北京化工大學(xué)胡軍發(fā)表了一篇關(guān)于天然甘草酸納米顆粒增強(qiáng)農(nóng)藥生物利用度的研究。本研究通過將spinosad(SSD，一種模型農(nóng)藥)與甘草酸(GL)作為一個(gè)有吸引力的構(gòu)建塊，采用超分子共組裝策略，制作出同時(shí)具有高沉積、控釋和環(huán)保特性的農(nóng)藥配方(GL-SSD)。有效地抑制了液滴的反彈，保證了液滴在表面的高沉積效率，同時(shí)對(duì)小菜蛾具有良好的防治效果。

研究背景

由于低表面自由能和不同的微觀粗糙度，大多數(shù)作物葉片是疏水的甚至是超疏水的，這在葉面噴灑時(shí)經(jīng)常造成不可接受的液滴反彈/飛濺。目前提高農(nóng)藥利用效率的策略有兩種。第一種策略是加入表面活性劑、聚合物、和聚集體等添加劑。第二種策略涉及使用聚合物、二氧化硅和碳基材料制造殺蟲劑的功能納米載體。但第一種方法忽略了農(nóng)藥的包裝和釋放，第二種方法納米載體合成過程復(fù)雜，價(jià)格昂貴。因此作者從超分子組裝農(nóng)藥配方中得到啟示，開發(fā)了一種從包封、沉積、釋放等方面全面提高農(nóng)藥利用效率的農(nóng)藥配方。其中以GL和SSD分別作為組裝模塊和模型農(nóng)藥。

結(jié)果分析

首先，在GL和SSD共組裝之前，用垂滴張力法研究了GL在水-甲苯中的界面行為。如圖1a所示，當(dāng)提取濃度為0.03、0.05、0.10和0.15 mM的甲苯中GL水溶液的液滴時(shí)，分別在51、41、26和18 s時(shí)，液滴界面面積減小，在液滴界面上出現(xiàn)了明顯的起皺。同樣，當(dāng)液滴完全虹吸到針管中并重新注入到初始體積時(shí)，起皺現(xiàn)象重新出現(xiàn)，液滴由不規(guī)則逐漸擴(kuò)大到規(guī)則。抽注過程中起皺現(xiàn)象的出現(xiàn)，有力地揭示了水-甲苯界面處彈性膜的形成。圖1b測(cè)量了GL溶液和甲苯之間的時(shí)間分辨界面張力(IFT)。當(dāng)GL濃度<0.03 mM時(shí)，甲苯與GL溶液之間的界面張力近似等于純水與甲苯之間的界面張力(≈32 mN·m?1)。隨著GL溶液濃度從0.03增加到0.25 mN·m?1，界面張力下降到6.8 mN·m?1，而從0.25到1.00 mM，界面張力保持在6.8 mN·m?1不變當(dāng)GL濃度<0.03 mM時(shí)，甲苯與GL溶液之間的界面張力近似等于純水與甲苯之間的界面張力(≈32 mN·m?1)。隨著GL溶液濃度從0.03增加到0.25 mM，界面張力下降到6.8 mN·m?1，而從0.25到1.00 mM，界面張力保持在6.8 mN·m?1不變。據(jù)此，確定0.25 mM為GL分子在水-甲苯界面處的臨界膠束濃度(CMC)(圖1c)。這意味著液滴在GL的CMC以下會(huì)發(fā)生收縮，而在CMC以上液滴會(huì)發(fā)生起皺。為了進(jìn)一步解釋這一現(xiàn)象，我們計(jì)算了不同濃度下GL分子的界面吸附容量和截面積。圖1d我們可以看到GL的界面吸附量隨濃度的增加成比例增加，相反，隨著濃度的增加，橫截面積減小。綜上所述，GL是一種特殊的兩親分子，可以在油水界面形成界面膜。

圖1：GL的界面性能

隨后，作者研究了GL-SSD NPs的共組裝與表征。將低水溶性的SSD溶解在甲醇中形成清澈的溶液，然后在超聲條件下連續(xù)滴入GL水溶液中。由于GL溶液呈酸性，SSD中的叔胺基團(tuán)容易質(zhì)子化成帶正電荷的季銨。結(jié)果，兩親性的GL自發(fā)地與質(zhì)子化的SSD相互作用形成GL-SSD NPs的穩(wěn)定球形共組件。其中動(dòng)態(tài)光散射(DLS)測(cè)量的GL-SSD NPs的直徑、多分散性指數(shù)(PDI)和zeta電位分別為272nm、0.469和-31mV。

接著，作者研究了GL-SSD NPs液滴在疏水表面的沖擊行為。所有液滴的最大擴(kuò)散直徑(Dmax)在2.4 ms時(shí)完成。對(duì)于水滴和0.05%的SSD SC，它們?cè)?0毫秒內(nèi)濺落并完全從表面反彈。相反，GL-SSD NPs液滴的回縮過程表現(xiàn)出以下行為:1)在0.0018 wt%時(shí)，GL-SSD NPs液滴的沖擊過程類似于水，在18 ms時(shí)完全反彈;2)當(dāng)GL-SSD NPs濃度分別增加到0.0088和0.018 wt%時(shí)，液滴的反彈得到有效抑制，存在部分破碎;3)當(dāng)液滴濃度為0.025、0.030和0.035 wt%時(shí)，液滴未發(fā)生飛濺和彈跳，沉積面積不斷擴(kuò)大。為了更好地分析液滴撞擊動(dòng)態(tài)，總結(jié)了歸一化擴(kuò)散直徑Dt/D0和反彈高度Ht/D0的時(shí)間演變，其中D0、Dt和Ht分別代表液滴的初始直徑、液滴的擴(kuò)散直徑和液滴從表面到頂點(diǎn)的垂直距離。

然后，作者研究了GL-SSD NPs液滴在疏水表面的沉積機(jī)理。先是測(cè)量了GL-SSD NPs溶液的動(dòng)態(tài)表面張力(DST)和粘度。DST結(jié)果顯示，GL-SSD NPs溶液在前100 ms內(nèi)發(fā)生輕微變化，這意味著GL-SSD NPs的擴(kuò)散速率較慢，EST值隨著濃度從0到0.018 wt%的增加而減小到45 mN m?1，而當(dāng)濃度高于0.018 wt%時(shí)，EST值保持不變。因此，0.018 wt%作為GL-SSD NPs的臨界膠束濃度(CMC)清楚地觀察到接近、接觸、伸長(zhǎng)、變形和分離的順序過程。從PTFE表面分離后，水滴從表面被徹底清除，沒有留下任何殘留物，而SSD SC和GL-SSD NPs液滴在中間發(fā)生了明顯的伸長(zhǎng)和斷裂，在表面保留了大量的液體。水、SSD SC和GL-SSD NPs的殘余質(zhì)量分別為0.35、6.9和6.8 mg，而GL-SSD NPs溶液的破裂距離為2.43 mm，遠(yuǎn)高于水和SSD SC的0.97 mm和1.68 mm，表明GLSSD NPs與PTFE表面的相互作用最強(qiáng)。此外，掃描電鏡(SEM)圖像顯示，撞擊后的縮回軌跡中留下了大量的液滴殘留物。在液滴撞擊過程中，大量GL-SSD NPs在三線處的沉積會(huì)利用PTFE表面固有的親水性改變其潤(rùn)濕性，產(chǎn)生固定點(diǎn)，延緩液滴縮回。

最后，作者研究了GL-SSD NPs的抗光解、控釋和生物活性。由圖2a所示，在紫外光作用下，GL-SSD NPs的降解率明顯低于SSD SC。圖2b，研究了GL-SSD NPs在不同ph下的釋放行為。在pH 3和pH 5條件下，48 h后SSD的最終累積釋放量分別為96%和92%，高于pH 7條件下的75%。這種現(xiàn)象是由于GL的羧基在酸性條件下質(zhì)子化，導(dǎo)致與SSD的靜電吸引力減弱，釋放速度加快。圖2c，用Weibull模型擬合，表明其釋放行為符合從內(nèi)層到外層的菲克擴(kuò)散。圖2d，采用浸葉法評(píng)價(jià)了GL-SSD NPs對(duì)小菜蛾的殺蟲活性，發(fā)現(xiàn)SSD SC和GL-SSD NPs均暴露了活性成分濃度和時(shí)間依賴性。圖2e結(jié)果表明，與SSD SC相比，GL-SSD NPs具有更強(qiáng)、更持久的殺蟲活性，其原因是有效成分在葉片上的沉積量更高。圖2f，通過盆栽試驗(yàn)表明，GL-SSD NPs對(duì)小菜蛾的防治效果顯著。圖2g:處理48 h后，在25和50 mg·L?1劑量下，GL-SSD NPs的葉片保護(hù)率分別為96%和100%，高于SSD SC的92%。

圖2：GL-SSD NPs的抗光解、控釋和生物活性

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

綜上所述，作者開發(fā)了一種利用甘草酸(GL)和spinosad(SSD)的超分子共組裝策略，來制定多功能和可持續(xù)的農(nóng)藥配方。在聚四氟乙烯(PTFE)和白菜葉的疏水表面上，GL-SSD NPs的液滴對(duì)表面微納結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很強(qiáng)的親合力，從而抑制液滴的回彈，實(shí)現(xiàn)了比水和SSD SC更高的沉積效率。同時(shí)室內(nèi)毒性試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)表明，即使在極低的農(nóng)藥用量下，GL-SSD NPs對(duì)小菜蛾也具有良好的殺蟲活性。本研究為開發(fā)高沉積、高控釋的可持續(xù)農(nóng)藥配方提供了新的途徑，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。