端羟基超支化聚胺-酯聚合物及其改性的微流控芯片及应用

摘要

本发明涉及农药残留检测技术领域，特别涉及一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物：取等摩尔的二异丙醇胺和丙烯酸甲酯，反应得到AB

说明书

技术领域

本发明涉及农药残留检测技术领域，特别涉及一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物，还涉及所述超支化聚合物改性PDMS（聚二甲基硅氧烷）微流控芯片在农药残留检测技术领域中的应用。 

背景技术

目前，我国已经成为世界上第二大农药使用国，特别是对生长期短的蔬菜、瓜果类食品来说，由于虫害多，超量施药，造成农药残留超标现象日渐加重。有机农药的的长期使用使其易吸附在土壤有机质中，并能通过植物吸收进入食物链，对生态环境和人体健康存在潜在威胁，因此食品中有机农药残留问题一直受到人们关注，对蔬菜地土壤中农药的残留量进行及时而准确的分析、检测是控制蔬菜地土壤中农药残留量的关键环节之一。

微流控芯片又称芯片实验室，是采用微细加工技术，在一块几平方厘米的芯片上制作出微通道网络结构和其他功能单元，并将进样、预处理、生物与化学反应、分离和检测等基本操作集成在芯片上进行的一门新技术。该技术具有体积小、操作简单、 分离效率高、样品用量少、分析速度快、操作易自动化等特点，已被公认为是 21世纪最为重要的前沿技术之一。以聚二甲基硅氧烷为代表的微流控芯片具有价格便宜、易于加工、化学性能稳定以及良好的透光性和介电性等优异性能越来越受到人们的关注。

但是，聚二甲基硅氧烷微流控芯片本身也存在着一些缺陷，如表面高度的疏水性，使有机农药等样品分子因疏水相互作用等原因强烈吸附于其微通道表面，导致分离峰拖尾展宽、分离效率与迁移时间的重复性下降，吸附严重时会导致分离失败，甚至形成不可逆吸附使分离无法进行；并且，PDMS微流控芯片微通道的表面不均一，电渗流不稳定，容易随外界条件的变化而变化，影响对有机农药的分离效果。因此，有必要对PDMS微流控芯片的表面进行改性来抑制对有机农药样品的吸附，提高其分离性能。

中国专利号为CN201010534403的专利公开了一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物，该聚合物改性后的微流控芯片用于同时分离检测多种农药的效果不明显，本发明提供了一种以丙烯酸甲酯和二异丙醇胺经迈克尔加成制备AB₂单体，以三乙醇胺为核分子经酯交换反应制得的新型超支化聚胺-酯，该空间立体超支化聚合物的球形结构内部分布了大量的甲基，使球体内部网状结构在空间上更加的致密，该超支化聚合物内部基团在空间上的伸展方向相互影响，构成一个更加致密的球型结构，以三乙醇胺作为核分子与三羟甲基丙烷为核分子相比，使超支化聚合物三个分支在空间上均匀分度，使该聚合物更接近于空间球体结构，空腔更大。超支化聚胺-酯外部又含有大量的末端活性基团，当有机农药小分子通过内部空腔时，超支化聚胺-酯对不同农药分子的抓附时间不同而实现较好的分离，检测峰分离清晰，峰型尖锐无拖尾。

超支化聚合物具有高度支化，三维网状立体结构特点， 跟传统线性聚合物相比，其具有低粘度、高溶解性、不易结晶、分子间不易缠绕、大量的末端官能团以及强的化学反应活性等特点，在表面改性、涂料领域、药物载体方面等有广泛的应用，所以还需要对其进行更深、更远的研究。 

发明内容

为了解决聚二甲基硅氧烷微流控芯片所存在的一些缺陷，本发明提供了一种不同于专利CN201010534403中结构的末端含有大量端羟基的端羟基超支化聚胺-酯聚合物。

本发明还提供了上述端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的聚二甲基硅氧烷微流控芯片，来抑制对分析物的吸附，提高分离效果。

本发明的另一个目的是提供了上述经过端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的聚二甲基硅氧烷微流控芯片在农药残留检测中的应用。

本发明是通过以下措施实现的：

一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物，是通过以下步骤得到的：

（1）取等摩尔的二异丙醇胺和丙烯酸甲酯，反应得到AB₂单体；

（2）将AB₂单体、对甲苯磺酸和三乙醇胺反应，即得端羟基超支化聚胺-酯聚合物。

所述的端羟基超支化聚胺-酯聚合物，步骤（1）中在35℃反应4h，步骤（2）中在85℃反应24h。

所述的端羟基超支化聚胺-酯聚合物，

当三乙醇胺与AB₂单体的摩尔比为1:9时，得到第二代端羟基超支化聚胺-酯聚合物；

当三乙醇胺与AB₂单体的摩尔比为1:21时，得到第三代端羟基超支化聚胺-酯聚合物；

当三乙醇胺与AB₂单体的摩尔比为1:45时，得到第四代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。

所述的端羟基超支化聚胺-酯聚合物，

第二代端羟基超支化聚胺-酯聚合物分子结构式如下：

                                                 

 第三代端羟基超支化聚胺-酯聚合物分子结构式如下：

 

 第四代端羟基超支化聚胺-酯聚合物分子结构式如下：

                           。

所述的端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的聚二甲基硅氧烷微流控芯片，在聚二甲基硅氧烷微流控芯片的微通道内表面上存在硅烷偶联剂和端羟基超支化聚胺-酯聚合物。

所述的聚二甲基硅氧烷微流控芯片，是通过以下步骤得到的：

将硅烷偶联剂用氮气压入聚二甲基硅氧烷微流控芯片微通道内，放入105℃-115℃的烘箱内反应40min，然后将含有端羟基超支化聚胺-酯和催化剂的甲醇溶液压入到微通道内，在55℃-65℃下反应4h，用双蒸水反复冲洗微通道，再用氮气吹干，得到端羟基超支化聚胺-酯改性的聚二甲基硅氧烷微流控芯片。

所述的聚二甲基硅氧烷微流控芯片，在通入硅烷偶联剂前，对聚二甲基硅氧烷微流控芯片进行预处理：用NaOH和H₂O₂混合水溶液对聚二甲基硅氧烷微流控芯片基片进行氧化，避光保存三天后取出与另一聚二甲基硅氧烷盖片封接，得到改性的聚二甲基硅氧烷微流控芯片。步骤（b）中NaOH溶液的浓度为1mol/L，H₂O₂溶液的质量分数为30%，V（NaOH）：V（H₂O₂）=1:4

所述的聚二甲基硅氧烷微流控芯片，所述的硅烷偶联剂为γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷，与第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯的摩尔比分别为4:1，8:1,16:1，所述的催化剂为三氟化硼乙基醚，为端羟基超支化聚胺-酯聚合物质量的0.1-0.5%。

所述的聚二甲基硅氧烷微流控芯片在农药残留检测中的应用。

所述农药为敌敌畏、马拉硫磷、辛硫磷、三唑磷或毒死蜱。

　　本发明中使用的γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷是一种具有特殊结构的有机硅化合物。其分子的一端含有Si-OCH₃可以与经氧气氛处理过的PDMS表面的Si-OH反应，其分子的另一端含有环氧基可以与超支化聚胺-酯末端的羟基反应，从而将超支化聚合物接枝到PDMS微流控芯片表面，到达表面改性的目的。超支化聚胺-酯具有低粘度高溶解度可以克服线型聚合物在改性中具有高粘度 堵塞的问题，同时超支化聚胺-酯末端含有大量的端羟基以及立体三维网状结构可以很好地与PDMS微流控芯片键合，改善表面亲水性有效抑制对有机农药分子的吸附，提高分离效果。

本发明的有益效果：本发明合成了一种新型的超支化聚胺-酯聚合物，其分子末端含有大量端羟基有效改善了PDMS的亲水性，将其制作成一种PDMS微流控芯片，用于有机农药的分离检测，该装置具有体积小、操作简单、样品用量少、分析速度快、操作易自动化、成本低、多残留同时检测等特点，该方法可以大力推广使用，可以节省国家用于农药残留检测的开支，提高了检测的灵敏度，为消费者的健康提供了保障。

附图说明

    图1 第二、第三、第四代端羟基超支化聚胺-酯分子红外光谱图；

    图2  PDMS微流控芯片预处理原理图；

    图3  未改性的PDMS微流控芯片以及经第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片的电渗流；

    图4  未改性的微流控芯片的接触角；

    图5  经第二代超支化聚胺-酯改性的微流控涂层芯片的接触角；

    图6  经第三代超支化聚胺-酯改性的微流控涂层芯片的接触角；

    图7  经第四代超支化聚胺-酯改性的微流控涂层芯片的接触角；

图8  末端含有荧光基团的第四代超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片的荧光照片；

    图9  经第二代超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片分离敌敌畏、马拉硫磷、辛硫磷、三唑磷、毒死蜱分离图；

    图10经第三代超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片分离敌敌畏、马拉硫磷、辛硫磷、三唑磷、毒死蜱分离图；

图11 经第四代超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片分离敌敌畏、马拉硫磷、辛硫磷、三唑磷、毒死蜱分离图；

    图12 经S4改性的PDMS微流控芯片分离敌敌畏、马拉硫磷、辛硫磷、三唑磷、毒死蜱分离图。

具体实施方式

　　 以下通过具体实施例对本发明进一步阐述，应该指明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1   制备第二代端羟基超支化聚胺-酯聚合物

    向250 mL三口瓶中通氮气10 min，取26.638g二异丙醇胺、17.218g丙烯酸甲酯和10 ml甲醇，于小烧杯中混合均匀后加入三口瓶中，混合物在室温下通氮气10 min，搅拌30 min升温至40 ℃反应4 h，减压蒸馏除去甲醇，得无色透明油状AB₂单体，反应式如下所示。

 

  向250 mL四口瓶中通氮气10 min，加入9.8676g合成的AB₂单体、0.0493 g对甲苯磺酸和0.74595g三乙醇胺，升温至85 ℃，继续通氮气，搅拌反应24 h，再减压蒸馏除去反应中的甲醇和未反应的小分子化合物，即得第二代端羟基超支化聚胺胺-酯聚合物。其中，三乙醇胺和AB₂单体的摩尔比为1：9。第二代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如前文所示，反应式如下所示。

 

 实施例2   制备第三代端羟基超支化聚胺-酯聚合物

    向250 mL四口瓶中通氮气10 min，加入21.928g 实施例1所合成的AB₂单体、0.1096g对甲苯磺酸和0.74595g三乙醇胺，升温至85℃，继续通氮气，搅拌反应24 h，再减压蒸馏除去反应中的甲醇和未反应的小分子化合物，即得第三代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。其中，三乙醇胺和AB₂单体的摩尔比为1：21，第三代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如前文所示。

实施例3   制备第四代端羟基超支化聚胺-酯聚合物

    向250 mL四口瓶中通氮气10 min，加入43.856g 实施例1所合成的AB₂单体、0.2193g对甲苯磺酸和0.74595g三乙醇胺，升温至85 ℃，继续通氮气，搅拌反应24 h，再减压蒸馏除去反应中的甲醇和未反应的小分子化合物，即得第四代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。其中，三乙醇胺和AB₂单体的摩尔比为1：45，第四代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如前文所示。

实施例4  制备末端含有荧光基团的第四代超支化聚胺-酯

向250 mL四口瓶中加入10g 实施例3所合成的第四代端羟基超支化聚胺-酯聚合物、0.05g对甲苯磺酸和7.9303g对羟基苯甲酸甲酯，升温至80 ℃，搅拌反应24 h，再减压蒸馏除去反应中的甲醇和未反应的小分子化合物，即得末端含有荧光基团的第四代超支化聚胺-酯聚合物,由于苯环具有比较大的空间位阻，不是所有的超支化端羟基都会接枝上荧光基团，但超支化聚合物末端会接有部分荧光基团，末端含有荧光基团的第四代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如下所示。

 

 实施例5  PDMS微流控芯片的制作

（1）制备PDMS微流控芯片基片：　

     用CAD软件设计一个双“T”型微流控芯片微通道，分离通道宽度设计为50μm，长度4 cm；进样通道宽度设计为50μm；末端部连接通道宽度设计为200μm，长度1 cm。按照CAD图纸的设计，以匀胶铬板玻璃片作为基片，光刻出通道，在玻璃腐蚀液中腐蚀出通道，除去光刻胶和铬层，得到带有微通道的基片，通过紫外曝光使SU-8胶固化，在硅片上制备阳模。微流控芯片预聚物和引发剂按质量比10:1的比例混合，真空脱气，将混合物浇铸在模具上，75℃固化2h，剥离模具得到PDMS微流控芯片基片。

PDMS微流控芯片预处理：

     将PDMS微流控芯片基片在氧气氛中氧化，即在250 mL试剂瓶中加入10 mL 1 mol/L的NaOH水溶液和40mL 质量分数为30% 的H₂O₂水溶液，混合均匀，加盖并在盖上设一单向放气阀门，使反应产生的氧气充满瓶子。将洁净干燥的PDMS微流控芯片基片置入瓶中并固定在液面以上，避光保存，3d后取出与另一干洁平整的PDMS盖片封接，得到完成的PDMS微流控芯片。

实施例6  制备第二代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片

    取γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷配成质量分数为10%的甲醇溶液用氮气压入PDMS微流控芯片微通道内，控制氮气的流速在110℃下反应40min，得到硅烷偶联剂接枝改性的PDMS微流控芯片，然后将9.17175g第二代超支化聚胺-酯配成质量分数为10%的甲醇溶液，其中含有占超支化聚合物质量的2.5%的三氟化硼乙基醚催化剂的混合溶液用氮气压入到微通道内，γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷与第二代超支化聚胺-酯聚合物的摩尔比为4:1，控制氮气流速60℃反应4h，用二次水反复冲洗微通道，再用氮气吹干，得到第二代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片，改性过程原理如图2所示。

实施例7  制备第三代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片

    改性过程如实施例5，将实施例5中的第二代超支化聚胺-酯换为第二代超支化聚胺-酯，γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷与第三代超支化聚胺-酯聚合物的摩尔比为8:1，即可得到第三代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片。

实施例8  制备第四代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片

改性过程如实施例5，将实施例5中的第二代超支化聚胺-酯换为第四代超支化聚胺-酯，γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷与第四代超支化聚胺-酯聚合物的摩尔比为16:1，即可得到第四代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片。

实施例9  制备末端含有荧光基团的第四代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片

改性过程如实施例6，将实施例6中的第二代超支化聚胺-酯换为末端含有荧光基团的第四代超支化聚胺-酯，接枝上那个荧光基团的分子末端虽然具有活性基团，并不影响含有荧光基团的第四代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片的制作，按实施例六即可得到第四代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片。

测试例1

    将上述实施例1、2、3得到的第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯进行红外表征，其吸收峰如图1所示，三代超支化聚胺-酯在3400cm^-1左右都有明显的吸收峰，这表明所合成的超支化聚胺-酯末端含有大量的羟基活性基团，能够很好地改善PDMS微流控芯片表面的疏水性。

测试例2

    将上述实施例5得到的未改性的PDMS微流控芯片以及实施例5、6、7得到的第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片内充满pH为8.2，浓度为40mmol/L的硼酸-硼砂缓冲溶液，每天连续冲刷8h，连续冲刷20天，测定涂层芯片的电渗流，如图3所示，发现随着天数的增加，电渗流变化程度很小，说明涂覆在PDMS微流控芯片微通道表面上的超支化聚胺-酯涂层具有良好的稳定性，同时还可以看出与未改性的PDMS微流控芯片相比，改性后的芯片电渗流明显的降低，这说明涂层起到了抑制硅甲基电离的作用，从而有效的降低了电渗流。

测试例3

将上述实施例5得到的未改性的PDMS微流控芯片以及实施例6、7、8得到的第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片进行表面接触角的测定，在室温下将两滴水滴在芯片表面上，经30s后测定芯片表面水的接触角，结果表明：未涂覆改性的芯片表面接触角为105°（图4）；经第二代超支化聚胺-酯涂覆的微流控芯片的接触角为58.9°（图5）；经第三代超支化聚胺-酯涂覆的微流控芯片的接触角36.1°（图6）；经第四代超支化聚胺-酯涂覆的微流控涂层芯片的接触角为32.3°（图7），这说明经过改性后的PDMS微流控芯片表面的接触角有了大幅度的降低，使芯片表面转变为亲水性，弥补了PDMS微流控芯片表面疏水性的不足。

测试例4

将上述实施例9得到的末端含有荧光基团的第四代超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片，在激发波长450-480nm下采用荧光显微镜拍摄荧光照片（图8），由图可证明超支化聚胺-酯确实能接枝到微流控芯片表面，并且在表面上形成一层致密的涂层。说明利用超支化聚胺-酯改性PDMS微流控芯片用来制备微流控芯片涂层柱的可行性。

测试例5

以PH=8.2，40mmol/L的硼酸-硼砂缓冲溶液为运行缓冲溶液，分离电压为18KV，检测波长为220nm，将上述实施例5得到的未改性的PDMS微流控芯片以及实施例6、7、8得到的第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片分别对敌敌畏、三唑磷、毒死蜱、马拉硫磷、辛硫磷五种农药进行分离检测，未改性的微流控芯片对五种农药不能实现有效分离，这主要是由于微流控芯片内表面对有机农药分子的吸附所致，经第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片的分离谱图分别为图9、图10、图11所示。

从分离的电泳谱图可以看出，经涂覆的芯片对五种农药实现了很好的分离，尤其是经第三代、第四代涂覆改性的芯片得到的分离峰清晰，峰型尖锐，说明涂层芯片有效的抑制了对有机农药的吸附，提高了分离性能。

测试例6

将上述实施例6、7、8得到的第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯改性的亲水性PDMS微流控芯片与专利号为CN201010534403的专利中第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚胺-酯改性的微流控芯片（以S2，S3，S4代表）在相同的检测条件下，分别对敌敌畏、三唑磷、毒死蜱、马拉硫磷、辛硫磷五种农药进行分离检测，对其分离性能进行比较。S2，S3的芯片未能完全检测出五种有机农药的分离峰，未实现有效分离，S4对五种有机磷农药的分离谱图如图12所示，由谱图可以看出S4可以检测出五种分离峰，但不能实现完全分离，经G2、G3、G4代超支化涂层芯片与S4涂层芯片的迁移时间，柱效及分离度如表1、表2所示。

表1 超支化聚胺-酯分离柱效对比表

 

 表2超支化聚胺酯分离度对比表

从表1、表2可以看出，经G2、G3、G4代超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片的理论塔板数远高于S4改性的芯片，G2、G3、G4代的分离度也要比S4改性芯片的分离度高，由此可以说明新型结构的超支化聚胺-酯可以更好的分离有机农药分子，快速有效的实现五种农药的基线分离，提高分离效率。这进一步说明了经新型结构超支化聚合物改性后的PDMS微流控芯片的分离性能有了明显的提高。

本发明不仅限于分离检测以上五种农药，有机磷、有机氯、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯等有机农药均可运用这种微流控芯片涂层柱进行分离检测。

上述实施例中只是列举了3个分子结构比较规整的端羟基超支化聚胺-酯聚合物，三乙醇胺和AB₂单体的摩尔比为其他比例得到的聚合物，也能实现上述功能，只是限于篇幅考虑，无法更多的进行列举。

以上实施例是对本发明所进行的详细描述，其目的在于说明本发明的构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。