介孔材料因兼具适配传质的孔径与利于分子吸附/分配的大比表面积，成为化学分离、环境分析、药物纯化等领域的重要分离介质，而介孔微球的宏观形貌与微观纳米结构的协同精准构筑，是实现高性能色谱分离的关键前提。传统合成方法难以同时实现微球单分散球形形貌与有序介孔结构的精准调控，要么形貌均一但孔结构无序，要么孔结构有序但形貌非球形，严重制约了色谱分离的效率与分辨率，尤其是选择性因子α无限趋近于1的“关键物质对”分离，更是长期亟待突破的经典难题。

近期，厦门大学张博教授团队开发出基于微流控平台的双模板组装纳米结构化（TiTAN）策略，通过微液滴模板精准调控微球形貌与单分散性、胶体模板独立构筑内部有序介孔，实现了微球宏观形貌与微观介孔结构的同步精准调控，该策略可拓展至不同粒径、孔道构型及材料体系，能实现介孔参数 2 Å 空间分辨率的精细调谐。以此制备的有序介孔微球作为色谱固定相，相比传统材料大幅提升了分离效率与保留能力，可在短时间内实现多环芳烃、二甲苯异构体等“关键物质对”的高效色谱分离。相关研究以“Template-in-template assembly nanostructured microspheres for high performance chromatography”为题目，发表在期刊《Nature Communications》上。

本文要点：

1、该研究开发了一种双模板组装纳米结构化（TiTAN） 策略，实现了介孔微球宏观形貌与微观纳米结构的精准协同构筑，为高性能色谱分离介质的理性设计和制备提供了全新方法，同时解决了传统合成难以同时调控微球形貌和孔结构的关键难题。

2、该策略以微流控液滴为形貌模板，保证微球单分散性（CV=3%），以液滴内结构导向剂调控孔构型，可精准制备二维六方、体心立方、面心立方和立方双螺旋等有序介孔结构；通过调节水热条件，还能以 2 Å 的空间分辨率精细调控孔径、比表面积等孔结构参数，且微球外部形貌与内部孔结构可独立调控，不受彼此影响。该策略还可拓展至有机硅、二氧化钛、二氧化锆等多种材料体系，具备良好的通用性。

3、将 TiTAN 策略制备的单分散有序介孔二氧化硅微球功能化后作为色谱填料，与传统多孔颗粒（TPP）相比，其因单分散形貌降低了涡流扩散，有序孔道减少了颗粒内传质阻力，更高的可及比表面积提升了配体键合密度和保留能力，实现了分离效率和保留性的双重提升。

4、在实际分离中，该填料成功解决了经典的“关键物质对”分离难题，对选择性因子 α 趋近于 1 的多环芳烃、二甲苯异构体、苯同位素体等难分离体系，实现了更高的分离度，甚至能在短柱和合理时间内完成传统填料无法实现的基线分离，大幅缩短了分离耗时。

5、此外，TiTAN 策略不仅突破了色谱分离介质的合成瓶颈，还为多孔材料的精准合成提供了通用路线，在化工分离、环境分析、药物纯化等领域具有广泛的应用潜力。

为何选择氟油基体系作为微流控液滴生成的核心体系，而非传统油相/水相体系？

① 液滴稳定性与通用性，氟油（HFE-7500）具有疏水疏脂特性，可稳定包裹含结构导向剂、各类无机/有机前驱体的酸性挥发性分散相，适配硅基、有机硅、过渡金属氧化物等多材料体系的合成，而传统油相/水相体系对分散相兼容性有限；

② 单分散性保障，氟表面活性剂可在液滴界面形成稳定界面层，抑制液滴融合/破碎，微流控芯片能生成CV低至2.6%的单分散液滴，为微球单分散性奠定基础；

③ 可控溶剂蒸发，氟油密度高达1.85 g/cm³，生成的液滴会自发浮于气液界面，实现温和、均匀的溶剂蒸发，避免局部蒸发过快导致的微球变形，保证球形度；

④ 高通量制备，该体系下微流控液滴生成通量达240,000 Hz /芯片，每小时可制备约10⁹个微球，解决了传统微流控合成产率低的问题，具备实际应用潜力。

TiTAN策略的核心在于采用双模板分离调控机制，将宏观形貌与微观孔结构的控制权分别赋予两个独立的模板单元：

一是以微流控氟油基液滴为宏观形貌模板，氟油的疏水疏脂性保证液滴的单分散性（CV=2.6%），液滴作为微尺度反应容器限定微球的球形度和粒径，且氟油高密度使液滴浮于气液界面，实现温和可控的溶剂蒸发，保证形貌均一；

二是以胶束为微观孔结构模板，通过液滴内的结构导向剂（SDA）自组装形成有序液晶相，调控介孔构型，同时水热条件和 SDA 用量可独立微调孔参数；此外，微流控液滴的形貌调控与胶束的孔结构调控在动力学上相互解耦，因此实现了两者的独立精准调控。

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 微流控器件制备的单分散液滴的光学显微镜图像；c、d 不同放大倍数下所得有序介孔二氧化硅微球的扫描电子显微镜图像，e 透射电子显微镜图像；f 单分散液滴（蓝色）和微球（红色）的粒径分布分析；g 有序介孔二氧化硅微球的氮气吸脱附等温线、h 孔径分布及 i 小角 X 射线散射图谱。

图2 不同孔构型单分散微球的结构表征。a–d 体心立方、e–h 面心立方、i–l 立方双螺旋构型微球的扫描电子显微镜图像、透射电子显微镜图像、小角 X 射线散射图谱及孔径分布。

图3 单分散微球中孔结构参数的自由调控。a 通过调控水热条件实现孔结构调控的示意图；b 不同水热条件下有序介孔微球的孔径分布、c 小角 X 射线散射图谱及 d 孔特征尺寸统计；e 通过增加结构导向剂用量实现孔结构调控的示意图；f 不同聚环氧乙烷- 聚甲基丙烯酸甲酯用量为模板制备的有序介孔微球的氮气吸脱附等温线及 g 有效孔体积（有效孔体积为孔径大于 2 nm 的孔的累积体积）。

图4 有序介孔颗粒与全多孔颗粒的性能对比。a 烷基苯混合物在 15 cm 长的有序介孔颗粒和全多孔颗粒色谱柱上的色谱图（分析物：硫脲、甲苯、乙苯、丙苯、丁苯，按洗脱顺序排列；流动相：乙腈-水，体积比 60:40；紫外检测波长：214 nm）；b 保留因子对比、c Knox 曲线及 d 有序介孔颗粒和全多孔颗粒的改良动力学图谱（有序介孔颗粒简称 OMP，全多孔颗粒简称 TPP）。

图5 具有有序介孔结构的单分散微球对关键物质对的分离效果。a 多环芳烃混合物在 b 全多孔颗粒和 c 有序介孔颗粒色谱柱上的色谱图（流动相：乙腈-水，体积比 70:30）；d 二甲苯异构体混合物在 e 全多孔颗粒和 f 有序介孔颗粒色谱柱上的色谱图（流动相：乙腈-水，体积比 50:50）；g 苯/氘代苯在 h 全多孔颗粒和 i 有序介孔颗粒色谱柱上的色谱图（流动相：乙腈 - 水，体积比 20:80）。所有分离均在 15 cm 色谱柱上采用等度洗脱模式，流速为 800 nL/min，紫外检测波长为 210 nm。

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

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