作者：纳微科技 江必旺 博士
手性世界
手性一词来源于希腊语“手”(Cheiro)。自然界中存在的手性物质是指具有一定构型或构象的物质与其镜像物质不能互相重合，就象左手和右手互为不能重合的实物和镜象关系类似。
手性是宇宙间的普遍特征，体现在生命的产生和演变过程中。首先组成地球生命体的基本结构单元，氨基酸几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。也就是说，生命最基本的东西也有左右之分。为什么自然界选择左旋氨基酸而不是右旋氨基酸作为生命的基本结构单元一直是个迷。而更加复杂的蛋白质和DNA的螺旋构象都是右旋的。海螺的螺纹和缠绕植物也都是右旋的。因此生物体内存在着手性的环境，使得生物体可以识别常规化学和物理性能完全一样的手性异构体分子。作用于生物体内的手性药物及农药，其药效作用多与它们和体内靶分子间的手性匹配和手性相关。因此，手性药物的不同对映异构体，在生理过程中会显示出不同的药效。甚至会出现一种对映异构体对治疗有效，而另一种对映异构体表现为有害性质这种现象。
自然界中的手性表现形式（图片来自于网络）
在手性药物未被人们认识以前，二十世纪六十年代的“反应停（Thalidomide）悲剧”就是一个突出的例子。当时欧洲一些医生曾给孕妇服用没有经过拆分的消旋体药物（由一对等量对映异构体分子组成）对作为镇痛药或止咳药，很多孕妇服用后，生出了无头或缺腿的先天畸形儿。仅仅四年时间，导致世界范围内诞生了1.2万多名畸形的“海豹婴儿”。这就是被称为“反应停”的惨剧。后来经过德国波恩大学研究人员发现，反应停的R-构型的单一对映体有镇静作用，而S-构型对胚胎有严重的致畸作用。惨痛的教训使人们认识到，手性药物必须对它的两个异构体进行分别考察，都要经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害，慎重对待一些药物的另一对映异构体。所以手性拆分技术越来越多用于手性药物开发和生产。
自然界生物体本身具有手性环境，因此对手性药物的不同对映异构体，会显示出不同的疗效。美国食品与药品管理局（FDA）早在1992年就明确规定：对含有手性因素的药物倾向于开发单一的对映体产品；对于外消旋的药物（一对等量对映异构体组成），则要求提供立体异构体的详细生物活性和毒理学研究数据。
近二三十年，世界上手性药物的销售以及占据药物总数的比例也呈逐年上升趋势。手性化合物既可以通过不对称合成来获得，也可以通过天然手性化合物的提取，还可以通过手性拆分获得单一对映体。
手性化合物的拆分是手性技术的一个重要方面。在由非手性物质合成手性物质时，往往得到由一对等量对映异构体组成的消旋体。手性色谱分离纯化是获得单一对映体最常用的方法，其自身具有分离效果好、速度快、灵敏度好、操作方便等优点。已成为手性化合物分离分析和制备的重要手段之一，也是不对称合成方法得到单一对映体的辅助方法之一。
手性化合物的分离被认为是最有挑战性的色谱分离技术之一。因为色谱分离技术往往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吸附和脱附或其他亲和能力作用的差异，从而形成差速移动，达到分离的目的。分子之间的物理和化学性质相差越大，越容易建立色谱分离方法。但手性分子就像左右手一样，看起来似乎一模一样，其分子组成、分子量一样，物理和化学性质也相同，只是它们在空间结构上却无法完全重合，因此分离难度最大。在精细化工、生物工程及制药工业中制备高纯度的单一对应体手性分子将具有巨大的商业价值和应用前景，因此建立对映体的手性分离方法显得日益重要。因为许多手性药物真正起作用的是其中的一种单一对映体，而另一种对映体可能不仅无药理作用，还会有副作用。
二十世纪六十年代以来，色谱技术作为一种分析技术在生命科学、环境科学、药物分析等领域的应用日益普遍。应用在手性色谱分离方面得到很快的发展，而其中色谱填料可谓是色谱技术的核心，它不仅是色谱方法建立的基础，而且是一种重要的消耗品。色谱柱作为色谱填料的载体，当之无愧被称为色谱仪器的“心脏”。高性能的色谱填料一直是色谱研究中最丰富、最有活力、最富于创造性的研究方向之一。
手性化合物可通过物理吸附或化学键合的方式固定到多孔固相载体表面，对应体由于与固定化的手性分子形成非对映异构体络合物的结合能力差异而达到拆分，这样的固定相称手性固定相又称手性色谱填料。一个有效的手性填料应当具有能够快速分离对映体，测定对映体的纯度，尽可能适应多种类型的对映体的分离；应当具有较高的对映体分离选择性和柱容量。目前手性色谱填料主要是在多孔二氧化硅基球上涂覆或键合带有手性结构的生物材料如功能化纤维素，直链淀粉，大环抗生素，环糊精等制备的。所有这些手性材料中，纤维素和直链淀粉型色谱填料使用最为普遍。手性化合物的色谱分离技术已被广泛地用于手性分子的分离和检测。手性色谱填料基本上是由日本的D公司一家独霸，当其它常规色谱柱每根只卖几千元人民币时，而一根装有2.5克的手性填料的色谱柱价格超过1万元人民币，因此每公斤的手性色谱填料装成柱子可以卖到几百万人民币的价格。
手性色谱填料寿命短、价格贵，让手性药物研发工作者尽可能地寻找其它解决方案，不对称合成生产手性药物分子就是为了避免昂贵的手性分离工艺。手性色谱填料的高额利润让世界许多色谱公司和精英前仆后继去挑战这些技术，却无法撼动日本D公司的垄断地位，说明手性色谱分离技术壁垒之高及产品产业化难度之大。
手性色谱填料国产化创新之路
手性色谱填料主要是通过在多孔二氧化硅基球上涂覆或键合带有手性识别位点的生物材料如纤维素，直链淀粉。如要做手性色谱填料，首先要解决的就是合成超大孔硅胶基球作为手性色谱填料的固定相载体。在纳微科技做出超大孔硅胶基球之前，全世界上只能从日本公司才能买到这种超大孔的硅胶基球，价格昂贵，每公斤高达10万元人民币。虽然中国拥有全世界最多的色谱科研究员，发表色谱领域文章数量也于2011年就超过美国稳居世界首位，但遗憾的是中国色谱填料尤其是球形硅胶色谱填料一直未能实现产业化。主要原因就是色谱填料制备技术壁垒高，产业化周期长，投资大，世界上可以大规模生产球形硅胶色谱填料的也就只有四家公司，日本就占了三家。可见日本对色谱填料技术掌控能力的强大。绝大多数商业化的硅胶色谱填料的孔径一般都在10-30纳米，而用于手性硅胶色谱填料的孔径要求达到100纳米，手性色谱用的大孔硅胶比小孔硅胶制备技术难度更大。为了实现球形硅胶色谱填料产业化，纳微投资近5000万元人民币，坚持了十多年跨领域技术研发，最后突破了单分散球形硅胶色谱填料精准制造的世界难题，纳微也因此成为全球首个具备大规模生产单分散球形硅胶色谱填料的公司。纳微不仅填补中国在高性能球形硅胶色谱的空白，而且为世界硅胶色谱填料精准制备技术的进步做出贡献。在此基础上，纳微又研发出超大孔硅胶色谱填料以满足手性色谱填料的要求。电子扫描电镜图对比图及孔径分布对比图可以明显看出纳微大孔硅胶无论是粒径的精确性，粒径均匀性，孔径均匀性，还是球的完整性及机械强度都超过日本产品。
超大孔硅胶色谱填料对比图
（左-纳微产品，右-国外某公司产品）
纳微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
纳微UniSil®大孔硅胶填料与日本大孔硅胶色谱填料孔径分布对比图
手性色谱填料是通过在大孔球形硅胶中涂敷或键合带有手性识别位点的材料，主要包括衍生化的纤维素和直链淀粉两大类。为了达到光学异构体拆分的目的，涂覆或键合后的纤维素和直链淀粉必须保持手性结构环境，使得对映异构体间呈现物理特征的差异。纤维素和直链淀粉手性结构容易在涂覆或键合过程中受到破坏，因此制备手性色谱填料不仅对硅胶要求高，对涂覆或键合工艺要求也高，还对纤维素和直链淀粉的本身的结构、分子量、及衍生功能基团都有极高的要求，因此手性色谱填料的制备技术壁垒极高。
纤维素和直链淀粉涂覆大孔硅胶制备的
UniChiralⓇ手性色谱填料
突破手性色谱填料的制造壁垒，不仅要解决大孔硅胶基球生产问题，还要解决纤维素和直链淀粉生产及其衍生化工艺问题；有了硅胶基球及手性材料后，还要解决涂覆和偶联工艺问题。纤维素和淀粉通常是极为常见而丰富的物质，但能够满足手性色谱填料制备要求的纤维素和淀粉却极难获得，尤其是直链淀粉。全世界上只有日本的一家公司可以买到，但其价格超乎一般人的想象，每公斤直链淀粉的价格高达60万人民币。为了开发手性色谱填料，我们在项目开发期间以这种天价买了日本的直链淀粉，遗憾的是即使用这么昂贵的直链淀粉，做出的手性色谱填料，其性能还是达不到日本公司的水平，因此最好的东西即使我们花天价也不一定能买到。
从手性分离填料开发的过程中我们可以发现日本D公司对上下游产业链及其关键材料的掌控程度达到惊人的地步，日本上下游厂家的紧密配合也值得我们学习。这也是为什么这么多年全世界其它公司都无法撼动日本D公司在手性材料的垄断地位的又一原因。过去的二十年，日本被很多国人认为是失落的二十年，但从这件事上可以看出日本并没有失落而是在深耕科技，从原来掌控生产消费端的产品转变成为上游的关键材料，进而掌控产业链源头的技术。去年闹得沸沸扬扬的日本对韩国贸易制裁事件，日本就是通过限制“氟聚酰亚胺”、“光刻胶”和“高纯度氟化氢”等关键材料出口到韩国，就让强大的韩国半导体和显示产业短时间内陷入困境。日本之所以会控制很多产业的关键材料和技术不是因为日本人比别国人聪明，而是日本人有足够的耐心及其精益求精的工匠精神让他们可以把先进材料做到极致，这也是我们中国最该向日本人学习的地方。
世界上可以掌握纤维素和直链淀粉的涂覆或偶联技术制备出手性色谱填料的公司屈指可数，但能大规模生产大孔硅胶的公司全世界不到4家，而能大规模生产直链淀粉的公司更是凤毛麟角。纳微是一个专业做微球的公司，制备出能满足手性色谱填料的大孔球形硅胶并不是那么难，但直链淀粉生产技术完全超出纳微的研究领域，因此纳微要突破直接淀粉生产技术，其难度是可以想象。为了解决直链淀粉生产技术问题，纳微一开始是希望与科研院所及专业淀粉公司合作，但合作伙伴最后都没有坚持到成功。为了解决直链淀粉供应问题，纳微不得不自己组建团队边学边做，经过多年的努力和坚持，纳微成功突破直链淀粉生产技术难题并实现规模化生产。从专业来说，纳微科技团队对直链淀粉知识的理解远远不如国内外的专家，但最后能实现产业化，最主要的是保持着耐心和恒心。直链淀粉的生产问题解决之后，纳微接着又解决了涂覆工艺技术问题，最后生产出系列UniChiralⓇ手性色谱填料及产品，其分离性能达到国外公司同类材料的水平，而且由于纳微科技自主研发生产的基球粒径均匀，孔径分布窄，使得纳微科技生产的手性色谱填料具有更高柱效，更低的柱压，和更长的寿命。
纳微UniChiralⓇ产品涂覆工艺及产品类型
纳微UniChiralⓇ产品与国外手性色谱填料
在分离手性分子效率的对比图
纳微UniChiralⓇ产品实物图例及相关产品订货信息
纳微突破手性色谱填料的生产技术这一难题，可以说明耐心和坚持的重要性，只要有足够的付出和努力，足够的坚持，即使一开始看去遥不可及的目标也总有一天可以完成。纳微就是凭借这种坚韧不拔的精神突破了单分散硅胶色谱填料精准制造的世界难题，解决了直链淀粉供应问题，并解决了涂覆工艺问题，最后生产出高性能的手性色谱填料。目前纳微不仅可以提供系列手性色谱填料，而且可以为手性分离纯化方面为客户提供分离纯化整体解决方案，具备生产毫克级到到公斤级甚至百公斤级的手性原料拆分能力。