作者：納微科技??江必旺 博士
? 手性世界
手性一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)“手”(Cheiro)。自然界中存在的手性物質(zhì)是指具有一定構型或構象的物質(zhì)與其鏡像物質(zhì)不能互相重合，就象左手和右手互為不能重合的實(shí)物和鏡象關(guān)系類(lèi)似。
手性是宇宙間的普遍特征，體現在生命的產(chǎn)生和演變過(guò)程中。首先組成地球生命體的基本結構單元，氨基酸幾乎都是左旋氨基酸，而沒(méi)有右旋氨基酸。也就是說(shuō)，生命最基本的東西也有左右之分。為什么自然界選擇左旋氨基酸而不是右旋氨基酸作為生命的基本結構單元一直是個(gè)迷。而更加復雜的蛋白質(zhì)和DNA的螺旋構象都是右旋的。海螺的螺紋和纏繞植物也都是右旋的。因此生物體內存在著(zhù)手性的環(huán)境，使得生物體可以識別常規化學(xué)和物理性能完全一樣的手性異構體分子。作用于生物體內的手性藥物及農藥，其藥效作用多與它們和體內靶分子間的手性匹配和手性相關(guān)。因此，手性藥物的不同對映異構體，在生理過(guò)程中會(huì )顯示出不同的藥效。甚至會(huì )出現一種對映異構體對治療有效，而另一種對映異構體表現為有害性質(zhì)這種現象。
自然界中的手性表現形式（圖片來(lái)自于網(wǎng)絡(luò )）
在手性藥物未被人們認識以前，二十世紀六十年代的“反應停（Thalidomide）悲劇”就是一個(gè)突出的例子。當時(shí)歐洲一些醫生曾給孕婦服用沒(méi)有經(jīng)過(guò)拆分的消旋體藥物（由一對等量對映異構體分子組成）對作為鎮痛藥或止咳藥，很多孕婦服用后，生出了無(wú)頭或缺腿的先天畸形兒。僅僅四年時(shí)間，導致世界范圍內誕生了1.2萬(wàn)多名畸形的“海豹嬰兒”。這就是被稱(chēng)為“反應?！钡膽K劇。后來(lái)經(jīng)過(guò)德國波恩大學(xué)研究人員發(fā)現，反應停的R-構型的單一對映體有鎮靜作用，而S-構型對胚胎有嚴重的致畸作用。慘痛的教訓使人們認識到，手性藥物必須對它的兩個(gè)異構體進(jìn)行分別考察，都要經(jīng)過(guò)嚴格的生物活性和毒性試驗，以避免其中所含的另一種手性分子對人體的危害，慎重對待一些藥物的另一對映異構體。所以手性拆分技術(shù)越來(lái)越多用于手性藥物開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。
自然界生物體本身具有手性環(huán)境，因此對手性藥物的不同對映異構體，會(huì )顯示出不同的療效。美國食品與藥品管理局（FDA）早在1992年就明確規定：對含有手性因素的藥物傾向于開(kāi)發(fā)單一的對映體產(chǎn)品；對于外消旋的藥物（一對等量對映異構體組成），則要求提供立體異構體的詳細生物活性和毒理學(xué)研究數據。
近二三十年，世界上手性藥物的銷(xiāo)售以及占據藥物總數的比例也呈逐年上升趨勢。手性化合物既可以通過(guò)不對稱(chēng)合成來(lái)獲得，也可以通過(guò)天然手性化合物的提取，還可以通過(guò)手性拆分獲得單一對映體。
手性化合物的拆分是手性技術(shù)的一個(gè)重要方面。在由非手性物質(zhì)合成手性物質(zhì)時(shí)，往往得到由一對等量對映異構體組成的消旋體。手性色譜分離純化是獲得單一對映體最常用的方法，其自身具有分離效果好、速度快、靈敏度好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。已成為手性化合物分離分析和制備的重要手段之一，也是不對稱(chēng)合成方法得到單一對映體的輔助方法之一。
手性化合物的分離被認為是最有挑戰性的色譜分離技術(shù)之一。因為色譜分離技術(shù)往往是利用混合樣品各組份在固定相（色譜填料）和流動(dòng)相中的分配系數不同，當流動(dòng)相推動(dòng)樣品中的各組份在色譜填料填充的柱中遷移時(shí)，由于各組份在兩相中進(jìn)行連續反復吸附和脫附或其他親和能力作用的差異，從而形成差速移動(dòng)，達到分離的目的。分子之間的物理和化學(xué)性質(zhì)相差越大，越容易建立色譜分離方法。但手性分子就像左右手一樣，看起來(lái)似乎一模一樣，其分子組成、分子量一樣，物理和化學(xué)性質(zhì)也相同，只是它們在空間結構上卻無(wú)法完全重合，因此分離難度最大。在精細化工、生物工程及制藥工業(yè)中制備高純度的單一對應體手性分子將具有巨大的商業(yè)價(jià)值和應用前景，因此建立對映體的手性分離方法顯得日益重要。因為許多手性藥物真正起作用的是其中的一種單一對映體，而另一種對映體可能不僅無(wú)藥理作用，還會(huì )有副作用。
二十世紀六十年代以來(lái)，色譜技術(shù)作為一種分析技術(shù)在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、藥物分析等領(lǐng)域的應用日益普遍。應用在手性色譜分離方面得到很快的發(fā)展，而其中色譜填料可謂是色譜技術(shù)的核心，它不僅是色譜方法建立的基礎，而且是一種重要的消耗品。色譜柱作為色譜填料的載體，當之無(wú)愧被稱(chēng)為色譜儀器的“心臟”。高性能的色譜填料一直是色譜研究中最豐富、最有活力、最富于創(chuàng )造性的研究方向之一。
手性化合物可通過(guò)物理吸附或化學(xué)鍵合的方式固定到多孔固相載體表面，對應體由于與固定化的手性分子形成非對映異構體絡(luò )合物的結合能力差異而達到拆分，這樣的固定相稱(chēng)手性固定相又稱(chēng)手性色譜填料。一個(gè)有效的手性填料應當具有能夠快速分離對映體，測定對映體的純度，盡可能適應多種類(lèi)型的對映體的分離；應當具有較高的對映體分離選擇性和柱容量。目前手性色譜填料主要是在多孔二氧化硅基球上涂覆或鍵合帶有手性結構的生物材料如功能化纖維素，直鏈淀粉，大環(huán)抗生素，環(huán)糊精等制備的。所有這些手性材料中，纖維素和直鏈淀粉型色譜填料使用最為普遍。手性化合物的色譜分離技術(shù)已被廣泛地用于手性分子的分離和檢測。手性色譜填料基本上是由日本的D公司一家獨霸，當其它常規色譜柱每根只賣(mài)幾千元人民幣時(shí)，而一根裝有2.5克的手性填料的色譜柱價(jià)格超過(guò)1萬(wàn)元人民幣，因此每公斤的手性色譜填料裝成柱子可以賣(mài)到幾百萬(wàn)人民幣的價(jià)格。
手性色譜填料壽命短、價(jià)格貴，讓手性藥物研發(fā)工作者盡可能地尋找其它解決方案，不對稱(chēng)合成生產(chǎn)手性藥物分子就是為了避免昂貴的手性分離工藝。手性色譜填料的高額利潤讓世界許多色譜公司和精英前仆后繼去挑戰這些技術(shù)，卻無(wú)法撼動(dòng)日本D公司的壟斷地位，說(shuō)明手性色譜分離技術(shù)壁壘之高及產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化難度之大。
手性色譜填料國產(chǎn)化創(chuàng )新之路
手性色譜填料主要是通過(guò)在多孔二氧化硅基球上涂覆或鍵合帶有手性識別位點(diǎn)的生物材料如纖維素，直鏈淀粉。如要做手性色譜填料，首先要解決的就是合成超大孔硅膠基球作為手性色譜填料的固定相載體。在納微科技做出超大孔硅膠基球之前，全世界上只能從日本公司才能買(mǎi)到這種超大孔的硅膠基球，價(jià)格昂貴，每公斤高達10萬(wàn)元人民幣。雖然中國擁有全世界最多的色譜科研究員，發(fā)表色譜領(lǐng)域文章數量也于2011年就超過(guò)美國穩居世界首位，但遺憾的是中國色譜填料尤其是球形硅膠色譜填料一直未能實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。主要原因就是色譜填料制備技術(shù)壁壘高，產(chǎn)業(yè)化周期長(cháng)，投資大，世界上可以大規模生產(chǎn)球形硅膠色譜填料的也就只有四家公司，日本就占了三家?？梢?jiàn)日本對色譜填料技術(shù)掌控能力的強大。絕大多數商業(yè)化的硅膠色譜填料的孔徑一般都在10-30納米，而用于手性硅膠色譜填料的孔徑要求達到100納米，手性色譜用的大孔硅膠比小孔硅膠制備技術(shù)難度更大。為了實(shí)現球形硅膠色譜填料產(chǎn)業(yè)化，納微投資近5000萬(wàn)元人民幣，堅持了十多年跨領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)，最后突破了單分散球形硅膠色譜填料精準制造的世界難題，納微也因此成為全球首個(gè)具備大規模生產(chǎn)單分散球形硅膠色譜填料的公司。納微不僅填補中國在高性能球形硅膠色譜的空白，而且為世界硅膠色譜填料精準制備技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻。在此基礎上，納微又研發(fā)出超大孔硅膠色譜填料以滿(mǎn)足手性色譜填料的要求。電子掃描電鏡圖對比圖及孔徑分布對比圖可以明顯看出納微大孔硅膠無(wú)論是粒徑的精確性，粒徑均勻性，孔徑均勻性，還是球的完整性及機械強度都超過(guò)日本產(chǎn)品。
超大孔硅膠色譜填料對比圖
（左-納微產(chǎn)品，右-國外某公司產(chǎn)品）
納微UniSil?硅膠填料與
國際三大著(zhù)名硅膠色譜填料品牌粒徑分布對比圖
納微UniSil?大孔硅膠填料與日本大孔硅膠色譜填料孔徑分布對比圖
手性色譜填料是通過(guò)在大孔球形硅膠中涂敷或鍵合帶有手性識別位點(diǎn)的材料，主要包括衍生化的纖維素和直鏈淀粉兩大類(lèi)。為了達到光學(xué)異構體拆分的目的，涂覆或鍵合后的纖維素和直鏈淀粉必須保持手性結構環(huán)境，使得對映異構體間呈現物理特征的差異。纖維素和直鏈淀粉手性結構容易在涂覆或鍵合過(guò)程中受到破壞，因此制備手性色譜填料不僅對硅膠要求高，對涂覆或鍵合工藝要求也高，還對纖維素和直鏈淀粉的本身的結構、分子量、及衍生功能基團都有極高的要求，因此手性色譜填料的制備技術(shù)壁壘極高。
纖維素和直鏈淀粉涂覆大孔硅膠制備的
UniChiral?手性色譜填料
突破手性色譜填料的制造壁壘，不僅要解決大孔硅膠基球生產(chǎn)問(wèn)題，還要解決纖維素和直鏈淀粉生產(chǎn)及其衍生化工藝問(wèn)題；有了硅膠基球及手性材料后，還要解決涂覆和偶聯(lián)工藝問(wèn)題。纖維素和淀粉通常是極為常見(jiàn)而豐富的物質(zhì)，但能夠滿(mǎn)足手性色譜填料制備要求的纖維素和淀粉卻極難獲得，尤其是直鏈淀粉。全世界上只有日本的一家公司可以買(mǎi)到，但其價(jià)格超乎一般人的想象，每公斤直鏈淀粉的價(jià)格高達60萬(wàn)人民幣。為了開(kāi)發(fā)手性色譜填料，我們在項目開(kāi)發(fā)期間以這種天價(jià)買(mǎi)了日本的直鏈淀粉，遺憾的是即使用這么昂貴的直鏈淀粉，做出的手性色譜填料，其性能還是達不到日本公司的水平，因此最好的東西即使我們花天價(jià)也不一定能買(mǎi)到。
從手性分離填料開(kāi)發(fā)的過(guò)程中我們可以發(fā)現日本D公司對上下游產(chǎn)業(yè)鏈及其關(guān)鍵材料的掌控程度達到驚人的地步，日本上下游廠(chǎng)家的緊密配合也值得我們學(xué)習。這也是為什么這么多年全世界其它公司都無(wú)法撼動(dòng)日本D公司在手性材料的壟斷地位的又一原因。過(guò)去的二十年，日本被很多國人認為是失落的二十年，但從這件事上可以看出日本并沒(méi)有失落而是在深耕科技，從原來(lái)掌控生產(chǎn)消費端的產(chǎn)品轉變成為上游的關(guān)鍵材料，進(jìn)而掌控產(chǎn)業(yè)鏈源頭的技術(shù)。去年鬧得沸沸揚揚的日本對韓國貿易制裁事件，日本就是通過(guò)限制“氟聚酰亞胺”、“光刻膠”和“高純度氟化氫”等關(guān)鍵材料出口到韓國，就讓強大的韓國半導體和顯示產(chǎn)業(yè)短時(shí)間內陷入困境。日本之所以會(huì )控制很多產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵材料和技術(shù)不是因為日本人比別國人聰明，而是日本人有足夠的耐心及其精益求精的工匠精神讓他們可以把先進(jìn)材料做到極致，這也是我們中國最該向日本人學(xué)習的地方。
世界上可以掌握纖維素和直鏈淀粉的涂覆或偶聯(lián)技術(shù)制備出手性色譜填料的公司屈指可數，但能大規模生產(chǎn)大孔硅膠的公司全世界不到4家，而能大規模生產(chǎn)直鏈淀粉的公司更是鳳毛麟角。納微是一個(gè)專(zhuān)業(yè)做微球的公司，制備出能滿(mǎn)足手性色譜填料的大孔球形硅膠并不是那么難，但直鏈淀粉生產(chǎn)技術(shù)完全超出納微的研究領(lǐng)域，因此納微要突破直接淀粉生產(chǎn)技術(shù)，其難度是可以想象。為了解決直鏈淀粉生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題，納微一開(kāi)始是希望與科研院所及專(zhuān)業(yè)淀粉公司合作，但合作伙伴最后都沒(méi)有堅持到成功。為了解決直鏈淀粉供應問(wèn)題，納微不得不自己組建團隊邊學(xué)邊做，經(jīng)過(guò)多年的努力和堅持，納微成功突破直鏈淀粉生產(chǎn)技術(shù)難題并實(shí)現規?；a(chǎn)。從專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，納微科技團隊對直鏈淀粉知識的理解遠遠不如國內外的專(zhuān)家，但最后能實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，最主要的是保持著(zhù)耐心和恒心。直鏈淀粉的生產(chǎn)問(wèn)題解決之后，納微接著(zhù)又解決了涂覆工藝技術(shù)問(wèn)題，最后生產(chǎn)出系列UniChiral?手性色譜填料及產(chǎn)品，其分離性能達到國外公司同類(lèi)材料的水平，而且由于納微科技自主研發(fā)生產(chǎn)的基球粒徑均勻，孔徑分布窄，使得納微科技生產(chǎn)的手性色譜填料具有更高柱效，更低的柱壓，和更長(cháng)的壽命。
納微UniChiral?產(chǎn)品涂覆工藝及產(chǎn)品類(lèi)型
納微UniChiral?產(chǎn)品與國外手性色譜填料
在分離手性分子效率的對比圖
納微UniChiral?產(chǎn)品實(shí)物圖例及相關(guān)產(chǎn)品訂貨信息
納微突破手性色譜填料的生產(chǎn)技術(shù)這一難題，可以說(shuō)明耐心和堅持的重要性，只要有足夠的付出和努力，足夠的堅持，即使一開(kāi)始看去遙不可及的目標也總有一天可以完成。納微就是憑借這種堅韌不拔的精神突破了單分散硅膠色譜填料精準制造的世界難題，解決了直鏈淀粉供應問(wèn)題，并解決了涂覆工藝問(wèn)題，最后生產(chǎn)出高性能的手性色譜填料。目前納微不僅可以提供系列手性色譜填料，而且可以為手性分離純化方面為客戶(hù)提供分離純化整體解決方案，具備生產(chǎn)毫克級到到公斤級甚至百公斤級的手性原料拆分能力。