葛艷蕊, 馮 薇, 呂均超, 崔海華, 孫淑巧
(1.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院,石家莊 050018;2.河北醫(yī)科大學(xué)西山校區(qū)臨床部,石家莊 050200;3.河北正定縣林業(yè)局,正定 050800)
烯禾啶(sethoxydim),商品名為拿捕凈,化學(xué)名稱:(±)2-[1-(乙氧亞氨基)丁基]-5-(2-乙硫基丙基)-3-羥基環(huán)己-2-烯酮,是一種具有內(nèi)吸傳導(dǎo)性的莖葉處理除草劑,廣泛應(yīng)用于大豆、花生、棉花、油菜等闊葉作物田防除禾本科雜草,具有安全、廣譜、高效、低毒的優(yōu)點(diǎn)[1]。烯禾啶傳統(tǒng)劑型為20%乳油和12.5%的機(jī)油,含有大量有機(jī)溶劑如甲苯、二甲苯等,施用后導(dǎo)致每年千噸計(jì)有機(jī)溶劑排放到自然界中,造成資源的浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境的污染。微膠囊(MC)是農(nóng)藥的一種新劑型,是利用微囊化技術(shù)把農(nóng)藥有效成分包覆在囊壁材料中形成的微小囊狀制劑。目前已商品化的農(nóng)藥微膠囊有20多種,如國(guó)外Pennwalt公司生產(chǎn)的甲基對(duì)硫磷(penncap)、二嗪磷(knox-out 2FM)和Zoecon公司生產(chǎn)的烯蟲酯(altosid SR-10)等[2]。國(guó)內(nèi)已有對(duì)硫磷、辛硫磷、氯氰菊酯等農(nóng)藥的微囊化報(bào)道[3]。農(nóng)藥微囊化可減少有機(jī)溶劑的用量,降低環(huán)境污染,還可控制農(nóng)藥緩慢釋放,延長(zhǎng)持效期,提高制劑穩(wěn)定性[4]。本文用原位聚合法以脲醛樹脂為壁材制備烯禾啶微囊粒劑,采用差熱-熱重分析儀(DTA-TGA)測(cè)量微膠囊的緩釋性能,利用高效液相色譜儀(HPLC)測(cè)定微膠囊的包封率,用掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)量微膠囊的結(jié)構(gòu)及表面形態(tài),用紅外光譜儀(IR)對(duì)微膠囊的包覆情況進(jìn)行表征,研究了單體量比、芯皮比、縮聚反應(yīng)介質(zhì)的pH等對(duì)微膠囊的緩釋性、包封率和微膠囊結(jié)構(gòu)的影響。
烯禾啶原油(河北滄州科潤(rùn)化工有限公司提供);氫氧化鈉、氯化銨、尿素、甲醛均為化學(xué)純。LZJ-II高剪切混合乳化機(jī)(漣水電訊廠);OLYMPUS生物顯微鏡(日本);尼康—代福特倒置攝影顯微鏡(日本);JSM-35C掃描電子顯微鏡(日本);WATER 600高效液相色譜儀(美國(guó));SDT-2960熱分析儀(美國(guó)TA公司);FTS-130傅里葉紅外光譜儀(美國(guó))。
稱取適量烯禾啶原油溶于適量溶劑,加入蒸餾水和乳化劑,以8 000r/min的速度均質(zhì)20min,形成O/W型乳狀液;按照一定的質(zhì)量比取尿素與37%的甲醛混合,調(diào)節(jié)pH 8,70℃下反應(yīng)一定時(shí)間得黏稠透明尿素-甲醛預(yù)聚物,將其與乳狀液混合,分批加入酸性催化劑,用顯微鏡觀測(cè)到聚合物開始沉積到囊芯表面后,加熱使之繼續(xù)包覆并逐漸固化,當(dāng)達(dá)到終點(diǎn)pH后保溫1h,調(diào)節(jié)pH 7,冷卻后離心、干燥,得到可自由流動(dòng)的球型固體微膠囊。
微膠囊形態(tài)和粒徑的測(cè)定 用生物顯微鏡監(jiān)測(cè)微膠囊化全過(guò)程,隨時(shí)觀察微膠囊的形態(tài);用掃描電子顯微鏡測(cè)量微膠囊的結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)和粒徑大小。
微膠囊包封率的測(cè)定 用高效液相色譜儀測(cè)定烯禾啶微膠囊的包封率[5],準(zhǔn)確稱取烯禾啶微膠囊干燥樣品0.05g(精確至0.000 2g),加到適量二氯甲烷中,超聲波細(xì)胞破碎機(jī)破囊,再用二氯甲烷定容至100mL,高效液相色譜法測(cè)定烯禾啶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。色譜條件:內(nèi)填4μm硅膠填料的色譜柱(150mm×3.9mm);流動(dòng)相二氯甲烷+環(huán)己烷=70+30;流量0.8mL/min;柱溫為室溫;檢測(cè)波長(zhǎng)283nm;進(jìn)樣量5μL。微膠囊的包封率φ計(jì)算公式如下:
微膠囊緩釋性能的表征 用SDT-2960熱分析儀對(duì)試樣進(jìn)行熱重分析,可測(cè)得試樣的緩釋性[6]。升溫速率為10℃/min。試驗(yàn)的溫度范圍為室溫~350℃,試樣質(zhì)量為(2.5±0.2)mg,流動(dòng)氮?dú)鈿夥?0mL/min。通過(guò)對(duì)比微膠囊的熱重曲線,說(shuō)明微囊囊芯的緩釋性能。
微膠囊的紅外表征 通過(guò)對(duì)比烯禾啶原藥和微膠囊的紅外光譜圖,表征烯禾啶的包覆情況。
尿素與甲醛的量比不同,對(duì)烯禾啶微膠囊的結(jié)構(gòu)和緩釋性均有影響。在其他條件不變的情況下,分別合成了3種不同U/F的烯禾啶微膠囊試樣,進(jìn)行熱失重對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖1,從圖1看出,U/F=1∶1時(shí),在50~80℃范圍,微膠囊熱失重急劇,失重曲線斜率較大,說(shuō)明囊芯在此溫段受熱揮發(fā)較快。這是由于在尿素、甲醛的預(yù)聚反應(yīng)階段,反應(yīng)介質(zhì)pH=7~8時(shí),尿素與甲醛反應(yīng)可得一羥甲基脲或二羥甲基脲,當(dāng)U/F=1∶1時(shí),產(chǎn)物多為一羥甲基脲,一羥甲基脲相互反應(yīng),只能得到直線狀的聚亞甲基脲:
圖1 不同U/F的MC熱失重對(duì)比圖
用此預(yù)聚物包覆囊芯,微膠囊產(chǎn)品量少,且結(jié)構(gòu)松散,囊芯是通過(guò)高分子交聯(lián)網(wǎng)眼向外擴(kuò)散緩釋的,結(jié)構(gòu)較松散的微膠囊壁材對(duì)囊芯的擴(kuò)散阻力較低,微膠囊的釋放速率增大,緩釋性較差;當(dāng)U∶F=1∶2.0時(shí),參與反應(yīng)的甲醛量多,一部分一羥甲基脲可與多余的甲醛再反應(yīng),生成二羥甲基脲和少量的三羥甲基脲,其分子中存在較多的游離羥甲基、亞氨基等活性基團(tuán),分子間脫水可形成水溶性的線型或支鏈型相對(duì)低分子質(zhì)量物,它們繼續(xù)縮聚最后得到由羥甲基和亞氨基反應(yīng)形成的亞甲基的體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu):
參與反應(yīng)的甲醛量多,生成的二羥甲基脲亦多,交聯(lián)度亦高,固化后微膠囊結(jié)構(gòu)緊密,圖2為微膠囊的SEM圖,可以發(fā)現(xiàn)微膠囊呈球形顆粒,表面光滑無(wú)孔,說(shuō)明包埋較完全,囊芯物質(zhì)的釋放將主要依賴于高分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和高分子鏈的柔性伸展,微膠囊熱失重曲線斜率變化緩慢(圖1),說(shuō)明芯材釋放緩慢,微膠囊的緩釋性較強(qiáng)。當(dāng)U∶F=1∶3時(shí),產(chǎn)品中未反應(yīng)的游離甲醛含量過(guò)大,微膠囊固化后收縮性大,致使微膠囊表面出現(xiàn)凹陷甚至開裂,導(dǎo)致其緩釋性降低。因此,選擇尿素甲醛量比 U∶F=1∶2較好。
在烯禾啶微囊化過(guò)程中,芯皮比直接影響了微囊的包封率及緩釋性。作者在相同的工藝條件下,分別合成了4種不同芯皮比的微囊粒劑,其包封率情況見(jiàn)圖3。當(dāng)m(烯禾啶)∶m(尿素+甲醛)=1∶0.5時(shí),發(fā)現(xiàn)聚合結(jié)束后,反應(yīng)體系表面浮有一層油滴,表明包埋不徹底,存在有未被包覆的芯材,壁材存在較大的孔隙,產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試,包封率為39.1%,烯禾啶受熱后很快由孔隙揮發(fā),故其熱失重曲線前期失重急劇,緩釋性較差(圖4);當(dāng)m(烯禾啶)∶m(尿素+甲醛)=1∶2時(shí),微膠囊的包封率較低為23.8%,熱失重緩慢,緩釋性較好,從圖3和圖4可以看出芯皮比為1∶1.5的樣品,包封率較高為30.6%,緩釋性較好,所以,選定芯皮比為1∶1.5。
圖2 表面結(jié)構(gòu)緊密的烯禾啶微囊的SEM圖
圖3 不同芯皮比對(duì)MC包封率的影響
圖4 不同芯皮比微膠囊的熱失重曲線圖
由尿素和甲醛在一定pH下生成的一羥甲脲和二羥甲脲脫水而形成的水溶性線性低分子預(yù)聚體,由于分子中存在游離羥甲基、氨基、亞氨基等活性基團(tuán),在酸性條件下易于進(jìn)行縮聚反應(yīng),有利于分子鏈的增長(zhǎng)和交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。若在堿性條件下反應(yīng),羥甲基之間不直接反應(yīng)形成亞甲基鍵,而主要形成二亞甲基醚鍵,降低了活性基團(tuán)的活性,致使反應(yīng)速度相當(dāng)慢。不同縮聚終點(diǎn)pH對(duì)微膠囊結(jié)構(gòu)的影響見(jiàn)表1。試驗(yàn)表明,終點(diǎn)pH越低,三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越趨緊密,形成的微膠囊越堅(jiān)固。若終點(diǎn)pH大于5,則形成的微膠囊結(jié)構(gòu)較松散,見(jiàn)圖5;控制終點(diǎn)pH在3.0以下,形成的微膠囊結(jié)構(gòu)緊密,如圖2所示。終點(diǎn)pH太低,烯禾啶在強(qiáng)酸環(huán)境中會(huì)部分酸解,影響藥效,故選用終點(diǎn)pH為3.0。
圖5 表面結(jié)構(gòu)松散的SEM圖
表1 縮聚反應(yīng)終點(diǎn)pH對(duì)MC結(jié)構(gòu)的影響
圖6為烯禾啶的紅外光譜圖。由圖6看出烯禾啶具有的特征峰包括:C=O與C=C呈共軛形成的在1 640cm-1~1 590cm-1處強(qiáng)的吸收峰,C=N-在1 690cm-1~1 640cm-1處形成尖銳的吸收峰。圖7為脲醛樹脂烯禾啶微囊粒劑的紅外光譜圖。從圖7看出,在2 969cm-1處是CH伸縮振動(dòng)的吸收,1 644cm-1處是酰胺鍵中CO的伸縮振動(dòng)的強(qiáng)吸收峰,1 552cm-1處是酰胺鍵中CN伸縮振動(dòng)的吸收峰,3 332cm-1處是NH和OH伸縮振動(dòng)的吸收峰,但在1 053cm-1處OH的特征峰較弱,說(shuō)明樹脂中OH較少,由此可知,3 332cm-1處主要是NH的吸收峰。由2 969、3 332、1 644、1 552cm-1處的4個(gè)峰可以確定微膠囊脲醛樹脂囊壁已經(jīng)形成,反應(yīng)單體中甲醛略微過(guò)量,故第1步加成反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)主要是二羥甲基脲,所以羥甲基含量少,說(shuō)明樹脂有很大程度的交聯(lián)。而在1 150~1 060cm-1處沒(méi)有強(qiáng)吸收峰,說(shuō)明交聯(lián)鏈中沒(méi)有醚鍵。從圖7可以看到烯禾啶的特征峰減弱。綜合以上分析可以說(shuō)明脲醛樹脂有較高的交聯(lián)度,并已經(jīng)包覆了烯禾啶。
圖6 烯禾啶農(nóng)藥的紅外光譜圖
圖7 脲醛樹脂烯禾啶微囊的紅外光譜圖
用原位聚合法制備脲醛樹脂烯禾啶微囊粒劑,可有效減少有機(jī)溶劑的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染,還可以控制烯禾啶有效成分緩慢釋放,延長(zhǎng)持效期,提高有效成分穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)單體量比為n(尿素)∶n(甲醛)=1∶2.0,芯皮比為1∶1.5,縮聚反應(yīng)終點(diǎn)pH 為3.0,可制得結(jié)構(gòu)緊密、包封率為30.6%、粒徑分布均勻且平均粒徑在2μm左右的球形緩釋性固體微膠囊。
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