。此外，本文中用以描述含有分散的纳米粒子的复合材料的速记约定Np/(A)w(B)x
(C)y可如下理解：在斜线标记左侧的符号表示代表分散的纳米粒子，且在斜线标记右侧的
符号表示代表包含在其内分散着纳米粒子(记录在斜线标记的左侧)的材料的组分。在某些
实施方案中，本发明的复合材料可为纳米复合材料，已知其至少包括例如纳米/纳米型、内
部型、中间型和内部/中间型。(NanocompositesScienceandTechnology，编者P.M.
Ajayan、L.S.Schadler、P.V.Braun、Wiley-VCH(Weinheim,Germany),2003。)术语“纳
米粒子”为粉末/纳米粉末的微观粒子/细粒或微观成员，其至少一维小于约100nm，例如直
径或粒子厚度小于约100nm(0.1μm)，其可为结晶或非结晶的。
纳米粒子具有不同于并通常优于那些常规本体材料的性质，包括例如更大的强
度、硬度、延展性、可烧结性和更大的反应性等。大量的科学研究继续专注于确定纳米材料
的性质，其少量已经通过包括胶体沉淀、机械研磨和气相成核和生长的多种方法来合成(主
要作为纳米级粉末)。大量的综述已经记载了近期纳米相材料的发展，并且通过引用结合到
本文中来：Gleiter,H.(1989)"Nano-crystallinematerials,"Prog.Mater.Sci.
33:223-315和Siegel,R.W.(1993)"Synthesisandpropertiesofnano-phase
materials,"Mater.Sci.Eng.A168:189-197。在某些实施方案中，纳米粒子包含下列的
氧化物或氮化物：碳化硅、铝、金刚石、铈、碳黑、碳纳米管、锆、钡、铈、钴、铜、铕、钆、铁、镍、
钐、硅、银、钛、锌、硼及其混合物。在某些实施方案中，本发明的纳米粒子选自金刚石、氧化
锆(无定形、单斜晶、正方晶和立方形式)、氧化钛(无定形、锐钛矿、板钛矿和金红石形式)、
铝(无定形、α和γ形式)和氮化硼(立方形式)。在特定的实施方案中，本发明的纳米粒子选
自纳米金刚石、碳化硅、二氧化钛(锐钛矿形式)、立方氮化硼及其任意组合。此外，在特定的
实施方案中，纳米粒子可为结晶或无定形的。在特定的实施方案中，纳米粒子的直径小于或
等于100μm，例如，直径小于或等于50μm，例如，直径小于或等于20μm。
此外，应当理解的是特征为分散在本发明的复合材料内的纳米粒子意欲描述外源
加入的纳米粒子。这与含有与假设纳米粒子具有显著相似性的纳米粒子或形成物形成对
比，其能够在原位形成，其中，例如，例如粒子的大分子结构可包含这些外源产物的聚集体。
纳米粒子因为它们的本体材料与原子或分子结构之间有效联系而具有重大科学
意义。本体材料将具有恒定的物理性质，而与其粒度无关，但是在纳米标度下，事实常不是
这样。观察到依赖粒度的性质，例如在半导体粒子中的量子局限效应、在一些金属粒子中的
表面电浆共振和在磁性材料中的超顺磁性。
在某些实施方案中，复合材料包括磁性材料、具有高导热率的材料或其混合物。
具有高导热率的材料、高导热率芯或高导热率添加剂定义为在表面多孔粒子中使
用的具有大于20W/(m·K)的导热率的材料、芯或添加剂。在各种实施方案中，芯或添加剂具
有约20W/(m·K)至不超过3500W/(m·K)；约100W/(m·K)至不超过3300W/(m·K)；和400W/
(m·K)至不超过3000W/(m·K)的导热率。该高导热率芯或添加剂可为0.1-8μm芯粒子、纳米
粒子添加剂或金属氧化物前体。在各种实施方案中，高导热率芯或添加剂包括(但不限于)
铝、铜、金和金刚石。
高散热率添加剂定义为在表面多孔粒子中使用的具有大于20mm2/s的散热率的添
加剂。在各种实施方案中，添加剂具有约20mm2/s至不超过2000mm2/s；约100mm2/s至不超过
1600mm2/s；和150mm2/s至不超过1400mm2/s的散热率。该高导热率添加剂可为0.1-8μm芯粒
子、纳米粒子添加剂或金属氧化物前体。在各种实施方案中，高导热率添加剂包括(但不限
于)铝、铜、金和金刚石。
磁性材料包括在室温下具有大于15emu/g(Am2/kg)的质量磁化强度(σ，单位质
量的磁矩、磁饱和度和饱和磁化强度)的材料。这包括铁磁性和亚铁磁性材料，包括(但不限
于)：磁铁矿(magnetite)(磁铁矿(ferrousferricoxide))；磁赤铁矿；钇铁石榴石、钴、
CrO2；和含有铁和Al、Mg、Ni、Zn、Mn或Co的铁氧体)。磁芯粒子不包括其他氧化铁(包括赤铁
矿和针铁矿)，其具有小于10emu/g的质量磁化强度值。认为赤铁矿(0.4emu/g)在室温下为
反铁磁性的。
梯度材料
在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料利用在芯表面附近具有增加的杂化物含量
的芯材料。
在其他实施方案中，本发明的表面多孔材料利用在芯表面附近具有减小的杂化物
含量的芯材料。
在这样的情况下，所述增加或减小通常在芯表面1-200nm内出现，供选地在芯表面
5-60nm内出现。
类似地，在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料包括在所述材料的表面附近
具有增加的杂化物含量的表面多孔材料。在其他实施方案中，本发明的表面多孔材料包括
在芯表面附近具有减小的杂化物含量的表面多孔材料。
在这样的情况下，所述增加或减小通常在表面多孔材料表面的1-200nm内出现，供
选地在表面多孔材料表面的5-60nm内出现。
在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料利用在芯表面附近具有增加或减小的
平均孔径的芯材料。
在这样的实施方案中，所述增加或减小通常在芯表面的1-200nm内出现，供选地在
芯表面的5-60nm内出现。
在特定的实施方案中，在芯中心附近的平均孔径可在40-300埃范围内、在50-160
埃范围内或在70-100埃范围内；而在芯表面附近的孔径可在70-500埃范围内、在100-300埃
范围内或在100-160埃范围内。
在其他实施方案中，在芯表面附近的平均孔径可在40-300埃范围内、在50-160埃
范围内或在70-100埃范围内；而在芯中心附近的孔径可在70-500埃范围内、在100-300埃范
围内或在100-160埃范围内。
类似地，在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料包括在所述材料的表面附近
具有增加或减小的平均孔径的表面多孔材料。
在这样的实施方案中，所述增加或减小通常在表面多孔材料表面的1-200nm内出
现，供选地在表面多孔材料表面的5-60nm内出现。
在特定的实施方案中，在表面多孔材料的中心附近的平均孔径可在40-300埃范围
内、在50-160埃范围内或在70-100埃范围内；而在芯表面附近的孔径可在70-500埃范围内、
在100-300埃范围内或在100-160埃范围内。
在其他实施方案中，在表面多孔材料的表面附近的平均孔径可在40-300埃范围
内、在50-160埃范围内或在70-100埃范围内；而在芯中心附近的孔径可在70-500埃范围内、
在100-300埃范围内或在100-160埃范围内。
在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料利用在芯表面附近具有增加或减小的
平均孔体积的芯材料。
在这样的情况下，所述增加或减小通常在芯表面的1-200nm内出现，供选地在芯表
面的5-60nm内出现。
类似地，在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料包括在所述材料的表面附近
具有增加或减小的平均孔径的表面多孔材料。
在这样的情况下，所述增加或减小通常在表面多孔材料表面的1-200nm内出现，供
选地在表面多孔材料表面的5-60nm内出现。
在某些实施方案中，本发明的梯度材料或具有梯度芯或梯度材料的材料，其为颗
粒，表面多孔材料(其为粒子)具有0.8-3.0μm的材料平均粒度。具体地讲，材料的平均粒度
可为1.1-2.9μm或1.3-2.7μm。
芯和材料形态
在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料具有特定的芯形态。在某些实施方案中，所
述芯形态通过使用具有限定形状的芯产生。在某些其他实施方案中，芯形态是指本发明的
产物材料的特定的限定形状。
在某些实施方案中，所述芯或所述产物材料具有高度球形、杆形、弯杆形、圆环形
或哑铃形形态。
在某些其他实施方案中，所述芯或所述产物材料具有高度球形、杆形、弯杆形、圆
环形或哑铃形形态的混合。
在某些其他实施方案中，所述芯或所述产物材料可具有不同尺寸的相同形状形态
的混合。
在某些实施方案中，在本发明的表面多孔材料的生产中利用的溶胶具有特定的溶
胶形态。
在某些实施方案中，所述溶胶具有高度球形、杆形、弯杆形、圆环形或哑铃形形态。
在某些其他实施方案中，所述溶胶具有高度球形、杆形、弯杆形、圆环形或哑铃形
形态的混合。
在某些其他实施方案中，所述溶胶可具有不同尺寸的相同形状形态的混合。
芯和材料性质
与相同粒度的全多孔二氧化硅粒子相比，本发明的表面多孔材料具有明显更高的导热
率。在某些实施方案中，与相同粒度的表面多孔二氧化硅粒子相比，本发明的表面多孔材料
具有明显更高的导热率。粒子导热率的确定可考虑本体材料性质、孔体积、表面改性类型和
覆盖率的差别通过Gritti和Guiochon(J.Chromatogr.A,2010,1217,5137)的方法进
行。
在暴露于高pH流动相相同粒度的未连接的全多孔二氧化硅粒子时，本发明的表面
多孔材料具有显著改善的化学稳定性。在某些实施方案中，在暴露于高pH流动相相同粒度
的未连接的表面多孔二氧化硅粒子时，本发明的表面多孔材料具有显著改善的化学稳定
性。
与相同粒度的全多孔二氧化硅粒子相比较，本发明的表面多孔材料能够形成具有
改善的渗透率的填充床。在某些实施方案中，与相同粒度的表面多孔二氧化硅粒子相比较，
本发明的表面多孔材料能够形成具有改善的渗透率的填充床。随着柱背压的减小，对于给
定粒径，观察到改善的渗透率。填充床的渗透率的确定可通过逆相尺寸排阻色谱进行。
表面多孔材料(其为粒子)具有0.8-3.0μm的材料平均粒度。具体地讲，材料的平均
粒度可为1.1-2.9μm或1.3-2.7μm。
所述表面多孔材料具有平均直径为约25-600?、约60-350?、约80-300?或约90-150
?的孔。
所述表面多孔材料具有约0.11-0.50cm3/g、约0.09-0.45cm3/g或约0.17-0.30cm3/
g的平均孔体积。
所述表面多孔材料具有约10m2/g-400m2/g的孔表面积。
USP拖尾/对称因子
已经发现本发明的表面多孔材料对于色谱拖尾因子(也称作对称因子)具有优异的影
响。
根据美国药典和国家处方集(USP)第621章，峰值拖尾因子通过以下计算：
AS=W0.05/2f
其中W0.05为在5%高度下的峰宽，且f为从峰最大值到峰前沿的距离，该距离在距基线5%
峰高的点测量。
因此，在某些实施方案中，本发明的表面多孔材料具有约0.80-2.00的拖尾因子。
具体地讲，本发明的表面多孔材料产生约0.85-1.60、约0.90-1.30、约0.95-1.20、约0.96-
2.00、约0.97-1.60、约0.98-1.60、约0.99-1.20或约1.00-1.0的拖尾因子。
在特定的实施方案中，产生这一拖尾因子的表面多孔材料(其为粒子)还具有0.8-
3.0μm、1.1-2.9μm、1.3-2.7μm或2.0-3.0μm的材料平均粒度。
表面改性
本发明的材料可被进一步表面改性。
因此，在一个实施方案中，如本文所述的材料可用具有式Za(R’)bSi-R”的表面改性
剂表面改性，其中Z=Cl、Br、I、C1-C5烷氧基、二烷基氨基或三氟甲烷磺酸酯；a和b各自为0-
3的整数，条件是：a+b=3；R’为C1-C6直链、环状或支链烷基，且R”为官能化基团。
在另一实施方案中，所述材料已经通过用聚合物涂覆而表面改性。
在某些实施方案中，R’选自甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、叔丁基、仲丁基、戊基、
异戊基、己基和环己基。在其他实施方案中，R’选自烷基、烯基、炔基、芳基、氰基、氨基、二
醇、硝基、酯、阳离子或阴离子交换基团、含有嵌入的极性官能团和手性部分的烷基或芳基。
在某些实施方案中，R’选自芳族、苯基烷基、氟芳族、苯基己基、五氟苯基烷基和手性部分。
在一个实施方案中，R”为C1-C30烷基。在另一实施方案中，R”包括手性部分。在另一
实施方案中，R”为C1-C20烷基。
在某些实施方案中，所述表面改性剂包含嵌入的极性官能团。在某些实施方案中，
所述嵌入的极性官能团包括碳酸酯、酰胺、脲、醚、硫醚、亚磺酰基、亚砜、磺酰基、硫脲、硫代
碳酸酯、硫代氨基甲酸酯、乙二醇、杂环或三唑官能团。在其他实施方案中，这类嵌入的极性
官能团包括氨基甲酸酯官能团，例如在美国专利号5,374,755中公开的那些和手性部分。这
类基团包括以下通式的那些：
其中l、m、o、r和s为0或1，n为0、1、2或3，p为0、1、2、3或4，且q为0-19的整数；R3选自氢、
烷基、氰基和苯基；且Z、R’、a和b如上定义。有利地，氨基甲酸酯官能团具有下文表示的通用
结构：
，
其中R5例如可为氰基烷基、叔丁基、丁基、辛基、十二烷基、十四烷基、十八烷基或苄基。
有利地，R5为辛基、十二烷基或十八烷基。
在某些实施方案中，表面改性剂选自苯基己基三氯硅烷、五氟苯基丙基三氯硅烷、
辛基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、辛基二甲基氯硅烷和十八烷基二甲基氯硅烷。在一些实
施方案中，表面改性剂选自辛基三氯硅烷和十八烷基三氯硅烷。在其他实施方案中，表面改
性剂选自异氰酸酯或1,1’-羰基二咪唑(特别是当杂化基团含有(CH2)3OH基团时)。
在另一实施方案中，所述材料已经通过有机基团和硅醇基团改性的组合表面改
性。
在又一实施方案中，所述材料已经通过有机基团改性和用聚合物涂覆的组合表面
改性。在另一实施方案中，所述有机基团包括手性部分。
在又一实施方案中，所述材料已经通过硅醇基团改性和用聚合物涂覆的组合表面
改性。
在其他实施方案中，所述材料经由在粒子的有机基团和改性剂之间形成有机共价
键表面改性。
在其他实施方案中，所述材料已经通过有机基团改性、硅醇基团改性和用聚合物
涂覆的组合表面改性。
在另一实施方案中，所述材料已经通过硅醇基团改性表面改性。
在另一实施方案中，本发明的材料已经如在PCT国际申请号WO2013/173494和WO
2013/173501中所公开改性，其通过引用结合到本文中来。
在这样的实施方案中，本发明的材料可改性成具有式1：
[X](W)a(Q)b(T)c式1
其中：
X为表面多孔材料；
W不存在和/或包括氢和/或包括在X的表面上的羟基；
Q直接连接X且包含与分析物色谱相互作用的第一亲水极性可电离和/或带电的官能
团；
T直接连接X且包含与分析物色谱相互作用的第二亲水极性可电离和/或带电的官能
团；
a>0，b>0，c>0，其中b=0且c>0，或c=0且b>0，且
Q和T基本上消除了在分析物之间的色谱相互作用，且X和W由此在采用低水浓度的色谱
条件下使保留变量随时间的改变(漂移)减至最小。
在式1的某些实施方案中，Q由下式表示：
，
其中：
n1为0-30的整数；
n2为0-30的整数；
n3=0或1，条件是，当n3=0时，n1不为0；
R1、R2、R3和R4在每次出现时独立地代表氢、氟、甲基、乙基、正丁基、叔丁基、异丙基、低
级烷基、受保护或去保护的醇、两性离子或基团Z；
Z代表：
a)具有式(B1)x(R5)y(R6)zSi-的表面连接基团，
其中x为1-3的整数，
y为0-2的整数，
z为0-2的整数，
且x+y+z=3，
R5和R6在每次出现时独立地代表甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二
甲基-2-丁基、被取代或未被取代的芳基、环状烷基、支链烷基、低级烷基、受保护或去保护
的醇或两性离子基团，且
B1代表硅氧烷键；
b)经由碳-碳直键形成或经由杂原子、酯、醚、硫醚、胺、酰胺、酰亚胺、脲、碳酸酯、氨基
甲酸酯、杂环、三唑或氨基甲酸酯键至表面有机官能杂化基团的连接物；或
c)未共价连接到材料表面的吸附的表面基团；
Y为嵌入的极性官能团；且
A代表
i.)亲水端基；
ii.)氢、氟、甲基、乙基、正丁基、叔丁基、异丙基、低级烷基或基团Z；或
iii.)可官能化的基团。
在式1的其他这样的实施方案中，T由下式表示：
，
其中：
n1为0-5的整数；
n2为0-5的整数；
n3=0或1，条件是，当n3=0时，n1不为0；
R1、R1、R3和R4在每次出现时独立地代表氢、氟、甲基、乙基、正丁基、叔丁基、异丙基、低
级烷基、受保护或去保护的醇、两性离子或基团Z；
Z代表：
a)具有式(B1)x(R5)y(R6)zSi-的表面连接基团，
其中x为1-3的整数，
y为0-2的整数，
z为0-2的整数，
且x+y+z=3；
R5和R6在每次出现时独立地代表甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二
甲基-2-丁基、被取代或未被取代的芳基、环状烷基、支链烷基、低级烷基、受保护或去保护
的醇或两性离子基团；
B1代表硅氧烷键；
b)经由碳-碳直键形成或经由杂原子、酯、醚、硫醚、胺、酰胺、酰亚胺、脲、碳酸酯、氨基
甲酸酯、杂环、三唑或氨基甲酸酯键至表面有机官能杂化基团的连接物；
c)未共价连接到材料表面的吸附的表面基团；或
d)甲硅烷基醚键，
Y为嵌入的极性官能团；且
A代表
i.)亲水或可电离的端基；或
ii.)氢、氟、甲基、乙基、正丁基、叔丁基、异丙基、低级烷基或基团Z。
在式1的特定实施方案中，T包括以下结构之一：
，
其中R5和R6独立地代表甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二甲基-2-丁
基、被取代或未被取代的芳基、环状烷基、支链烷基、低级烷基、受保护或去保护的醇或两性
离子基团，且其中A、Ai和A2：(1)独立地选自以下基团中的一种：亲水/可电离的基团，包括
氰基、羟基、氟、三氟、被取代的芳基、酯、醚、酰胺、氨基甲酸酯、脲、亚砜、硝基、亚硝基、硼
酸、硼酸酯、脲、硫醚、亚硫酰基、磺酰基、硫脲、硫代碳酸酯、硫代氨基甲酸酯、乙二醇、杂环、
甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二甲基-2-丁基、被取代或未被取代的芳
基、环状烷基、支链烷基、低级烷基、受保护或去保护的醇或两性离子基团或三唑官能团，
(2)独立地选自非极性基团，包括甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二甲
基-2-丁基、被取代或未被取代的芳基、环状烷基、支链烷基或低级烷基，和/或(3)独立地
选自亲水/可电离的基团，且Ai独立地选自非极性基团且A2独立地选自亲水/可电离的基团
或非极性基团。
在式1的其他特定的实施方案中，Q包括以下结构之一：
。
在这样的实施方案中，本发明的材料可改性成具有式2：
[X](W)a(Q)b(T)c式2
其中：
X为表面多孔材料；
W不存在和/或包括氢和/或包括在X的表面上的羟基；
Q为使在采用低水浓度的色谱条件下保留变量随时间的变化(漂移)减至最小的官能
团；
T包含与分析物色谱相互作用的一个或多个亲水极性可电离和/或带电的官能团；且
b和c为正数，0.05≤(b/c)≤100，且a≥0。
在式2的某些实施方案中，Q由下式表示：
其中：
n1为0-30的整数；
n2为0-30的整数；
R1、R2、R3和R4在每次出现时独立地代表氢、氟、甲基、乙基、正丁基、叔丁基、异丙基、低
级烷基、受保护或去保护的醇、两性离子或基团Z；其中基团Z包括：
a)具有式(B1)x(R5)y(R6)zSi-的表面连接基团，
其中x为1-3的整数，
y为0-2的整数，
z为0-2的整数，
且x+y+z=3，
R5和R6在每次出现时独立地代表甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二
甲基-2-丁基、被取代或未被取代的芳基、环状烷基、支链烷基、低级烷基、受保护或去保护
的醇或两性离子基团；且
B1代表硅氧烷键；
b)经由碳-碳直键形成或经由杂原子、酯、醚、硫醚、胺、酰胺、酰亚胺、脲、碳酸酯、氨基
甲酸酯、杂环、三唑或氨基甲酸酯键至表面有机官能杂化基团的连接物；或
c)未共价连接到材料表面的吸附的表面基团；
Y为嵌入的极性官能团；且
A代表
i.)亲水端基；
ii.)氢、氟、甲基、乙基、正丁基、叔丁基、异丙基、低级烷基或基团Z；或
iii.)可官能化的基团。
在式2的某些其他实施方案中，T由下式之一表示：
或其组合，
其中：
m为0-30的整数；
m’为0-30的整数；
m”为0-3的整数；
Z代表：
a)具有式(B1)x(R5)y(R6)zSi-的表面连接基团，
其中x为1-3的整数，
y为0-2的整数，
z为0-2的整数，
且x+y+z=3，
R5和R6在每次出现时独立地代表甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二
甲基-2-丁基、被取代或未被取代的芳基、环状烷基、支链烷基、低级烷基、受保护或去保护
的醇或两性离子基团；
B1代表硅氧烷键；其中R7、R7’和R7’’各自代表氢、甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异
丙基、2,3-二甲基-2-丁基、苯基、支链烷基或低级烷基；
b)经由碳-碳直键形成或经由杂原子、酯、醚、硫醚、胺、酰胺、酰亚胺、脲、碳酸酯、氨基
甲酸酯、杂环、三唑或氨基甲酸酯键至表面有机官能杂化基团的连接物；或
c)未共价连接到材料表面的吸附的表面基团。
Y为嵌入的极性官能团；且
B代表键、N、O、S、
或
；
R11为第一单芳族、多芳族、杂环芳族或多杂环芳族基团；且
R12为氢、脂族基团或第二单芳族、多芳族、杂环芳族或多杂环芳族基团，其中R11和R12任
选被脂族基团取代。
在式2的某些特定实施方案中，Q由下式之一表示：
其中Z包括：
a)具有式(B1)x(R5)y(R6)zSi-的表面连接基团，
其中x为1-3的整数，
y为0-2的整数，
z为0-2的整数，
且x+y+z=3，
R5和R6在每次出现时独立地代表甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二
甲基-2-丁基、被取代或未被取代的芳基、环状烷基、支链烷基、低级烷基、受保护或去保护
的醇或两性离子基团；且
B1代表硅氧烷键；
b)经由碳-碳直键形成或经由杂原子、酯、醚、硫醚、胺、酰胺、酰亚胺、脲、碳酸酯、氨基
甲酸酯、杂环、三唑或氨基甲酸酯键至表面有机官能杂化基团的连接物；或
c)未共价连接到材料表面的吸附的表面基团。
在式2的某些其他特定实施方案中，T由下式之一表示：
其中Z包括：
a)具有式(B1)x(R5)y(R6)zSi-的表面连接基团，
其中x为1-3的整数，
y为0-2的整数，
z为0-2的整数，
且x+y+z=3，
R5和R6在每次出现时独立地代表甲基、乙基、正丁基、异丁基、叔丁基、异丙基、2,3-二
甲基-2-丁基、被取代或未被取代的芳基、环状烷基、支链烷基、低级烷基、受保护或去保护
的醇或两性离子基团；且
B1代表硅氧烷键；
b)经由碳-碳直键形成或经由杂原子、酯、醚、硫醚、胺、酰胺、酰亚胺、脲、碳酸酯、氨基
甲酸酯、杂环、三唑或氨基甲酸酯键至表面有机官能杂化基团的连接物；或
c)未共价连接到材料表面的吸附的表面基团。
在利用式1或式2的某些实施方案中，Q和T不同或相同。在利用式1或式2的其他实
施方案中，Q包含两个或更多个不同部分。在利用式1或式2的其他实施方案中，T包含两个或
更多个不同部分。
合成方法
本发明提供制备表面多孔材料的方法，其包括：
a.)提供基本无孔的芯材料；和
b.)向所述芯材料施用一层或多层多孔壳材料以形成表面多孔材料。
在某些实施方案中，所述方法还提供以下步骤：
c.)优化所述表面多孔材料的一种或多种性质。
本文所述的方法允许合成窄粒度分布的全多孔球形粒子以及具有色谱增强的孔
几何结构的窄粒度分布的表面多孔(定义为在无孔芯粒上的多孔壳层)粒子。所述方法包括
四烷氧基硅烷(例如，四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷)经由传统施特贝尔-生长方法(St?
ber-growthprocess)单独缩合或与第二有机硅烷共缩合。下文列出该方法的非限制性描
述。
方法A：
步骤1)在有或没有(R1)a(R2)b(R3)cSi(OR4)d的情况下在存在或不存在表面活性剂或
孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下使四烷氧基硅烷缩合以形成种晶粒子(0.2-10μm)；
步骤2)通过在有或没有(R1)a(R2)b(R3)cSi(OR4)d的情况下在存在或不存在表面活性
剂或孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下使四烷氧基硅烷缩合以形成较大的芯粒(0.3-
20μm)而使种晶粒子生长；
步骤3)通过在存在或不存在表面活性剂或孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下使
四烷氧基硅烷与(R1)a(R2)b(R3)cSi(OR4)d共缩合以产生无孔粒子(0.4-20μm)而使粒子进一
步生长；
步骤4)通过粒子分级技术改善粒度分布；
步骤5)通过经由热处理除去有机基团和/或表面活性剂产生多孔二氧化硅粒子；
步骤6)使用包括氟化氢铵和氢氟酸的含氟化学品技术实现孔结构改性；
步骤7)通过在存在或不存在表面活性剂或孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下的
热液加工实现孔结构改性；
步骤8)通过粒子分级技术改善粒度分布；
步骤9)使用高温处理(>600℃)以改善粒子机械稳定性；
步骤10)通过酸处理(例如，盐酸或氢氟酸)来制备粒子表面以使其改性；
步骤11)粒子表面的化学改性。
方法B：
步骤1)在有或没有(R1)a(R2)b(R3)cSi(OR4)d的情况下在存在或不存在表面活性剂或
孔结构剂下使四烷氧基硅烷缩合以形成种晶粒子(0.2-10μm)；
步骤2)通过在有或没有(R1)a(R2)b(R3)cSi(OR4)d的情况下在存在或不存在表面活性
剂或孔结构剂下使四烷氧基硅烷缩合以形成较大的芯粒(0.3-20μm)而使种晶生长；
步骤3)通过在存在或不存在表面活性剂或孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下使
四烷氧基硅烷与(R1)a(R2)b(R3)cSi(OR4)d共缩合以产生无孔粒子(0.4-20μm)使粒子进一步
生长；
步骤4)通过粒子分级技术改善粒度分布；
步骤5)通过经由热处理或提取技术除去有机基团和/或表面活性剂产生多孔二氧化
硅粒子；
步骤6)使用包括氟化氢铵和氢氟酸的含氟化学品技术实现孔结构改性；
步骤7)通过在存在表面活性剂和/或孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下的假晶
转化实现孔结构改性；
步骤8)通过提取技术或通过煅烧除去表面活性剂；
步骤9)通过在存在或不存在表面活性剂或孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下的
热液加工实现孔结构改性；
步骤10)通过粒子分级技术改善粒度分布；
步骤11)使用高温处理(>600℃)以改善粒子机械稳定性；
步骤12)通过酸处理(例如，盐酸或氢氟酸)改性来制备粒子表面；
步骤13)粒子表面的化学改性。
方法C(方法A的具体型式)：
步骤1)Si(OCH2CH3)4缩合以形成晶种粒子(0.2-2μm)；
步骤2)通过Si(OCH2CH3)4缩合以形成较大芯粒(0.3-7μm)而使晶种粒子生长；
步骤3)通过Si(OCH2CH3)4与RSi(OR’)3(R=辛基或十八烷基且R’为甲基或乙基)在存
在或不存在孔结构剂(例如，均三甲苯或烷烃)下共缩合以产生无孔粒子(0.4-10μm)而使粒
子进一步生长。在此，R=辛基或十八烷基且R’为甲基或乙基。
步骤4)通过粒子分级技术改善粒度分布；
步骤5)通过经由热处理(500-600℃，在空气中)除去有机基团而产生多孔二氧化硅粒
子；
步骤6)使用氟化氢铵(4-20小时，25-60℃)进行孔结构改性；
步骤7)通过热液加工(7-20小时，pH5-7，90-150℃)进行孔结构改性；
步骤8)通过粒子分级技术改善粒度分布；
步骤9)使用高温处理(800-1,000℃)以改善粒子机械稳定性；
步骤10)使用氢氟酸处理来制备粒子表面以便改性；
步骤11)使用氯硅烷偶合和封端方案使粒子表面的化学改性。
方法D(改性的芯粒)：
步骤1)<10μm的粒子(例如，金刚石、氧化锆、氧化钛、氧化铁、铈、钴、氧化钴、碳、二氧
化硅、二氧化硅碳化物)通过用酸、碱、化学还原、化学氧化处理或通过连接表面改性基团
(例如，吸附胺、表面活性剂、硅烷键)来表面活化；
步骤2)在有或没有(R1)a(R2)b(R3)cSi(OR4)d的情况下在存在或不存在表面活性剂或
孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下通过四烷氧基硅烷的缩合而使粒子生长；
步骤3)通过四烷氧基硅烷与(R1)a(R2)b(R3)cSi(OR4)d在存在或不存在表面活性剂或
孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下共缩合以产生无孔粒子而使粒子进一步生长；
步骤4)通过粒子分级技术改善粒度分布；
步骤5)通过经由热处理或提取技术除去有机基团和/或表面活性剂而产生多孔二氧
化硅粒子；
步骤6)使用包括氟化氢铵和氢氟酸的含氟化学品技术实现孔结构改性；
步骤7)通过在存在表面活性剂和/或孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下的假晶
转化实现孔结构改性；
步骤8)通过提取技术或通过煅烧除去表面活性剂；
步骤9)通过在存在或不存在表面活性剂或孔结构剂(包括孔膨胀分子和聚合物)下的
热液加工实现孔结构改性；
步骤10)通过粒子分级技术改善粒度分布；
步骤11)使用高温处理(>600℃)以改善粒子机械稳定性；
步骤12)通过酸处理(例如，盐酸或氢氟酸)制备粒子表面以使其改性；
步骤13)粒子表面的化学改性。
供选方案
可探究在方法A内的许多供选方案。例如，如果粒子在生长之后粒度基本均匀，则可能
不需要另外的定尺寸步骤。可避免的其他步骤是在假晶转化之前使用含氟化学品改性的步
骤，或者，如果在不使用该步骤的情况下粒子已经具有足够的机械强度，则使用较高温度的
处理来改善粒子机械稳定性。
可使用方法D来制备表面多孔磁性粒子。
在本发明方法中将有用的其他方法如下。
一方面，本发明提供制备表面多孔材料的方法，其包括：
a.)提供基本无孔的杂化芯材料；和
b.)对所述芯材料施用一层或多层多孔壳材料以形成表面多孔材料。
在某些实施方案中，制备表面多孔材料的方法还包括以下步骤：
c.)优化所述表面多孔材料的一种或多种性质。
在其他实施方案中，各层多孔壳材料(其中各层独立地选择)为多孔无机/有机杂
化材料、多孔二氧化硅、多孔复合材料或其混合物。
在其他实施方案中，各层多孔壳材料使用溶胶、聚电解质或化学上可降解的聚合
物施用，其中：
a)所述溶胶为无机溶胶、杂化溶胶、纳米粒子或其混合物；且
b)所述聚电解质或化学上可降解的聚合物使用化学提取、降解或在小于500℃的温度
下热处理或其组合从材料中除去。
在某些其他实施方案中，在材料形成中使用的溶胶可在各层中具有不同的平均粒
度。在特定的实施方案中，用于内层(即，较靠近本发明材料的中心的层)的溶胶与用于外层
(即，较靠近本发明材料的表面的层)的孔相比具有较大的平均尺寸。在其他实施方案中，用
于内层(即，较靠近本发明材料的中心的层)的溶胶与用于外层(即，较靠近本发明材料的表
面的层)的孔相比具有较小的平均尺寸。
在某些实施方案中，各层多孔壳材料通过经由可电离基团的静电或酸/碱相互作
用形成来施用，其包括以下步骤：
a)用具有可电离基团的烷氧基硅烷预处理或预结合基本无孔的芯，
b)用溶胶处理基本无孔的芯，所述溶胶为无机、杂化、纳米粒子或其混合物，其已经用
具有可电离基团的烷氧基硅烷预结合，所述可电离基团具有与在芯表面上的可电离基团相
反的电荷；和
c)用溶胶在所述材料上形成另外的层，所述溶胶为无机、杂化、纳米粒子或其混合物，
其已经用具有可电离基团的烷氧基硅烷预结合，所述可电离基团具有与在先前层的可电离
基团相反的电荷。
在特定的实施方案中，基本无孔的芯或溶胶的预处理包括用酸或碱或带电的聚电
解质洗涤。在其他实施方案中，基本无孔的芯或溶胶的预处理包括可达的杂化有机基团的
化学转化。
在其他实施方案中，所述可达的杂化有机基团为可进行磺化、硝化、氨化或氯甲基
化、接着氧化或用含胺的基团亲核置换以形成可电离基团的芳族基团。在其他实施方案中，
所述可达的杂化有机基团为可进行氧化、交叉歧化或聚合以形成可电离基团的烯烃基团。
在特定的实施方案中，所述可达的杂化有机基团为可进行氧化、基团加成、亲核置换或聚合
以形成可电离基团的硫醇基。
在其他的实施方案中，基本无孔的芯或溶胶的预结合包括用具有等式1的可电离
基团的烷氧基硅烷结合：
R(CH2)nSi(Y)3-x(R’)x(等式1)
其中n=1-30，有利地为2-3；
x为0-3，有利地为0；
Y代表氯、二甲氨基、三氟甲磺酸酯、甲氧基、乙氧基或较长链的烷氧基；
R代表碱性基团，包括(但不限于)-NH2、-N(R’)H、-N(R’)2、-N(R’)3+、-NH(CH2)mNH2、-NH
(CH2)mN(R’)H、-NH(CH2)mN(R’)2、-NH(CH2)mN(R’)3+、吡啶基、咪唑基、多胺。
R’独立地代表烷基、支链烷基、芳基或环烷基；
m为2-6。
在其他的实施方案中，基本无孔的芯或溶胶的预结合包括与具有等式2的可电离
基团的烷氧基硅烷结合：
A(CH2)nSi(Y)3-x(R’)x(等式2)
其中n=1-30，有利地为2-3；
x为0-3；有利地为0；
Y代表氯、二甲氨基、三氟甲磺酸酯、甲氧基、乙氧基或较长链的烷氧基；
A代表酸性基团，包括(但不限于)磺酸、羧酸、磷酸、硼酸、芳基磺酸、芳基羧酸、芳基膦
酸和芳基硼酸。
R’独立地代表烷基、支链烷基、芳基或环烷基。
在特定的实施方案中，各层多孔壳材料使用聚电解质或化学上可降解的聚合物施
用。
在其他实施方案中，所述聚电解质或化学上可降解物通过化学提取、降解或在小
于500℃的温度下热处理或其组合而从材料中除去。
在某些实施方案中，各层多孔壳材料使用烷氧基硅烷、有机烷氧基硅烷、纳米粒
子、聚有机烷氧基硅氧烷或其组合施用，包括以下步骤：
a)在包含乙醇、水和氢氧化铵且任选含有非离子表面活性剂、离子型表面活性剂、聚
电解质或聚合物的反应混合物中使硅氧烷前体在基本无孔的芯上缩合以形成多孔壳材料；
和
b)经由提取、降解、氧化、水解、去保护或杂化基团、离子型表面活性剂或非离子表面
活性剂的转化或其组合引入孔隙度。
在特定的实施方案中，烷氧基硅烷、有机烷氧基硅烷、纳米粒子、聚有机烷氧基硅
氧烷或其组合在包含乙醇、水、氢氧化铵、离子型表面活性剂和非离子表面活性剂的溶液中
在基本无孔的芯上缩合。
在其他实施方案中，离子型表面活性剂为C10-C30N(R)3+X-，其中R为甲基、乙基、丙
基、烷基、氟烷基；X为卤素、氢氧根或R’SO3-或R’CO2-形式，其中R’为甲基、乙基、丁基、丙基、
异丙基、叔丁基、芳基、甲苯基、卤烷基或氟烷基。
在其他实施方案中，离子型表面活性剂为十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲
基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵或十二
烷基三甲基氯化铵。
在特定的实施方案中，离子型表面活性剂在反应溶液中的浓度维持在5-17mM之
间；或者，在某些实施方案中，维持在8-14mM之间。
在其他实施方案中，非离子表面活性剂为二嵌段或三嵌段共聚物。在某些实施方
案中，共聚物为(PEO)x(PPO)y(PEO)x，
其中：
PEO为聚环氧乙烷重复单元，
PPO为聚环氧丙烷重复单元，
x为5-106的整数，
y为30-85的整数。
在特定的实施方案中，三嵌段共聚物为具有(PEO)20(PPO)70(PEO)20的Pluronic?
P123。在其他实施方案中，烷氧基硅烷、有机烷氧基硅烷或其组合在包含以下各物的溶液中
在基本无孔的芯上缩合：
乙醇、水、氢氧化铵或其组合；
十八烷基三甲基溴化铵；和
Pluronic?P123。
在某些实施方案中，所使用的烷氧基硅烷选自四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷。
在其他实施方案中，有机硅氧烷选自苯基三乙氧基硅烷；苯基三甲氧基硅烷；苯基
乙基三乙氧基硅烷；苯基乙基三甲氧基硅烷；乙基三乙氧基硅烷；乙基三甲氧基硅烷；甲基
三乙氧基硅烷；甲基三甲氧基硅烷；二乙基二乙氧基硅烷；二乙基二甲氧基硅烷；1,4-双(三
乙氧基甲硅烷基)苯；1,4-双(三甲氧基甲硅烷基)苯；1,3-双(三乙氧基甲硅烷基)苯；1,3-
双(三甲氧基甲硅烷基)苯；1,8-双(三乙氧基甲硅烷基)辛烷；1,8-双(三甲氧基甲硅烷基)
辛烷；1,2-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烷；,2-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烷；1,2-双(甲基二乙
氧基甲硅烷基)乙烷；1,2-双(甲基二甲氧基甲硅烷基)乙烷；乙烯基三乙氧基硅烷；乙烯基
三甲氧基硅烷；巯基丙基三甲氧基硅烷；巯基丙基三乙氧基硅烷；1,2-双(三乙氧基甲硅烷
基)乙烯；1,2-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烯；1,1-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烷；1,1-双(三甲
氧基甲硅烷基)乙烷；1,4-双(三乙氧基甲硅烷基乙基)苯；1,4-双(三甲氧基甲硅烷基乙基)
苯；1,3-双(三乙氧基甲硅烷基乙基)苯；或1,3-双(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯。
在其他实施方案中，所使用的烷氧基硅烷为四乙氧基硅烷且所使用的有机烷氧基
硅烷为1,2-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烷。
在某些其他实施方案中，十八烷基三甲基溴化铵的浓度维持在8-14mM之间。
在某些其他实施方案中，十八烷基三甲基溴化铵和Pluronic?P123的摩尔比维持
在1.30下或高于1.30。
在其他实施方案中，烷氧基硅烷与有机烷氧基硅烷的摩尔比为30:1至1:30。
在某些实施方案中，烷氧基硅烷、有机烷氧基硅烷或其组合在乙醇中预稀释。在某
些这样的实施方案中，烷氧基硅烷、有机烷氧基硅烷或其组合的预稀释的乙醇溶液以缓慢
且恒定的速率加入以防止细粒产生、聚集和团聚。在其他这样的实施方案中，烷氧基硅烷、
有机烷氧基硅烷或其组合的预稀释的乙醇溶液以5-500μL/min的速率加入。
在其他实施方案中，包含乙醇、水、氢氧化铵、离子型表面活性剂和非离子表面活
性剂的第二溶液以缓慢且恒定的速率加入以防止细粒产生、聚集和团聚。在某些这样的实
施方案中，包含乙醇、水、氢氧化铵、离子型表面活性剂和非离子表面活性剂的第二溶液在
维持粒子表面积(m2)与反应体积的均一比率所需要的速率和维持粒子体积(m3)与反应体积
的均一比率所需要的速率范围内加入。
在某些实施方案中，表面活性剂混合物通过以下操作中的一种或多种除去：用酸、
水或有机溶剂提取；臭氧分解处理；在<500℃下热处理；或在500-1000℃下热处理。
在其他实施方案中，表面活性剂混合物通过酸提取和臭氧分解处理的组合除去。
在某些实施方案中，各层多孔壳材料使用烷氧基硅烷、有机烷氧基硅烷、纳米粒
子、聚有机烷氧基硅氧烷或其组合施用，包括以下步骤：
a)在包含乙醇、水或氢氧化铵的反应混合物中使硅氧烷前体在基本无孔的芯上缩合
以形成无孔的杂化无机/有机壳材料；和
b)经由提取、降解、氧化、水解、去保护或杂化基团的转化或其组合引入孔隙度。
在一些这样的实施方案中，所使用的烷氧基硅烷选自四甲氧基硅烷或四乙氧基硅
烷。
在其他这样的实施方案中，有机硅氧烷选自以下各物中的一种或多种：苯基三乙
氧基硅烷；苯基三甲氧基硅烷；苯基乙基三乙氧基硅烷；苯基乙基三甲氧基硅烷；乙基三乙
氧基硅烷；乙基三甲氧基硅烷；甲基三乙氧基硅烷；甲基三甲氧基硅烷；二乙基二乙氧基硅
烷；二乙基二甲氧基硅烷；1,4-双(三乙氧基甲硅烷基)苯；1,4-双(三甲氧基甲硅烷基)苯；
1,3-双(三乙氧基甲硅烷基)苯；1,3-双(三甲氧基甲硅烷基)苯；1,8-双(三乙氧基甲硅烷
基)辛烷；1,8-双(三甲氧基甲硅烷基)辛烷；1,2-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烷；1,2-双(三乙
氧基甲硅烷基)乙烷；1,2-双(甲基二乙氧基甲硅烷基)乙烷；1,2-双(甲基二甲氧基甲硅烷
基)乙烷；乙烯基三乙氧基硅烷；乙烯基三甲氧基硅烷；巯基丙基三甲氧基硅烷；巯基丙基三
乙氧基硅烷；1,2-双(三乙氧基甲硅烷基)乙烯；1,2-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烯；1,1-双
(三乙氧基甲硅烷基)乙烷；1,1-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烷；1,4-双(三乙氧基甲硅烷基乙
基)苯；1,4-双(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯；1,3-双(三乙氧基甲硅烷基乙基)苯；或1,3-双
(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯、十八烷基三甲氧基硅烷；十八烷基三乙氧基硅烷；辛基三甲氧
基硅烷；辛基三乙氧基硅烷；十二烷基三甲氧基硅烷和十二烷基三乙氧基硅烷。
在其他这样的实施方案中，所使用的烷氧基硅烷为四乙氧基硅烷且所使用的有机
烷氧基硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷。
在某些这样的实施方案中，烷氧基硅烷、一种或多种有机烷氧基硅烷或其组合在
乙醇中预稀释。
在一些这样的实施方案中，烷氧基硅烷、一种或多种有机烷氧基硅烷或其组合的
预稀释的乙醇溶液以缓慢且恒定的速率加入以防止细粒产生、聚集和团聚。
在其他这样的实施方案中，烷氧基硅烷、一种或多种有机烷氧基硅烷或其组合的
预稀释的乙醇溶液以5-500μL/min的速率加入。
在某些实施方案中，包含乙醇、水和氢氧化铵的第二溶液以缓慢且恒定的速率加
入以防止细粒产生、聚集和团聚。
在某些其他的实施方案中，包含乙醇、水和氢氧化铵的第二溶液在维持粒子表面
积(m2)与反应体积的均一比率所需要的速率和维持粒子体积(m3)与反应体积的均一比率所
需要的速率范围内加入。
在某些实施方案中，孔隙度通过提取、降解、水解、去保护或杂化基团的转化引入，
这通过以下操作中的一种或多种实现：用酸、水或有机溶剂提取；臭氧分解处理；在<500℃
下热处理；或在500-1000℃下热处理。
在其他实施方案中，孔隙度通过提取、降解、水解、去保护或杂化基团的转化引入，
这通过酸提取、臭氧分解处理和/或<500℃的热处理的组合实现。
在某些实施方案中，各层使用式XX的混合物施用：
(D)d(E)e(F)f(式XX)
其中：
a)d+e+f=1；
b)D为在初始缩合时的一种或多种无机组分；
c)E为在初始缩合时的一种或多种杂化组分；
d)F为在初始缩合时的一种或多种杂化组分，还可使其进一步反应以增加表面多孔层
的孔隙度。
在某些这样的实施方案中，在初始缩合时无机组分(D)的前体选自硅、钛、锆或铝
的氧化物、氢氧化物、乙醇盐、甲醇盐、丙醇盐、异丙醇盐、丁醇盐、仲丁醇盐、叔丁醇盐、异丁
醇盐、酚盐、乙基己醇盐、2-甲基-2-丁醇盐、壬醇盐、异辛醇盐、乙醇酸盐、羧酸盐、硝酸盐、
氯化物及其混合物。
在其他这样的实施方案中，在初始缩合时无机组分(D)的前体选自四乙氧基硅烷、
四甲氧基硅烷、甲基三异丙醇钛、甲基三苯酚钛、烯丙基乙酰乙酸酯三异丙醇钛、甲基丙烯
酸酯三异丙醇钛、甲基丙烯酰氧基乙基乙酰乙酸酯三异丙醇钛、五甲基环戊二烯基三甲醇
钛、五甲基环戊二烯基三氯化钛和甲基丙烯酰氧基乙基乙酰乙酸酯三正丙醇锆。
在其他这样的实施方案中，在初始缩合时杂化组分(E)的前体选自1,2-双(三乙氧
基甲硅烷基)乙烷、1,2-双(三甲氧基甲硅烷基)乙烷、1,4-双(三乙氧基甲硅烷基)苯、1,4-
双(三甲氧基甲硅烷基)苯、1,3-双(三乙氧基甲硅烷基)苯、1,3-双(三甲氧基甲硅烷基)苯、
1,3,5-三(三乙氧基甲硅烷基)苯、1,3,5-三(三甲氧基甲硅烷基)苯和双(4-三乙氧基甲硅
烷基苯基)二乙氧基硅烷。
在其他这样的实施方案中，在初始缩合时杂化组分(F)的前体(可进一步反应以增
加表面多孔层的孔隙度)选自苯基三甲氧基硅烷；苯基三乙氧基硅烷；乙酰氧基乙基三甲氧
基硅烷；乙酰氧基乙基三乙氧基硅烷；氯乙基三乙氧基硅烷；氯乙基三甲氧基硅烷；甲基丙
烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷；甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷；溴乙基三甲氧基硅烷；溴
乙基三乙氧基硅烷；氟三乙氧基硅烷；氟三甲氧基硅烷；和以下类型的烷氧基硅烷：
(CH3CH2O)4-vSi(OR*)v(式XXb)
其中：
R*为相应的十八烷基、十二烷基、辛基、2-乙氧基乙基或3-乙基-3-戊基，
v为等于1-4的整数，
在这样的实施方案中，孔隙度通过杂化基团F的反应引入，这通过原始去硅烷化、水解、
去保护、酸提取、<500℃的热处理、氧化、臭氧分解或分解实现。
本发明的另一方面提供通过用使用有机硅氧烷、有机硅氧烷和烷氧基硅烷的混合
物、聚有机烷氧基硅烷、杂化无机/有机包围材料或其组合形成的再一层或多层改性无孔二
氧化硅芯制备在芯表面附近具有增加的杂化物含量的杂化芯的方法。
本发明的又一方面提供通过用使用有机硅氧烷、有机硅氧烷和烷氧基硅烷的混合
物、聚有机烷氧基硅烷、杂化无机/有机包围材料或其组合形成的再一层或多层改性表面多
孔材料制备在材料外表面附近具有增加的杂化物含量的表面多孔杂化材料的方法。
本发明的又一方面提供通过用使用有机硅氧烷、有机硅氧烷和烷氧基硅烷的混合
物、聚有机烷氧基硅烷、杂化无机/有机包围材料或其组合形成的再一层或多层改性表面多
孔粒子制备在粒子外表面附近具有增加的杂化物含量的表面多孔杂化粒子的方法。
本发明的又一方面提供用使用有机硅氧烷、有机硅氧烷和烷氧基硅烷的混合物、
聚有机烷氧基硅烷、杂化无机/有机包围材料或其组合形成的再一层或多层改性基本为二
氧化硅(>90摩尔%)的表面多孔粒子制备在粒子外表面附近具有增加的杂化物含量的表面
多孔杂化粒子的方法。
本发明的又一方面提供在粒子外表面附近具有增加的杂化物含量的表面多孔杂
化粒子的方法，其包括以下步骤：
a.)形成基本为二氧化硅(>90摩尔%)且具有0.18-0.50cm3/g的孔体积的表面多孔粒
子；和
b.)通过用使用有机硅氧烷、有机硅氧烷和烷氧基硅烷的混合物、聚有机烷氧基硅烷、
杂化无机/有机包围材料或其组合形成的再一层或多层改性该粒子使该粒子的孔隙度降低
0.01-0.20cm3/g。
在本发明的某些实施方案中，所述方法提供在所述方法中形成1-15层的材料。在
其他方面，形成2-5层。在其他方面，形成1-2层。
在本发明的某些实施方案中，表面多孔材料通过酸提取、分级、臭氧分解处理、水
热处理、酸处理或其组合优化。
在本发明的其他实施方案中，将表面多孔材料进一步表面改性。在一些方面，这通
过以下实现：用聚合物涂覆；通过有机基团和硅醇基团改性的组合用聚合物涂覆；有机基团
改性与用聚合物涂覆组合；硅醇基团改性和用聚合物涂覆组合；在材料的有机基团与改性
剂之间形成有机共价键；或有机基团改性、硅醇基团改性和用聚合物涂覆组合。
另一方面，本发明提供增加基本无孔的材料的孔隙度的方法，其包括：
a.)提供基本无孔的芯材料；和
b.)向所述芯材料施用一层或多层多孔壳材料，
以形成表面多孔材料。
在增加基本无孔材料的孔隙度的所述方法中，应理解对所述芯材料施用一层或多
层多孔壳材料的方法与上文所述的用于制备表面多孔材料的那些方法基本相同且应该认
为是这样。
分离装置和套装
另一方面提供具有包含如本文所述的材料的固定相的多种分离装置。特定地讲，所述
装置例如包括：色谱柱、薄层板、过滤膜、样品清洁装置和微量滴定板；HPLC柱填充物；固相
提取(SPE)；离子交换色谱；磁化珠粒应用；亲和性色谱和SPE吸附剂；螯合剂；组合化学的固
体载体；寡醣、多肽和/或寡聚核苷酸合成的固体载体；固体负载型生物测定；用于质谱的毛
细管生物测定装置、用于受控制的大孔聚合物膜的模板；毛细管色谱；电动泵填充材料、微
流体装置的填充材料；聚合物添加剂；催化剂载体；和微芯片分离装置的填充材料。类似地，
可将本发明的材料填充到预备的、微孔、毛细管和微流体装置中。
本发明的材料由于其改善的稳定性而赋予这些装置改善的寿命。因此，在特定方
面，本发明提供具有改善的寿命的色谱柱，其包括：
a)具有用于接受填充材料的圆柱形内部的柱，和
b)包含如本文所述的材料的填充色谱床。
在另一特定方面，本发明提供色谱装置，其包括：
a)用于接受填充材料的内部通道，和
b)包含如本文所述的材料的填充色谱床。
本发明还提供包含如本文所述的材料(如本文所述)和使用说明书的套装。在一个
实施方案中，说明书是关于例如色谱柱、薄层板、过滤膜、样品清洁装置、固相提取装置、微
流体装置和微量滴定板的分离装置的使用。
实施例
本发明可通过描述色谱材料的以下非限制性实施例进一步说明。
材料
除非另外指出，否则所有试剂都按收到的原样使用。本领域技术人员应了解存在以下
供应品和供应商的等效物，并且，因此，不应将下文列出的供应商视为限制性的。
表征
本领域技术人员应了解，存在以下仪器和供应商的等效物，并且，因此，不应将下文列
出的仪器视为限制性的。%C、%H、%N值通过燃烧分析(CE-440元素分析仪；Exeter
AnalyticalInc.,NorthChelmsford,MA)测量或者%C通过库仑碳分析仪(模组CM5300,
CM5014,UICInc.,Joliet,IL)测量。这些材料的比表面积(SSA)、比孔体积(SPV)和平均
孔径(APD)使用多点N2吸附法(MicromeriticsASAP2400;MicromeriticsInstruments
Inc.,Norcross,GA)测量。SSA使用BET法计算，SPV为对P/P0>0.98确定的单点数值且APD
使用BJH法由等温线的去吸附支路计算。在7kV下进行扫描电子微观(SEM)图像分析(JEOL
JSM-5600仪器，Tokyo,Japan)。聚焦的离子束扫描电子显微(FEB/SEM)图像分析通过
AnalyticalAnswersInc.(Woburn,MA)在FEI200型聚焦离子束仪器和日立S4800超场
致发射SEM上进行。粒度使用BeckmanCoulterMultisizer3分析仪(30μm孔，70,000计数；
Miami,FL)测量。粒径(dp)以基于体积粒度分布的累积直径的50%来测量。分布的宽度作为
90%累积体积直径除以10%累积体积直径(表示为90/10比率)测量。光散射粒度测量使用
MalvernMastersizer2000在水中测量。ζ-电位测量使用MalvernZetaSizerNanoSeries
(ZEN3600型)进行。多核(13C、29Si)CP-MASNMR光谱使用BrukerInstrumentsAvance-300
光谱仪(7mm双宽频带探针)得到。旋转速度通常为5.0-6.5kHz，再循环延迟为5秒且交叉极
化接触时间为6毫秒。报道的13C和29SiCP-MASNMR光谱位移相对于四甲基硅烷，使用外标
金刚烷(13CCP-MASNMR，δ38.55)和六甲基环三硅氧烷(29SiCP-MASNMR，δ-9.62)记录。
不同硅环境的群体通过光谱反褶积使用DMFit软件评估。[Massiot,D.;Fayon,F.;
Capron,M.;King,I.;LeCalvé,S.;Alonso,B.;Durand,J.-O.;Bujoli,B.;
Gan,Z.;Hoatson,G.Magn.Reson.Chem.2002,40,70-76]。分级技术例如描述在以
下文献中：W.Gerhartz等(编者)Ullmann'sEncyclopediaofIndustrialChemistry,
第5版，第B2卷：单元操作I,VCHVerlagsgesellschaftmbH,(Weinheim,Fed.Rep.
Germ.1988)。磁性测量使用ArKivalTechnologyCorporation(Nashua,NH)的振动样品
磁强计(ADE/DMS880型)进行。相表征通过大角度X-射线粉末衍射(XRPD)分析(H&M
AnalyticalServices,Inc.Allentown,N.J.)使用BrukerD4衍射仪(在40KV/30mA下Cu
辐射)进行。扫描在10°-90°的角度范围内以0.02°的步长和每步715秒的计数时间进行。
实施例1
表面多孔材料通过许多不同的方法制备。在此包括由以下作者描述的方法：Unger等
(Adv.Mater.10(1998),1036-1038)；Yoon等(Ad.Mater.14,(2002)19-21;J.
Mater.Chem.17(2007)1758-1761)；Yano等(ChemLett,2006,35,9,1014和JP
2006347849)；Wyndham等(WO2012/018598；WO2012/018596)、US2007/0189944、US2008/
0277346、US2009/0297853、US7,976812、US7,846,337、US2010/0051877、US2013/
0004772、US2011/0226990、WO2012/110995和US2009/0218276，其各自通过引用整体结合
到本文中。
实施例2
在实施例1中制备的表面多孔材料通过在以下文献中详述的一种或多种方法表面改
性：US6,686,035、US7,223,473、US7,919,177、US2012/0141789、US2009/0209722、US
2008/0269368、US2011/0049056、US2012/0055860、US2012/0273404、WO2012/018598和
WO2012/018596，其各自通过引用整体结合到本文中。
或者，供选地，使用在以下文献中的一个或多个中描述的一种或多种方法：US7,
563,367、US2009/0275469、US2009/0311533或US2007/0187313，其各自通过引用整体结
合到本文中。
实施例3
用如本文所述的表面多孔粒子(SPP)填充的柱在SFC条件下使用WatersACQUITY(TM)
UltraPerformanceConvergenceChromatography(UPC2)(TM)系统(图1)试验。柱效率通
过以0.4-3.75mL/min的不同流速注入含有甲苯、泼尼松龙、胸腺嘧啶和磺胺的溶液来确定。
流动相组合物为在50℃下的91/9CO2/甲醇，且背压调节器恒定地设定在1800psi下。所试
验的柱的换算板高通过将柱长除以色谱板的最大数值和平均粒径(通过SEM确定)的积来确
定。对于室内制备的1.7μm芯-壳粒子和柱观察到约2.0的换算板高。为了比较，当在类似条
件(在50℃和1800psi背压调节器下，93/7CO2/甲醇)下试验时，填充到类似硬件中的全多
孔1.7μmBEH(TM)(亚乙基桥连杂化物)粒子产生约2.7的换算板高。这代表相对于全多孔
粒子而言效率增加大于20%。芯-壳技术可为改善分离效率的重要工具。分散体的显著降低
的纵向扩散和传质阻力组分促进所观察的效率增益。此外，SPP也可提供使由压缩CO2的热
焓膨胀生成的径向温度梯度减至最小的另外益处。较高导热率的芯将柱外的热通到径向中
心，降低径向热梯度，已经显示这大大影响色谱性能。
关于SFC的重要的某些参考文献为US7,399,410：控制吸附剂密度的色谱柱和方
法(ChromatographicColumnsandMethodstoControlSorbentDensity)和US8,449,
769：进行分离的装置、设备和方法(Device,Apparatus.andMethodofPerforming
Separations)。
实施例4
在一个典型反应中，来自实施例1的材料(10g)使用迪安-斯达克分水器在甲苯(190mL)
中回流1小时。在冷却下，将所要的硅烷(来自下表)和甲苯(90mL)加到烧瓶中。将混合物在
室温下搅拌1小时，并加热到回流历时16小时。将反应物冷却且将产物过滤并用甲苯、丙酮、
1:1(v/v)丙酮/水和丙酮(所有溶剂都来自FisherScientific)依次洗涤。将粒子在丙酮/
0.1MNH4HCO3(60/40，v/v，200mL)的溶液中在50℃下浆化20小时。在冷却到室温之后，通过
过滤收集粒子并用1:1(v/v)丙酮/水和丙酮依次洗涤。将粒子在真空下在80℃下干燥过
夜。
实施例5
在一个典型反应中，来自实施例1的材料(10g)使用迪安-斯达克分水器在甲苯(190mL)
中回流1小时。将浆料冷却到室温且加入第一硅烷(来自在实施例4中的表)，且将混合物加
热到回流历时1小时。在冷却下，将第二硅烷(来自在实施例4中的表)和甲苯(90mL)加到烧
瓶中。将混合物在室温下搅拌1小时，且随后加热到回流历时16小时。将反应物冷却且将产
物过滤并用甲苯、丙酮、1:1(v/v)丙酮/水和丙酮(所有溶剂都来自FisherScientific)依
次洗涤。在50℃下将粒子在丙酮/0.1MNH4HCO3(60/40，v/v，200mL)的溶液中浆化20小时。
在冷却到室温之后，通过过滤收集粒子并用1:1(v/v)丙酮/水和丙酮依次洗涤。将粒子在真
空下在80℃下干燥过夜。
实施例6
在一个典型实施例中，来自实施例4和5的材料(10g)使用迪安-斯达克分水器在甲苯
(190mL)中回流1小时。将混合物冷却到室温且加入所要的硅烷(来自在实施例4中的表)和
咪唑(Aldrich-Milwaukee,WI，相对于硅烷1.2倍摩尔过量)。将混合物回流4小时，且随后
冷却到室温。通过过滤收集粒子，且用甲苯、丙酮、1:1(v/v)丙酮/水和丙酮依次洗涤，且随
后在真空下干燥过夜。
实施例7
在一个典型反应中，将来自实施例1的材料分散在缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷/甲
醇(0.25mL/g)(Aldrich,Milwaukee,WI)在20mM乙酸盐缓冲液(pH5.5，使用乙酸和乙酸
钠制备，J.T.Baker，5mL/g稀溶液)中的溶液中，该溶液在70℃下预混合60分钟。将混合物
保持在70℃下20小时。将反应物冷却且将产物过滤并用水和甲醇(J.T.Baker)依次洗涤。
通过13CCP-MASNMR光谱分析这些材料表明这些材料存在环氧基团和二醇基团的混合物。
实施例8
与实施例7相同使用选自以下的特定硅烷：
实施例9
与实施例7相同，使用嵌入的极性硅烷。在此包括由Neue，US5,374,755；Liu，US8,
425,778和US7,074,491；Chen，US7,534,352；Guang，US7125488；Buese，US5,576,453描
述的方法，其各自通过引用整体结合到本文中。
实施例10
在一个典型反应中，将来自实施例1的材料分散在70℃下预混合60分钟的缩水甘油醚
氧基丙基三甲氧基硅烷/甲醇(0.25mL/g)(Aldrich,Milwaukee,WI)在20mM乙酸盐缓冲
液(pH5.5，使用乙酸和乙酸钠制备，J.T.Baker.，5mL/g稀溶液)中的溶液中。将混合物保
持在70℃下20小时。将反应物冷却且将产物过滤并用水和甲醇(J.T.Baker)依次洗涤。将
材料在70℃下在0.1M乙酸溶液(5mL/g稀溶液，J.T.Baker)中回流20小时。将反应物冷却且
将产物过滤并用水和甲醇(J.T.Baker)依次洗涤。将产物在80℃下在减压下干燥16小时。
通过13CCP-MASNMR光谱分析这些材料表明在水解之后没有留下可测量之量的环氧基团。
实施例11
在标准实验中，将来自实施例7的材料分散在例如但不限于水、异丙醇或二氧六环的溶
剂中。加入一定量的来自下表的亲核试剂且将混合物在70℃下加热16小时。硫亲核试剂使
用1摩尔当量的适当碱偶合。在反应之后，将粒子用水和0.5M乙酸依次洗涤，且将材料在70
℃下在0.1M乙酸溶液(5mL/g稀溶液，J.T.Baker)中回流20小时。将反应物冷却且将产物过
滤并用水和甲醇(J.T.Baker)依次洗涤。将产物在80℃下在减压下干燥16小时。通过13C
CP-MASNMR光谱分析这些材料证实环氧化物的反应。覆盖率(coverage)使用%N值计算。
亲核试剂
2-皮考基胺
3-皮考基胺
4-皮考基胺
二-2-皮考基胺
二乙基胺
肾上腺素
3-(二乙基氨基)丙基胺
59 -->
2-氨基吡啶
2-巯基吡啶
苄胺
4-硝基苄胺
二辛胺
4-(氨基甲基)苯基硼酸频那醇酯
(R)-2-甲基吡咯烷
1-氨基蒽
实施例11a)实施例11的方法使用2-皮考基胺作为亲核试剂在THF中对已经如在实施
例7中处理的1.6微米的球形表面多孔二氧化硅粒子进行。得到0.69μmol/m2的覆盖率。
实施例11b)实施例11的方法如在实施例11中进行反应，使用1-氨基蒽作为亲核
试剂在异丙醇中对已经如在实施例7中处理的1.6微米的球形表面多孔二氧化硅粒子进行。
得到0.39μmol/m2的覆盖率。
实施例12
与实施例11相同，使用肽、杯芳烃(calixaranes)、血红素、呋喃、环果聚糖、含糖的聚合
物或寡聚物、含有官能化糖的聚合物或寡聚物、石墨烯、纳米粒子、纳米管或其官能化和/或
聚合的衍生物的亲核试剂组，这些亲核试剂具有可达的亲核基团(例如由以下基团(但不限
于以下基团)中的一个或多个构成的基团：氨基、烷基氨基、芳基氨基、巯基、胍或羟基)。
实施例13
与实施例4-12相同，以产生用于表面多孔粒子的手性固定相(CSP)，其可用于对映异构
体分离，如在IntroductiontoModernLiquidChromatography，第三版，LloydR.
Snyder,JosephJ.Kirkland和JohnW.Dolan,2010,(JohnWiley&Sons,Inc.)中
详述，包括但不限于基于多糖的CPS、合成聚合物CSP、蛋白质相、基于环糊精的CSP、大环抗
生素CSP、手性冠醚CSP、供体-受体相、手性离子交换剂和手性配位体交换CSP。这些相的详
细论述包括在第14章中且通过引用整体结合到本文中。
实施例14
应用在实施例2-13中详述的改性粒子表面的通用方法来改性不同表面多孔材料的表
面硅醇基团。在此包括球形、光滑、粗糙颗粒状且不规则的材料，它们是二氧化硅；杂化无
机/有机材料；在杂化无机/有机、二氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆、聚合或碳材料上的杂
化无机/有机表面层；和在杂化无机/有机、二氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆或聚合或碳材
料上的二氧化硅表面层。还包括以球形、非球形材料形式的表面多孔材料(例如，包括环形
体、多面体)；具有高度球形芯形态、杆形芯形态、弯杆形芯形态、环形芯形态或哑铃形芯形
态的固定相材料；和具有高度球形、杆形、弯杆形、环形或哑铃形形态的混合物的固定相材
料。例示性杂化材料示于美国专利号4,017,528、6,528,167、6,686,035和7,175,913以及国
际公告号WO2008103423中，其内容在此以引用的方式整体结合到本文中。表面多孔粒子包
括在美国公告号2013/0112605、2007/0189944和2010/061367中描述的那些，其内容在此以
引用的方式整体结合到本文中。球形、颗粒状或不规则材料的粒度可为5-500μm；更优选为
15-100μm；更优选为20-80μm；更优选为40-60μm。这些材料的APD可为30-2,000?，更优选为
40-200?，更优选为50-150?。这些材料的SSA可为20-1000m2/g，更优选为90-800m2/g，更优选
为150-600m2/g，更优选为300-550m2/g。这些材料的TPV可为0.15-1.5cm3/g，更优选为0.2-
0.4cm3/g，更优选为0.22-3.3cm3/g。
等效物
本领域技术人员仅仅使用常规实验便将认识到或能够确定本文所述的特定实施方案
的许多等效物。本发明意欲涵盖所述等效物。
通过引用结合
本文提到的所有公告、专利申请和专利以引用的方式明确地全文结合到本文中来。