CN108211986B - 一种高分子表面活性剂、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分子表面活性剂、其制备方法及应用。所述高分子表面活性剂具有两端分别与亲水基团和亲油基团连接的中间段，至少相邻两个所述中间段之间具有分子间作用力或形成化学键，其中，所述中间段含有聚氨酯结构。本发明通过在传统亲水基团和亲油基团之间引入一段具有特殊化学结构的“中间段”，当表面活性剂在水油界面排列时，可以增加表面活性剂之间的分子间作用力，并且由该种表面活性剂所形成的液滴系统有望具有良好的液滴热稳定性，并具有抑制液滴之间的物质传递的性能，有利于许多基于液滴技术的应用开发，例如高效基因片段扩增、数字化PCR等应用领域，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分子表面活性剂，尤其涉及一种具有较强分子间作用力的高分子表面活性剂及其制备方法与应用，属于表面活性剂的制备技术领域。
背景技术
高分子表面活性剂是一类传统的精细化工产品，在工业生产和科学研究中有广泛而重要的应用。近年来发展起来的微流体液滴技术是一种在微米级的流体通道中利用水相溶液、油相溶液以及表面活性剂等，产生直径高度均一的微米级液滴的技术。该技术应用研究一直非常活跃，例如第二代测序文库建立(高效PCR)、数字化PCR、单细胞测序、病原体检测、药物筛选和合成生物学等等。这些微流体液滴技术的应用研究对表面活性剂的性能提出了更高的要求，例如液滴的热稳定性，以及表面活性剂对微液滴内部与外部物质传递的阻隔性能等要求更高，因此有必要针对不同的应用需求开发新型的表面活性剂。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有较强分子间作用力的高分子表面活性剂及其制备方法，其具有热稳定性高等优点，以克服现有技术的不足。
本发明的另一主要目的在于提供前述高分子表面活性剂于微流体液滴技术中的应用。
本发明实施例提供了一种高分子表面活性剂，它具有两端分别与亲水基团和亲油基团连接的中间段，至少相邻两个所述中间段之间具有分子间作用力或形成化学键，其中，所述中间段含有聚氨酯结构。
在一些实施例中，所述高分子表面活性剂具有式(1)所示的结构：
其中，n、m为自然数，且m的取值范围为20～40，n的取值范围为10～18。
优选的，所述R包括下式(2)～(6)中任一者所示的结构：
本发明实施例还提供了前述的高分子表面活性剂的制备方法，其包括：提供包含有末端含有羟基或氨基的含氟的高分子聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚、二异氰酸酯及溶剂的均匀混合反应体系，并使所述均匀混合反应体系于40～80℃反应15～40h，获得所述高分子表面活性剂。
本发明实施例还提供了前述的高分子表面活性剂于微流体液滴技术中的用途。
本发明实施例还提供了前述的高分子表面活性剂形成的液滴系统。
较之现有技术，本发明通过在传统的亲水基团和亲油基团之间引入一段具有特殊化学结构的“中间段”，不同表面活性剂分子的“中间段”之间具有较强的分子间作用力或形成化学键，当表面活性剂在水油界面排列时，中间段相互之间可形成较强的分子间相互作用力，如氢键、静电力、疏水力、π－π相互作用力等等，可以增加表面活性剂之间的分子间作用力，得到热稳定性高和物质通透性低的水油界面。并且由该种表面活性剂所形成的液滴系统有望具有良好的液滴热稳定性，并具有抑制液滴之间的物质传递的性能，因此有利于许多基于液滴技术的应用开发，例如高效基因片段扩增、数字化PCR等应用领域，应用前景广泛。
附图说明
图1示出了本发明一典型实施例中高分子表面活性剂的制备原理过程示意图。
图2A和图2B是由本发明一典型实施例中高分子表面活性剂制备的稳定液滴的微观结构图。
图3A和图3B是由本发明一典型实施例中高分子表面活性剂制备的稳定液滴经PCR循环之后的微观结构图。
图4是本发明实施例1所获高分子表面活性剂的氟核磁谱图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供的一种高分子表面活性剂，它具有两端分别与亲水基团和亲油基团连接的中间段，至少相邻两个所述中间段之间具有分子间作用力或形成化学键，其中，所述中间段含有聚氨酯结构。
在一些实施例中，所述高分子表面活性剂具有式(1)所示的结构：
其中，n、m为自然数，且m的取值范围为20～40，n的取值范围为10～18，R选自取代或未取代的C6～C16的烷基或含有苯基的基团。
优选的，所述高分子表面活性剂具有由二异氰酸酯或多异氰酸酯、二羟基或多羟基与二氨基化合物或多氨基化合物缩合而成的聚氨酯结构。
优选的，所述R包括下式(2)～(6)中任一者所示的结构：
由于聚氨酯基团相互之间的氢键而引入较强的分子间相互作用，有望实现液滴的高度热稳定性和液滴-液滴之间的低物质传递性。
参见图1所示，本发明的表面活性剂的化学结构的特点在于：在传统的亲水和亲油基团之间引入一段具有特殊化学结构的“中间段”。当表面活性剂在水油界面排列时，“中间段”相互之间可形成较强的分子间相互作用力，如氢键、静电力、疏水力、π－π相互作用力，等等，以增加表面活性剂之间的分子间作用力，增加液滴的稳定性，减少液滴之间的物质传递。图1中双箭头代表分子间相互作用力。
本发明实施例的另一个方面提供了前述的高分子表面活性剂的制备方法，其主要以末端含有羟基或氨基的含氟的高分子聚六氟环氧丙烷(krytox-OH)作为亲油段，以聚乙二醇(PEG)单甲醚作为亲水段，以二异氰酸酯作为偶联剂将亲水段和亲油段键合所得。
在一些实施例中，所述制备方法包括：提供包含有末端含有羟基或氨基的含氟的高分子聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚、二异氰酸酯及溶剂的均匀混合反应体系，并使所述均匀混合反应体系于40～80℃反应15～40h，获得所述高分子表面活性剂。
在一些实施例中，所述制备方法具体包括：将末端含有羟基或氨基的含氟的高分子聚六氟环氧丙烷溶于溶剂中，之后加入聚乙二醇单甲醚和二异氰酸酯均匀混合，再加入催化剂，并于40～80℃反应15～40h，获得所述高分子表面活性剂。
其中，所述制备方法的化学反应方程式如下：
在一些实施例中，所述高分子聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与二异氰酸酯的摩尔比为1.1～1.2：1.01～1.05：1。
在一些实施例中，所述二异氰酸酯包括脂肪族或脂环族二异氰酸酯。
进一步的，所述二异氰酸酯包括下式(Ⅰ)～(Ⅴ)中任一者所示的结构：
进一步的，所述溶剂包括甲基氟代丁基醚(HFE-7100)，但不限于此。
进一步的，所述催化剂与二异氰酸酯的摩尔比为0.05～0.15：1。
进一步的，所述催化剂包括三乙烯二胺(DABCO)，但不限于此。
在一些实施例中，所述的制备方法还包括：反应结束后除去溶剂，之后加入溶剂、乙醇，反复萃取，收集到产物溶液，之后除去溶剂，干燥，获得所述高分子表面活性剂。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的高分子表面活性剂于微流体液滴技术中的用途。
优选的，所述微流体液滴技术包括高效基因片段扩增技术或数字化PCR技术。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的高分子表面活性剂形成的液滴系统。
由本发明的表面活性剂所形成的液滴系统有望具有良好的液滴热稳定性，并具有抑制液滴之间的物质传递的性能，因此有利于许多基于液滴技术的应用开发，例如高效基因片段扩增、数字化PCR等应用领域。
以下结合若干实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
实施例1
本实施例中具有较强分子间作用力的高分子表面活性剂的合成过程如下：
在500ml三颈烧瓶中加入100g聚六氟环氧丙烷(krytox-OH)和200ml甲基氟代丁基醚(HFE-7100)，在氩气保护下搅拌1h，使其溶解，随后加入12g聚乙二醇单甲醚(PEG-OH)和4g 1,6-二异氰酸酯己烷(HDI)，搅拌均匀后加入1.76ml三乙烯二胺(DABCO)作为催化剂，加热到60℃，冷凝回流，恒温搅拌24h，所述聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与1,6-二异氰酸酯己烷之间的摩尔比为1.1:1.01:1。静置冷却后,减压蒸馏除去溶剂,随后再加入150ml溶剂，转移到500ml分液漏斗中，加入50ml乙醇，摇匀，静置，以待分相(～30min)，萃取过程重复三次，收集到产物溶液，产物溶液应为清澈透明状态。随后减压蒸馏除去剩余溶剂，产物放入真空烘箱常温干燥。经测试，本实施例所获产物的氟核磁谱图(主要测试的是氟的位移)如图4所示。
实施例2
在500ml三颈烧瓶中加入100g聚六氟环氧丙烷(krytox-OH)和200ml甲基氟代丁基醚(HFE-7100)，在氩气保护下搅拌1h，使其溶解，随后加入12g聚乙二醇单甲醚(PEG-OH)和5.95g二苯基亚甲基二异氰酸酯(MDI)，搅拌均匀后加入1.76ml三乙烯二胺(DABCO)作为催化剂，加热到65℃，冷凝回流，恒温搅拌35h，所述聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与二苯基亚甲基二异氰酸酯之间的摩尔比为1.1:1.01:1。静置冷却后,减压蒸馏除去溶剂,随后再加入150ml溶剂，转移到500ml分液漏斗中，加入50ml乙醇，摇匀，静置，以待分相(～30min)，萃取过程重复三次，收集到产物溶液，产物溶液应为清澈透明状态。随后减压蒸馏除去剩余溶剂，产物放入真空烘箱常温干燥。
实施例3
在500ml三颈烧瓶中加入100g聚六氟环氧丙烷(krytox-OH)和200ml甲基氟代丁基醚(HFE-7100)，在氩气保护下搅拌1h，使其溶解，随后加入12g聚乙二醇单甲醚(PEG-OH)和4.12g甲苯二异氰酸酯(TDI)，搅拌均匀后加入1.76ml三乙烯二胺(DABCO)作为催化剂，加热到65℃，冷凝回流，恒温搅拌过夜，所述聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与甲苯二异氰酸酯之间的摩尔比为1.1:1.01:1。静置冷却后,减压蒸馏除去溶剂,随后再加入150ml溶剂，转移到500ml分液漏斗中，加入50ml乙醇，摇匀，静置，以待分相(～30min)，萃取过程重复三次，收集到产物溶液，产物溶液应为清澈透明状态。随后减压蒸馏除去剩余溶剂，产物放入真空烘箱常温干燥。
实施例4
本实施例中具有较强分子间作用力的高分子表面活性剂的合成过程如下：
在500ml三颈烧瓶中加入109g聚六氟环氧丙烷(krytox-OH)和200ml甲基氟代丁基醚(HFE-7100)，在氩气保护下搅拌1h，使其溶解，随后加入12.48g聚乙二醇单甲醚(PEG-OH)和4g 1,6-二异氰酸酯己烷(HDI)，搅拌均匀后加入1.76ml三乙烯二胺(DABCO)作为催化剂，加热到40℃，冷凝回流，恒温搅拌40h，所述聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与1,6-二异氰酸酯己烷之间的摩尔比为1.2:1.05:1。静置冷却后,减压蒸馏除去溶剂,随后再加入150ml溶剂，转移到500ml分液漏斗中，加入50ml乙醇，摇匀，静置，以待分相(～30min)，萃取过程重复三次，收集到产物溶液，产物溶液应为清澈透明状态。随后减压蒸馏除去剩余溶剂，产物放入真空烘箱常温干燥。
实施例5
在500ml三颈烧瓶中加入105g聚六氟环氧丙烷(krytox-OH)和200ml甲基氟代丁基醚(HFE-7100)，在氩气保护下搅拌1h，使其溶解，随后加入12.12g聚乙二醇单甲醚(PEG-OH)和5.95g二苯基亚甲基二异氰酸酯(MDI)，搅拌均匀后加入1.76ml三乙烯二胺(DABCO)作为催化剂，加热到80℃，冷凝回流，恒温搅拌15h，所述聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与二苯基亚甲基二异氰酸酯之间的摩尔比为1.15:1.02:1。静置冷却后,减压蒸馏除去溶剂,随后再加入150ml溶剂，转移到500ml分液漏斗中，加入50ml乙醇，摇匀，静置，以待分相(～30min)，萃取过程重复三次，收集到产物溶液，产物溶液应为清澈透明状态。随后减压蒸馏除去剩余溶剂，产物放入真空烘箱常温干燥。
实施例6
在500ml三颈烧瓶中加入105g聚六氟环氧丙烷(krytox-OH)和200ml甲基氟代丁基醚(HFE-7100)，在氩气保护下搅拌1h，使其溶解，随后加入12.12g聚乙二醇单甲醚(PEG-OH)和4.96g 1,4-丁基二异氰酸酯，搅拌均匀后加入1.76ml三乙烯二胺(DABCO)作为催化剂，加热到80℃，冷凝回流，恒温搅拌15h，所述聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与1,4-丁基二异氰酸酯之间的摩尔比为1.15:1.02:1。静置冷却后,减压蒸馏除去溶剂,随后再加入150ml溶剂，转移到500ml分液漏斗中，加入50ml乙醇，摇匀，静置，以待分相(～30min)，萃取过程重复三次，收集到产物溶液，产物溶液应为清澈透明状态。随后减压蒸馏除去剩余溶剂，产物放入真空烘箱常温干燥。
实施例7
在500ml三颈烧瓶中加入109g聚六氟环氧丙烷(krytox-OH)和200ml甲基氟代丁基醚(HFE-7100)，在氩气保护下搅拌1h，使其溶解，随后加入12.12g聚乙二醇单甲醚(PEG-OH)和9.35g二甲基联苯二异氰酸酯(TODI)，搅拌均匀后加入1.76ml三乙烯二胺(DABCO)作为催化剂，加热到80℃，冷凝回流，恒温搅拌15h，所述聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与二甲基联苯二异氰酸酯之间的摩尔比为1.2:1.02:1。静置冷却后,减压蒸馏除去溶剂,随后再加入150ml溶剂，转移到500ml分液漏斗中，加入50ml乙醇，摇匀，静置，以待分相(～30min)，萃取过程重复三次，收集到产物溶液，产物溶液应为清澈透明状态。随后减压蒸馏除去剩余溶剂，产物放入真空烘箱常温干燥。
以核磁等方式对实施例2-实施例7所获产物的结构进行表征，结果显示其均具有式(I)所述的分子结构。
鉴于现有技术中在多聚酶反应(PCR)循环周期中温度会高达98℃，在这种高温下，由传统的含氟表面活性剂构成的液滴不能保持稳定并有可能合并在一起。本案发明人测试了单分散的PCR试剂液滴，在油相为甲氧基-九氟代丁烷(HFE7500)溶液中，加入本发明实施例1制备的2％的表面活性剂后，形成了直径约为70μm的稳定液滴，如图2A和图2B所示。而当将实施例1的表面活性剂替代为其它实施例的表面活性剂，并利用相同的方式进行测试时，可获得非常接近的测试结果。本发明使用的PCR试剂盒，其高保真聚合酶购自ThermoFisher，缓冲液中不含洗涤剂，使用的模板是Nextera试剂盒打断并标记的λ噬菌体基因组片段。PCR在98℃循环35次后(循环周期为：先98℃7S后，再60℃30S，再72℃20s，循环35次后，在72℃保持10min，如图3A和图3B，可以通过共聚焦成像发现72h后，液滴基本保持了稳定。
综上所述，藉由本发明的上述技术方案，本发明通过在传统的亲水基团和亲油基团之间引入一段具有特殊化学结构的“中间段”，当表面活性剂在水油界面排列时，可以增加表面活性剂之间的分子间作用力，并且由该种表面活性剂所形成的液滴系统有望具有良好的液滴热稳定性，并具有抑制液滴之间的物质传递的性能，有利于许多基于液滴技术的应用开发，例如高效基因片段扩增、数字化PCR等应用领域，应用前景广泛。
此外，本案发明人还参照实施例1～7的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了具有特殊化学结构的“中间段”、同时具有较强分子间作用力的高分子表面活性剂。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，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。
Claims (11)
1.一种高分子表面活性剂，其特征在于它具有式(1)所示的结构：
其中，n、m为自然数，且m的取值范围为20～40，n的取值范围为10～18；
所述R包括下式(2)～(6)中任一者所示的结构：
2.权利要求1所述的高分子表面活性剂的制备方法，其特征在于包括：提供包含有末端含有羟基或氨基的含氟的高分子聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚、二异氰酸酯及溶剂的均匀混合反应体系，并使所述均匀混合反应体系于40～80℃反应15～40h，获得所述高分子表面活性剂，其中，所述高分子聚六氟环氧丙烷、聚乙二醇单甲醚与二异氰酸酯的摩尔比为1.1～1.2：1.01～1.05：1。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于具体包括：将末端含有羟基或氨基的含氟的高分子聚六氟环氧丙烷溶于溶剂中，之后加入聚乙二醇单甲醚和二异氰酸酯均匀混合，再加入催化剂，并于40～80℃反应15～40h，获得所述高分子表面活性剂。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述二异氰酸酯包括脂肪族或脂环族二异氰酸酯。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述二异氰酸酯包括下式(Ⅰ)～(Ⅴ)中任一者所示的结构：
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂包括甲基氟代丁基醚。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂与二异氰酸酯的摩尔比为0.05～0.15：1。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂包括三乙烯二胺。
9.权利要求1所述的高分子表面活性剂于微流体液滴技术中的用途。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于：所述微流体液滴技术包括高效基因片段扩增技术或数字化PCR技术。
11.由权利要求1所述的高分子表面活性剂形成的液滴系统。
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