40%丁硫克百威微囊懸浮劑的制備及表征

馮澤騰，李彥飛，王國(guó)強(qiáng)，張小軍

(中農(nóng)立華生物科技股份有限公司，北京 100052)

丁硫克百威(carbosulfan)是氨基甲酸酯類殺蟲劑，是克百威低毒化衍生物，防治玉米矮化病或粗縮病藥效無可替代[1]。玉米矮化病主要是由于金針蟲、旋心蟲等引起，其發(fā)生率近乎損失率，對(duì)玉米產(chǎn)區(qū)特別是我國(guó)東北地區(qū)沙壤土地帶的玉米生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅[2]。隨著克百威等高毒農(nóng)藥的逐步禁限用，開發(fā)理化性質(zhì)及應(yīng)用性能良好的丁硫克百威作為克百威的低毒化升級(jí)替代產(chǎn)品非常必要[3]。同時(shí)本品還具有調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的功能，具有促進(jìn)幼芽及作物生長(zhǎng)、提前成熟等作用，在種子處理上有良好的應(yīng)用前景[4]。丁硫克百威現(xiàn)有登記劑型有乳油、水乳劑、懸浮劑、油懸浮劑、種子處理乳劑、懸浮種衣劑、種子處理干粉劑、顆粒劑和微囊懸浮-懸浮劑。乳油產(chǎn)品使用大量有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境不友好，水乳劑、懸浮劑、油懸浮劑、種子處理乳劑、懸浮種衣劑、種子處理干粉劑和顆粒劑產(chǎn)品中的活性成分易流失、降解，不能最大化的發(fā)揮藥效。浙江天一生物科技有限公司現(xiàn)有登記3%噻蟲嗪+10%丁硫克百威微囊懸浮-懸浮劑是目前國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)丁硫克百威微囊產(chǎn)品，但丁硫克百威含量較低，尚無其他更高含量微囊產(chǎn)品。

微囊是一種將活性成分包覆于天然或人工合成的高分子壁材中，并在一定時(shí)間內(nèi)按照某種函數(shù)模型以擴(kuò)散等方式釋放到環(huán)境中的技術(shù)[5]。制備農(nóng)藥微囊常用的方法有原位聚合法、界面聚合法、單凝聚法、復(fù)凝聚法和相分離聚合法等[6]。其中，界面聚合法是利用分別溶解在水相和油相里的囊壁材料在油水界面反應(yīng)制備微囊的方法[7]。制備的微囊粒徑分布可控，且具備生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)，逐漸被農(nóng)藥制劑生產(chǎn)企業(yè)認(rèn)可。農(nóng)藥微囊作為一種環(huán)保劑型，因其具有持效期長(zhǎng)、安全等優(yōu)點(diǎn)，是農(nóng)藥減量增效最為有效的手段之一，成為近幾年的農(nóng)藥制劑研究熱點(diǎn)[8]。國(guó)際農(nóng)化行業(yè)針對(duì)微囊產(chǎn)品在大田防治中所遇到的實(shí)際問題不斷進(jìn)行理論研究和技術(shù)攻關(guān)，使得農(nóng)藥微囊化技術(shù)有了較大突破[9]。本研究制備的丁硫克百威微囊，制劑中活性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，性能穩(wěn)定，可以有效延長(zhǎng)持效期，減少用藥次數(shù)。

本研究采用界面聚合法制備了40%丁硫克百威微囊懸浮劑，并對(duì)囊芯溶劑、囊壁材料用量、乳化劑種類、反應(yīng)溫度和固化溫度等因素對(duì)成囊的影響進(jìn)行了探索，對(duì)制備的微囊懸浮劑理化性能進(jìn)行了測(cè)定。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

96%丁硫克百威原藥(湖南海利化工股份有限公司)，環(huán)己酮(江蘇潤(rùn)豐合成科技有限公司)，苯乙酮(分析純，上海麥克林生化科技股份有限公司)，油酸甲酯(蘇州豐倍生物科技股份有限公司)，玉米油(蘇州豐倍生物科技股份有限公司)，溶劑油S-200(江蘇華倫化工有限公司)，Lutensol?XL70 (BASF)，Phenylsulfonat CAL(CLARIANT)，司班 80(化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，Atlox?CS100A(CRODA)，阿拉伯樹膠(醫(yī)藥級(jí)，上海麥克林生化科技股份有限公司)，二苯基甲烷二異氰酸酯MDI(萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司)，乙二胺(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，Zephrym?PD 3315(CRODA)，Sag 1522(南京捷潤(rùn)科技有限公司)，卡松(山東萬(wàn)化天合新材料有限公司)，黃原膠(淄博海瀾化工有限公司)，1,2-丙二醇(分析純，上海麥克林生化科技股份有限公司)，透析袋MD34(8000-14000)(北京索萊寶科技有限公司)，吐溫80(廣東華納化工有限公司)，去離子水(三級(jí)水，實(shí)驗(yàn)室自制)。

1.2 儀器設(shè)備

IKA/T25 數(shù)顯型分散機(jī)、RW 20 D S25 數(shù)顯型頂式攪拌器(德國(guó)IKA 公司)；OSB-2000 恒溫水油兩用槽(東京理化器械株式會(huì)社)；GHP-9080 隔水式恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；CX22LEDRFS1 光學(xué)顯微鏡(日本奧林巴斯株式會(huì)社)；Hitachi SU8000 掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；CP1502C 電子天平[精度 0.01 g，奧豪斯儀器(上海)有限公司]；AL204 電子天平[精度0.000 1 g，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司]；BT-2600 激光粒度分布儀(丹東百特儀器有限公司)；FE-28 pH 計(jì)[梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司]；DR-1030 凍融穩(wěn)定性試驗(yàn)儀(北京勤誠(chéng)亦信科技開發(fā)有限公司)；安捷倫1260 Infinity 高效液相色譜儀(安捷倫科技有限公司)。

1.3 丁硫克百威微囊懸浮劑制備方法

本試驗(yàn)采用界面聚合法制備40%丁硫克百威微囊懸浮劑，制備過程如圖1 所示。

圖1 丁硫克百威微囊懸浮劑制備過程

操作步驟：先準(zhǔn)確稱取41.7 g 96%丁硫克百威原藥，在該體系中加入10.0 g S-200 溶劑油和5.0 g MDI 囊材，攪拌均勻后作為油相備用。將乳化劑、分散劑、保護(hù)膠和消泡劑加入到水中，剪切均勻作為水相備用。隨后將油相緩慢倒入水相中，同時(shí)高速剪切制得水乳液。將此水乳液轉(zhuǎn)移到三口圓底燒瓶中繼續(xù)攪拌，恒溫加熱，緩慢滴加乙二胺水溶液，繼續(xù)攪拌直至反應(yīng)結(jié)束，最后加入防凍劑、增稠劑和防腐劑，攪拌均勻，制成成品微囊懸浮劑。

1.4 微囊懸浮劑理化指標(biāo)的測(cè)定

1.4.1 微囊形貌表征

通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)試樣外觀形貌進(jìn)行觀察，并拍照、記錄。

1.4.2 粒徑大小及分布

通過激光粒度分布儀測(cè)定微囊懸浮劑的粒徑。

1.4.3 其他指標(biāo)測(cè)定

pH 指標(biāo)參照CIPAC MT 75.3 進(jìn)行測(cè)定，懸浮率指標(biāo)參照CIPAC MT 184 進(jìn)行測(cè)定，持久起泡性參照CIPAC MT 47.3 進(jìn)行測(cè)定，濕篩試驗(yàn)參照CIPAC MT 185 進(jìn)行測(cè)定，自發(fā)分散性參照CIPAC MT 160 進(jìn)行測(cè)定，傾倒性試驗(yàn)參照CIPAC MT 148.1 進(jìn)行測(cè)定。

1.4.4 包封率測(cè)定

稱取0.5 g 丁硫克百威微囊懸浮劑試樣于50 mL玻璃燒杯中，用10 mL 水稀釋，經(jīng)玻璃纖維濾紙(49 型，孔徑約 1.0 μm)，再用 10 mL 水(分 2 次)洗滌燒杯和濾紙，然后將濾紙及殘囊置于100 mL 容量瓶中加甲醇溶解，在超聲波中振蕩10 min，冷卻至室溫后定容至刻度，搖勻，備用。用高效液相色譜儀測(cè)定丁硫克百威的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并按下面方法計(jì)算制備的丁硫克百威微囊懸浮劑的包封率。

試樣中丁硫克百威的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)X1(%)按式⑴計(jì)算，囊內(nèi)的丁硫克百威質(zhì)量分?jǐn)?shù)X2(%)按式⑵計(jì)算，游離(未在囊內(nèi))的丁硫克百威質(zhì)量分?jǐn)?shù)X3(%)按式⑶計(jì)算：

式中：A1為標(biāo)樣溶液中丁硫克百威峰面積；A2為試樣溶液中丁硫克百威峰面積；A3為試樣溶液中(囊內(nèi))丁硫克百威峰面積；m1為丁硫克百威標(biāo)樣的質(zhì)量，g；m2為測(cè)定總有效成分的試樣質(zhì)量，g；m3為測(cè)定囊內(nèi)有效成分的試樣質(zhì)量，g；P為標(biāo)樣中丁硫克百威的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4.5 水中釋放試驗(yàn)

用透析袋法探究室溫下丁硫克百威微囊在水中的釋放性能。加入乙醇和吐溫80，最終配制為200 mL的釋放介質(zhì)(水∶乙醇∶吐溫80=70∶29.5∶0.5，體積比)。將一定質(zhì)量試樣裝入透析袋(截留相對(duì)分子質(zhì)量：8 000～14 000 Da)，密封后浸泡在釋放介質(zhì)中。室溫下于100 r/min 攪拌，每隔一段時(shí)間取0.7 mL上清液，每次取樣后立即補(bǔ)充等體積的新鮮釋放介質(zhì)，通過HPLC 測(cè)定丁硫克百威的釋放量。取3 次平行試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果，并計(jì)算3 次平行試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。累積釋放量的計(jì)算公式如下：

式中：Er為累計(jì)釋放量，%；Ve為每次取樣體積(0.7 mL)；Ci為第i次取樣時(shí)釋放液的濃度，mg/mL；V0為釋放介質(zhì)總體積(200 mL)；Cn為第n次取樣釋放液的濃度，mg/mL；n為取樣次數(shù)；mpesticide為微囊包載的藥物的總質(zhì)量，mg。

1.4.6 儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)定

凍融穩(wěn)定性在(20±2)、(-10±2)℃ 之間做4 個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)為凍結(jié)18 h，融化6 h，恢復(fù)至室溫后測(cè)定游離丁硫克百威質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、傾倒性、懸浮率、自發(fā)分散性和濕篩試驗(yàn)，熱儲(chǔ)穩(wěn)定性參照CIPAC MT 46.3 進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

該配方主要針對(duì)囊芯溶劑的種類及用量、乳化劑種類、囊壁材料的用量、反應(yīng)溫度和固化溫度進(jìn)行篩選和探索。

2.1 囊芯溶劑的篩選

丁硫克百威原藥，常溫為黏稠液體，仍需添加輔助溶劑才能保證成囊穩(wěn)定。本研究對(duì)比了環(huán)己酮、苯乙酮、油酸甲酯、玉米油和溶劑油S-200 共5 種有機(jī)溶劑，其中S-200 溶劑油在丁硫克百威成囊反應(yīng)中表現(xiàn)最好，而使用其他4 種溶劑成囊粗糙、不規(guī)整，因此選用溶劑油S-200 作為囊芯溶劑。

由表1 可知：當(dāng)溶劑油S-200 用量為0～3%時(shí)，成囊粒徑大，表面粗糙；當(dāng)S-200 用量為5%～7%時(shí)，成囊良好，但大小不均勻；當(dāng)S-200 用量為10%時(shí)，成囊粒徑小，囊型均勻；當(dāng)S-200 用量增大到13%時(shí)，不能形成穩(wěn)定水乳液。

表1 囊芯溶劑S-150 用量對(duì)微囊形貌的影響

2.2 囊壁材料MDI 用量對(duì)包封率和反應(yīng)結(jié)果的影響

由表2 可知：當(dāng)MDI 用量為1%時(shí)，不能成囊，隨著MDI 用量的增加，微囊的包封率也隨之增大，當(dāng)用量為5%～6%時(shí)，包封率變化不大。說明當(dāng)MDI用量1%～5%時(shí)，隨著MDI 用量的增加，形成的囊殼會(huì)更加致密、完整，更有利于丁硫克百威原藥的包封。當(dāng)MDI 用量為5%時(shí)，即可制備得到包封率為93.7%、性能穩(wěn)定的微囊。

2.3 乳化劑種類篩選

乳化劑是一種親水親油的兩性分子，親水基和親油基分別位于乳化劑兩側(cè)，在乳化過程中能夠降低油水兩相間的界面張力，使乳滴在相互碰撞時(shí)不易聚集[10]。由表3 可知：在用量均為2%時(shí)，不同乳化劑所制備的微囊形貌差異較大。以Atlox?CS100A 為乳化劑時(shí)微囊形貌規(guī)整，大小比較均勻、飽滿。因此，選擇Atlox?CS100A 作為制備丁硫克百威微囊的乳化劑。

表3 乳化劑種類對(duì)制備的微囊形貌的影響

2.4 配方確定

通過上述試驗(yàn)，確定了制備40%丁硫克百威微囊懸浮劑的配方(表4)。

表4 40%丁硫克百威微囊懸浮劑配方

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)成囊反應(yīng)的影響

在成囊反應(yīng)中，反應(yīng)溫度是一個(gè)重要的影響因素。本研究在不同溫度下反應(yīng)3 h，通過成囊反應(yīng)中的試驗(yàn)現(xiàn)象，確定最佳反應(yīng)溫度為50 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

2.6 固化溫度對(duì)微囊穩(wěn)定性的影響

固化溫度也是影響微囊穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，本試驗(yàn)在不同溫度下固化1 h，當(dāng)固化溫度為60 ℃時(shí)，所形成的微囊較為完好，能順利通過熱儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)(表6)。

表6 固化溫度對(duì)微囊穩(wěn)定性的影響

2.7 微囊及微囊懸浮劑的檢測(cè)與表征

2.7.1 微囊的形貌觀察

通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)微囊試樣進(jìn)行觀察，如圖2 和圖3 所示。從圖中可以看出，微囊形態(tài)雖有輕度凹陷，但分布均勻，成囊良好，且囊間不黏連。

圖2 光學(xué)顯微鏡(400 倍)下微囊形貌

圖3 掃描電子顯微鏡(2500 倍)下微囊形貌

2.7.2 40%丁硫克百威微囊懸浮劑理化性能指標(biāo)檢測(cè)

制備的微囊懸浮劑其他理化性能指標(biāo)見表7。結(jié)果表明，微囊懸浮劑各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

表7 40%丁硫克百威微囊懸浮劑指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.7.3 水中緩釋試驗(yàn)曲線及釋放機(jī)理

用透析袋法探究室溫下丁硫克百威微囊在水中的釋放性能并對(duì)釋放機(jī)理進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合(圖4)。

圖4 丁硫克百威在水中隨時(shí)間的累積釋放量及Peppas 擬合曲線

試驗(yàn)中分別選擇零級(jí)動(dòng)力學(xué)、一級(jí)動(dòng)力學(xué)、Peppas 和Higuchi 模型分析了緩釋體系的釋放機(jī)理。根據(jù)擬合結(jié)果以及相關(guān)系數(shù)(r2)，丁硫克百威的釋放機(jī)理同時(shí)符合Peppas 模型及Higuchi 方程，與Peppas模型相關(guān)性最高，其中，當(dāng)n＜0.43 時(shí)，擴(kuò)散是由Fickian-diffusion 引起的，當(dāng) 0.43＜n＜0.85 時(shí)，釋放是由非 Fickian-diffusion 引起的[11]。由圖 4 及表 8 可知，擬合的n值為0.725 7，表明在本試驗(yàn)條件下釋放是由于非Fickian-diffusion 引起的。

表8 利用數(shù)學(xué)模型對(duì)釋放數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3 結(jié) 論

本研究以聚脲為囊壁材料，通過界面聚合法制備了40%丁硫克百威微囊懸浮劑。確定了制備最佳條件：囊芯溶劑選用溶劑油S-200，用量為10.0%，囊壁材料選用二苯基甲烷二異氰酸酯MDI，用量為5.0%，親水性囊材為乙二胺，用量為0.3%，分散劑選用Zephrym?PD 3315，用量為2.0%，乳化劑選用Atlox?CS100A，用量為2.0%，保護(hù)膠選用阿拉伯樹膠，用量1.0%，50 ℃下反應(yīng)時(shí)間3 h，60 ℃下固化1 h，所制備的微囊表面光滑，形態(tài)飽滿，包封率大于90%，儲(chǔ)存穩(wěn)定性合格。該研究用于種子包衣可有效防治地下害蟲，能大幅提高農(nóng)藥利用率，降低農(nóng)藥施用量，促進(jìn)增產(chǎn)、增收，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。