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      納米乳劑在農藥領域的應用研究進展與前景展望
      責任編輯:左彬彬 來源:《農藥學學報》2022年第6期 日期:2023-01-29

       

      農藥是控制有害生物危害的重要手段,通過先進的劑型加工方法可以改善農藥的使用性能,充分發揮農藥有效成分的生物活性,提高農藥利用率。近年來,我國農藥劑型的加工獲得了長足發展,環境友好型新劑型逐漸成為劑型加工的主要發展方向。水基化、粒性化和緩控釋成為農藥制劑發展主流,懸浮劑、水乳劑、微乳劑、水分散粒劑和微囊懸浮劑等大批新劑型也逐漸進入到市場并占據重要地位。近年來,納米技術的迅猛發展為現代植物保護開辟了新的應用前景。納米尺度的材料因其尺寸小、結構特殊而具有許多新的理化特性,如大比表面積、高反應活性、小尺寸效應和量子效應等。利用納米材料與技術發展納米農藥新劑型,是應用領域研究熱點之一。利用納米材料與技術構建納米載藥系統,可有效提高農藥利用率,降低農藥殘留與環境污染。

      納米乳劑是在表面活性劑等功能助劑作用下,將不溶于水的農藥以納米尺度增溶于水中形成的乳狀液體制劑。與微乳劑相比,納米乳劑處于熱力學亞穩定狀態,具有更低的表面活性劑添加濃度,其質量分數一般為5%~10%(但低能量法制備的納米乳劑往往需要大量的表面活性劑來穩定液滴)。除此之外,納米乳劑還減少有機溶劑的使用量,降低對環境帶來的風險。納米乳劑特有的理化特性可改善農藥制劑性能,提高農藥活性成分兌水使用時的分散性,產生低表面張力和較好的潤濕性,進一步提高農藥在靶標表面的附著、沉積和滲透。納米乳劑中水包油或油包水微細液滴還可以對農藥有效成分形成包裹層,提供更好的光降解保護以及緩釋增效的作用,可有效提高農藥利用率,從而減少農藥的使用量。

      納米乳劑因其優異的特性受到國內外研究人員的廣泛關注,目前已有大量研究人員對不同載藥體系的納米乳劑進行了制備以及研究。2019年,納米農藥被國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)評為將改變世界的十大化學新興技術之首,美國環保署(EPA)、歐盟以及聯合國經濟合作與發展組織(OECD)等國際組織和機構已經陸續頒布了關于納米農藥生產、使用及安全性評價等方面的管理規則。在我國,截至目前,盡管還沒有納米乳劑農藥劑型獲得登記,但已有大量關于納米乳劑載藥體系的研究論文以及專利發表,為推進我國農藥減量提效、減量控害目標發揮重要作用。目前納米乳劑已廣泛應用于醫藥、石油、日用化工、農藥等領域,已有前人對納米乳劑在醫藥、石油等領域的應用進行了綜述,而在農藥領域中相關綜述較少,鑒于近年來農藥納米乳劑發展迅速,筆者對納米乳劑在農藥領域的應用進行綜述,并對該領域的發展前景進行展望,以期為納米乳劑在農藥中的應用提供參考和指導。

      1

      農藥納米乳劑的組成

      納米乳劑配方主要由4部分組成:有效成分、溶劑或助溶劑、乳化劑或助乳化劑和水,一般是先將有效成分、溶劑或助溶劑、部分乳化劑或助乳化劑混合形成油相,部分乳化劑或助乳化劑與水混合形成水相,再進行混合加工即可形成納米乳劑。存在于納米乳劑體系中的兩個不相容的相(油相和水相)被表面活性劑形成的界面分開。納米乳劑有3種類型:水包油(O/W)型、油包水(W/O)型(圖1),以及雙連續型(W/O型與O/W型之間的過渡狀態,實際應用比較少)。當乳化劑親水親油平衡值(HLB)為7~18,親水性強、親油性弱時,一般會形成水O/W型乳狀液,這也是農藥中最常見的乳液類型。當乳化劑的HLB值為3~6,親水性弱、親油性強時,形成W/O型乳狀液,這在農藥中很少使用。雙連續型納米乳劑的任一部分油相在形成液滴被水連續相包圍的同時,與其他油滴一起組成連續相包圍介于油相中的水滴,由于表面活性物質組成的界面不斷波動,使雙連續相納米乳亦具有各向同性。雙連續相結構中,水相與油相皆非球狀,而類似于海綿狀的結構。根據藥物性質的不同,制備適當類型的納米乳劑。

      圖1 不同類型納米乳劑的結構

      1.1 水相

      水相與油相在乳化劑的作用下形成彎曲的油水界面膜,進而包裹農藥活性成分。水質對納米乳劑加工和儲存穩定性影響較大,一般選用蒸餾水或去離子水。

      1.2 油相

      選用合適的有機溶劑作為油相是納米乳劑形成的關鍵部分之一,因為它與對農藥活性成分的溶解能力密切相關。例如:與十六烷等長鏈油相比,當以花生油為油相時,納米乳劑的形成更為困難。因為油在體系中的不溶性增加了納米乳劑的穩定性,為奧斯特瓦爾德(Ostwald)熟化提供了動力學障礙,而Ostwald熟化是納米乳劑不穩定的主要原因,是納米乳劑破乳的主要機制。Ostwald熟化是指油在較小液滴中通過連續相向較大液滴的凈輸送。油的碳氫鏈長度越短,越有利于有機相更深入地穿入界面膜,納米乳劑就越穩定,但增長碳氫鏈則有助于增加對藥物的溶解性。因此,納米乳劑油相的選擇,應結合藥物的溶解情況進行綜合考慮。

      納米乳劑中溶劑油的選擇種類多樣,具有豐富的生物學特性,其應用于納米乳劑中可以提高細胞毒性、遺傳毒性和對病原體的抗菌活性。其中不同化學成分的植物精油也會影響其對有害生物的生物行為。近年來,有研究發現,安尼樟精油(aniba essential oils)通過觸發更多的核酸和蛋白質的產生,可破壞包括黃曲霉、黑曲霉和茄病鐮刀菌在內的8種植物病原菌的細胞膜。香菊油(asteriscus graveolens oil)可抑制引起棗樹枯萎病的尖孢鐮刀菌。黃荊精油(Vitex negundo essential oil)通過降低雜草的有絲分裂指數和染色體畸變百分比對雜草產生毒性,可用來防治野燕麥和稗草。精油還因其具有揮發性適合熏蒸而被用于控制昆蟲。一些研究還發現,荷荷巴油(jojoba oil)濃度的增加會導致水稻象甲成蟲死亡率的上升。除此之外,在印楝油(neem oil)納米乳劑和柑橘油(Citrus sinensis oil)納米乳劑中使用較高的表面活性劑濃度后也會增加蚊子幼蟲的死亡率。由此可見,在農藥制劑中不僅僅是農藥有效成分對靶標生物有活性,其他成分也會有一定的影響。溶劑油的選擇除了能對農藥有效成分起到溶解作用之外,還有可能達到協同增效的效果,從而減少化學農藥的用量,這也是農藥納米乳發展的方向之一。

      1.3 乳化劑

      納米乳劑中的另一個重要成分是乳化劑,乳化劑能夠降低表面張力,促使納米乳劑的形成。乳化劑在體系中先在氣液界面上定向排列,即極性基的一端插入水相,非極性基的一端插入氣相,形成單分子膜。當乳化劑的濃度達到臨界膠束濃度(CMC)后,開始轉移到溶液中,形成大量分子有序聚集體即膠束。在水包油體系的膠束中,乳化劑的疏水基聚集成膠束內核,親水的極性基團構成膠束外層。乳化劑的濃度只有在臨界膠束濃度以上才能實現乳化作用。

      乳化劑主要有4種類型:陽離子型、陰離子型、兩性離子型和非離子型。在配制農藥納米乳劑中,非離子表面活性劑通常會被包裹到納米乳劑中,是因為它們受pH和離子強度的影響較小。而對于陰離子表面活性劑而言,它可以與溶液之間發生黏合,這可以改變納米乳劑的穩定性和尺寸。除此之外,表面活性劑的選擇也與其HLB值有關。HLB值越高,表明表面活性劑在水中的溶解度越高,這有利于農藥制劑的O/W配方,反之,則有利于W/O配方。在制備動力學穩定的納米乳液時,表面活性劑的HLB值是要考慮的最重要的參數之一。

      表面活性劑的添加量(質量分數)通常在1.5%~10%之間,制備納米乳劑時普遍用量為5%。離子型表面活性劑的使用被認為改變了納米乳劑中的靜電電荷,從而導致低聚集。對比單一和復合表面活性劑對納米乳劑形成的影響發現,混合表面活性劑能夠產生更好的親水-親油平衡,增強表面活性劑層的柔韌性,并能在較高程度上分配到油水界面。研究還表明,非離子表面活性劑的混合不僅能產生理想的HLB值,而且對納米乳劑的穩定性也有協同作用。

      表面活性劑的存在降低了葉片的接觸角,增加了葉片的潤濕性。有研究表明,在農藥制劑中使用較高濃度的表面活性劑,并不能保證在葉片上有較好的接觸角,由于表面活性劑的性質不同,最佳潤濕面積和接觸角可能會有所不同。適當的表面活性劑含量可以形成最佳的粒徑尺寸、穩定性、黏度特性和抗菌活性,這些都是對實際生產應用有研究價值的。然而,在濃度非常高的情況下,過量的表面活性劑可能會產生毒性效應。為了更好地與帶負電荷的植物葉片相互作用,離子液體已被確定為制備帶正電荷納米乳劑體系的新型表面活性劑。葉片的吸附機制對納米乳劑的制備性能有重要參考意義,以便更精準的適應大田生產應用。

      1.4 助乳化劑

      助乳化劑可以插入到乳化劑的界面膜中,降低界面張力,增大乳化劑的溶解度,有利于穩定納米乳劑。理想的助乳化劑可調節乳化劑的HLB值,降低油水界面張力,使乳劑形成更小的液滴,從而提高納米乳劑體系的穩定性。此外,助乳化劑的選擇有時還決定納米乳劑體系的毒性、藥物動力學和藥效學。其常常被用來作為乳化劑的補充,因為它們在膠束界面結構較弱的區域之間適當地匹配,強化了界面膜。常用助乳化劑有乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇和聚甘油酯等。

      2

      納米乳劑的制備

      納米乳劑一般由有效成分、溶劑或助溶劑、乳化劑或助乳化劑和水組成。當油、乳化劑和助乳化劑被確定之后,根據組分的性質以及所制備的納米乳劑類型,可繪制出準確可靠的偽三元相圖來確定各個組分的比例。若配方組成及比例不恰當,就不能很好地形成納米乳劑。除此之外,納米乳劑制備工藝也很重要,因為它能影響到所制備的納米乳劑的粒徑和性質,尤其是納米乳劑的穩定性,F制備工藝主要分為高能乳化法和低能乳化法。

      2.1 高能乳化法

      高能乳化法(High-energy emulsification method)需要外加能量,通過機械裝置提供強大的破壞力來減小尺寸。高能乳化法有超聲法、高壓均質法和剪切攪拌法等。其主要缺點是儀器成本高,且產生的操作溫度高,較高的溫度有時不適用于不耐熱農藥活性成分的加工。

      2.1.1 超聲法

      超聲法(Ultrasonic emulsification method)是采用探頭超聲儀,通過控制超聲的頻率和時間調節乳滴分散度,制備出不同粒徑的納米乳劑。在機械攪拌下,將油相加入到水相中,先制得粗乳液;然后在不同的超聲振幅下對乳液進行短時間的超聲處理,直至得到具有理想性能的納米乳劑。一般超聲時間越長,乳化液的動能越大,顆粒尺寸越小。同時,表面活性劑的疏水性越強‚所需超聲的時間越長。與其他高能乳化法相比,超聲法所需的能量最少,但該技術的一個嚴重缺點是探頭發熱會產生鐵屑并進入藥液,從而引起污染,并且該方法只適合少量樣品的制備。

      2.1.2 高壓均質法

      高壓均質法(High pressure homogenization method)是利用高速均質機使粗乳液在高壓下通過指定的閥門,在高壓力的狹小空間內,通過高速撞擊、剪切和空穴作用使油相和水相兩相混合,制備得到粒徑適宜的納米乳劑。此方法高效且制備的納米乳劑有良好的均一性,適用于工業生產,其不足之處在于能耗大,且由于在生產過程中會產生較高的溫度,所以不利于不耐熱的農藥活性成分的加工。

      2.1.3 剪切攪拌法

      剪切攪拌法(High-shear stirring method)是利用高剪切均質乳化機特殊設計的轉子和定子,在它們之間的小間隙處,通過電機的高速驅動使液滴高速流動產生剪切力,從而生成納米乳劑。由于操作簡單、能耗低,剪切攪拌法比高壓均質法更具優勢。剪切攪拌法可以很好的控制粒徑,且配方組成有多種選擇。

      2.2 低能乳化法

      低能乳化法(Low-energy emulsification method)不需要外加大量能量,是利用體系中各組分之間的內部相互作用,通過助劑改變界面能來使乳滴自發分散,從而形成納米乳劑。這取決于乳化過程中表面活性劑的行為,減輕了制備過程中對農藥活性成分的損失。低能乳化法所消耗的能量相比于高能乳化法要小的多,不僅節能,而且還縮短冷卻時間,從而提高了乳化的效率。低能乳化法應用廣泛,有很大的發展前景。不過低能乳化法有時會受溶劑類型和可供使用的乳化劑種類的限制。低能乳化法主要包括相轉變溫度法、相轉變組成法、逐滴滴加法、自發乳化法等。

      2.2.1 相轉變溫度法

      相轉變溫度法(Phase inversion temperature method,PIT)是利用表面活性劑在水/油中的溶解度隨溫度變化而變化,最終形成納米乳劑的方法。它涉及從W/O到O/W乳狀液通過中間雙連續相的有序轉化或相反轉化。首先將水相和油相一次性混合,再利用非離子型乳化劑在不同溫度下的疏水性和親水性不同而形成的不同的乳液。通常這類乳化劑的疏水性隨著溫度的升高而增強,當溫度低于體系的相轉變溫度時,非離子型乳化劑親水性增強,從而形成O/W型乳液;當溫度高于體系的相轉變溫度時,乳液發生相反轉,則變成W/O型乳液。由于該方法需要改變體系溫度,所以對溫敏農藥活性成分不能使用,相應的只適用于對溫度敏感的表面活性劑,如聚氧乙烯類表面活性劑。同時良好的水、油、表面活性劑和農藥活性成分的互溶性是促進相變順利進行的前提。此外,除了溫度,其他參數如鹽的濃度及pH值亦會對乳化產生影響。

      2.2.2 相轉變組成法

      相轉變組成法(Phase inversion composition method,PIC)是溫度不變,通過改變體系中水相和油相的組成而形成納米乳劑。任何表面活性劑都可以應用于PIC法。乳液制備初始的體系為油相,之后把水相持續地加入到油相中,當油相過剩時即形成W/O型乳劑。之后隨著水相的持續添加,比例增大,表面活性劑的曲率(指彎曲程度的數值,曲率越大,表明彎曲程度越大)改變,水滴逐漸聚結在一起,在相轉化點時,表面活性劑會形成層狀結構,此時的表面張力最小,有助于形成非常小的分散乳滴。在乳劑相轉化點過后,隨著水相的進一步增加形成O/W型乳劑。對于相轉變組成法,在適當的溫度、攪拌速率及滴加速度情況下,納米乳劑粒徑基本取決于乳化劑與油的比例。

      2.2.3 逐滴滴加法

      逐滴滴加法(Dropwise addition method)指溫度一定的情況下,將乳液的內相逐漸滴加到體系中,與PIC法操作類似,但是滴加的是內相,因此滴加過程中體系不會發生相反轉,最終能制得內相含量很低的納米乳劑。

      2.2.4 自發乳化法

      自發乳化法(Spontaneous emulsification method)是將油相加入到水相中,充分混合后,再經過減壓蒸餾去除有機溶劑,形成納米乳劑。這是一種由溶劑或表面活性劑的快速擴散而引發的組分之間的相互作用,該過程不改變體系中表面活性劑的曲率。在制備過程中,因油相和表面活性劑的濃度不同可生成基于表面活性劑、水和油3個組分的三元相圖。三元相圖所示的各向同性區域表示配方的各種組合。相圖中所有可以形成納米乳劑的區域中,選擇表面活性劑濃度最小的點為最佳配方。油相和表面活性劑的性質以及油相與水相的混溶性等均會影響自乳化的過程,不同的體系會通過不同的機制形成納米乳劑。除此之外,油的黏度、表面活性劑的HLB值和油相與水相的混溶性等是決定自發乳化法制備納米乳劑質量的重要因素。自發乳化法操作簡單、經濟實用,但也有一定局限性,比如它要求油的含量低(一般是1%)、溶解油相的溶劑可以以任何比例與水混溶、油相中的溶劑能夠除去等。

      3

      納米乳劑的應用

      3.1 殺蟲劑

      殺蟲劑在我國農藥使用所占份額最大,高達38%,但是殺蟲劑在防治農作物蟲害中卻存在一系列問題。首先,農藥使用者在傳統農藥″除蟲務盡″的害蟲防治思想影響下,大多選擇廣譜、高效的農藥品種,導致其在殺死靶標生物的同時對非靶標生物也造成了不同程度的傷害。除此之外,由于殺蟲劑的持效期短,有些農藥使用者為達到理想的防治效果,隨意加大用藥量、任意增加施藥次數,最終導致農藥殘留嚴重超標,同時加速了害蟲抗藥性的產生。另外,殺蟲劑的許多劑型對害蟲體壁的穿透效果不佳,從而影響藥效的發揮,盡管乳油劑型對蠟質層較厚的昆蟲體壁穿透效果較好,但卻存在環境不友好、易產生藥害等缺點。納米乳劑在殺蟲劑上的應用可有效應對上述挑戰,它的小尺寸致使表面積增加,增強了納米殺蟲劑對幼蟲的滲透性,提高了其功效。有些納米乳劑還具有緩釋性,可有效延長殺蟲劑的持效期,并且對非靶標生物毒性大大降低。

      Nisha等使用超聲乳化法制備了蓖麻油O/W型納米乳劑,用于防治瘧疾載體庫態按蚊Anopheles culicifacies,發現當蓖麻油含量(質量分數,下同)為10%、丙二醇為5%、表面活性劑Tween-80為14%、Span-20為4%以及蒸餾水為67%時,所制備出的納米乳劑性能優異,平均粒徑為114 nm,多分散度指數(PDI)為0.2,多分散度較低,表明所制備的納米乳劑具有長期穩定性。此外,該蓖麻油納米乳劑對庫態按蚊的LC50值為3.4 mg/L,活性優于普通乳液的52.31 mg/L,這是因為納米乳劑的小尺寸導致其總表面積增加,其對幼蟲的滲透增強,提高了殺蟲功效。Mishra等通過超聲乳化法在制備氯菊酯O/W納米乳劑時,將氯菊酯溶解于十烷酸甲酯等有機溶劑中作為有機相,以乳化劑(Tween-80)和超純水的混合物作為水相,經組合試驗發現,當有機相和水相的最終質量比為1∶3時,所制備的納米乳劑平均粒徑和zeta電位分別為(12.4±1.13)nm和(−20.4±0.56)mV,其在外部環境中的穩定時間為4 d,表現最佳。此外,在滅蚊濃度下其對非靶標生物,如斑馬魚的安全性較高。

      為了防治儲糧害蟲赤擬谷盜Tribolium castaneum Herbst,Pant等通過低能乳化法,以質量分數(下同)為60%的卡蘭賈樹與麻風樹凝膠的水濾液作為水相,以12%丙二醇、10%桉樹油以及15%Tween-80作為油相制備了O/W納米乳劑,平均粒徑77 nm;同時發現用60%的卡蘭賈樹與麻風樹凝膠的水濾液代替蒸餾水作為水相,可使桉樹油的保質期延長,且制備的納米乳劑的平均粒徑顯著降低,含濾液與不含濾液的納米乳劑對赤擬谷盜的LC50值分別為0.1646和5.4872 mg/L,前者大大提高了對靶標害蟲的生物活性。He等首先合成了植物油基醇酸樹脂(AR),再用原位反相乳化法制備了高效氯氟氰菊酯/醇酸樹脂(LC/AR)納米乳劑(圖2),并研究了其性能。結果表明,LC/AR納米乳劑的粒徑為50~150 nm,最大載藥量(質量分數)高達40.9%,包封率>90%;通過室溫儲存6個月、不同溫度和離心方式等3個方面進行測試,發現其穩定性良好。與LC商業配方相比,LC/AR納米乳劑表現出更好的控制釋放特性,其釋放受到LC含量、溫度以及pH值的影響。此外,由于其具有較低的表面張力,制備的納米乳劑與葉片有更強的相互作用,可觀察到更強的黏附性。

      圖2 高效氯氟氰菊酯/醇酸樹脂(LC/AR)納米乳劑的制備示意圖

      Feng等用質量分數為30%的吡丙醚和6%的不同乳化劑溶解于5%的烴類溶劑(S-100)中形成油相,先在磁力攪拌器上將去離子水滴入油相中,再在1,000 r/min下攪拌18 min,制備的吡丙醚納米乳劑以用于防治家蠅。結果顯示:以EL-20為乳化劑制備的吡丙醚納米乳劑的外觀均勻,粒徑最小,穩定性最好(圖3);與其水乳劑和乳油相比,吡丙醚納米乳劑具有更持久的防治效果;吡丙醚納米乳劑具有較高的化蛹抑制率和100%羽化抑制率;在7和14 d時,吡丙醚納米乳劑對蚯蚓(實驗動物)的LC50值分別為1,450.63和804.19 mg/kg,表明它們對蚯蚓的低急性毒性和環境友好性;吡丙醚納米乳劑具有比水乳劑與乳油更低的細胞凋亡率(5.29%)。

      Du等以月桂酸甲酯為油相,以烷基聚糖苷(APG)和聚氧乙烯-3-月桂醚醚(C12E3)為混合表面活性劑,形成了適合農藥輸送的生物相容性O/W型納米乳劑。此外,他們還通過測量不同時間間隔的液滴尺寸,系統研究了APG和C12E3質量比、油重分數和總表面活性劑質量分數對納米乳劑液滴尺寸分布和穩定性的影響,發現當APG和C12E3的質量比為6∶4時,所形成的納米乳劑具有最低的液滴尺寸和較高的動力學穩定性。在此基礎上,他們將水不溶性農藥β-氯氰菊酯(β-CP)摻入到兩種優化的納米乳劑體系中,動態光散射(DLS)和透射電子顯微鏡(TEM)測定結果表明,β-CP的摻入對兩種納米乳劑的液滴尺寸(圖4)和穩定性無顯著影響。含β-CP的納米乳劑在稀釋后盡管液滴尺寸增加,但在整個稀釋過程中乳液均勻保持穩定,從接觸角和動態表面張力測量結果也可以看出稀釋后的納米乳劑在疏水表面具有良好的潤濕和擴散性能。

      圖3 不同乳化劑制備的吡丙醚納米乳劑在顯微鏡下的照片

      圖4 無β-氯氰菊酯(A和C)和載β-氯氰菊酯(B和D)納米乳劑的透射電鏡圖

      張紅制備了聚氨酯負載非水溶性農藥(如阿維菌素、高效氟氯氰菊酯等)的新型水性緩控釋納米乳劑,選擇聚氨酯為載體是因為其所具備的特殊的硬段與軟段可形成微區結構、可形成氫鍵、原料易得等,最終制備的緩控釋農藥納米乳劑中載藥微粒的平均水合粒徑為20~300 nm,載藥量可達60%,包封率不小于85%。乳劑體系穩定性和分散性好,緩釋性突出,葉面沉積率高,農藥活性高,藥物流失率低,且載體可降解,對環境污染少,毒性低,安全、高效。覃和通過相反轉和減壓蒸餾處理制備了醇酸樹脂/農藥(非水溶性農藥,如辛硫磷、氯吡硫磷等)納米乳劑,其中非水溶性農藥、醇酸樹脂和水的質量比為(0.01~25)∶(9.99~49.99)∶(50~90)。該納米乳劑中載藥微粒的水合粒徑為30~250 nm,載藥量為0.01%~50%,包封率不低于90%,制備的納米乳劑具備良好的分散性和穩定性,其葉面附著性好、持效期長、生物利用率高,同時具有緩控釋性能,且載體可生物降解、綠色環保、安全高效。Heydari等利用高能超聲工藝制備了以野生薄荷油為油相、非離子表面活性劑(Tween-80)和水組成的O/W型納米乳劑,采用了多元線性回歸方法估計所選因素的模型系數,最終推斷出納米乳劑的制備主要取決于表面活性劑和精油的使用含量,優化后的配方為體積分數1%的薄荷精油和體積分數3%的非離子表面活性劑(Tween-80)。除此之外,他們對納米乳劑的穩定性進行了長達1年時間的測試,發現所有配方的納米乳劑均具有長期穩定性,通過生物測定發現,制備的納米乳劑對棉蚜具有較高的觸殺毒性。

      Feng等采用低能乳化法制備了阿維菌素O/W型納米乳劑,通過改變表面活性劑的類型和濃度,研究了HLB值和表面活性劑用量對納米乳劑形成和穩定性的影響,最終確定最佳配方(質量分數)為2%阿維菌素和質量分數5%蓖麻油聚氧乙烯醚(EL-40)溶于質量分數7.5%碳氫化合物溶劑(S-200)中,用去離子水補足至100%;由該配方制備的阿維菌素納米乳劑表現出較小的動態接觸角,從而具有良好的潤濕性和擴散性;與阿維菌素乳油(EC)和微乳液(ME)相比,阿維菌素納米乳劑對小菜蛾3齡幼蟲的LC50值最低(0.0686 mg/L),不僅提高了殺蟲活性,且對樹狀突細胞毒性較低。關文勛等利用阿維菌素的2個活性羥基,連續與丙烯酰氯、四乙烯五胺和琥珀酸酐反應,制備了帶有酯鍵并對藥物親和性高的乳化劑前體,進一步制備出阿維菌素納米乳劑(圖5)。

      圖5 乳化劑前體的合成工藝方法

      納米乳劑的粒徑可以通過改變乳液載藥量或乳化劑中和程度(乳化劑與三乙醇胺的比例)來調節。當n(乳化劑)∶n(三乙醇胺)=1∶12時,平均粒徑小于100 nm,PDI值也明顯減小。隨著載藥量的逐漸增大,乳液的平均粒徑和PDI值也逐漸增大。所制備的阿維菌素納米乳劑具有耐光解、低表面張力和高的葉面親和性。在酯酶存在或強堿性條件下,乳化劑的酯鍵發生水解,從而促進阿維菌素從顆粒中的釋放,其LC50值小于阿維菌素乳油的LC50值,故殺蟲效果優于乳油劑型。Ya-Ali等通過兩段均質法制備防控四紋豆象Callosobruchus maculatus的塔斯馬尼亞藍膠(Tasmanian blue gum)精油納米乳劑,分別以阿拉伯膠與Tween-80為表面活性劑和以Span-80與Tween-80為表面活性劑制備了兩種納米乳劑,二者均能使精油的穩定性顯著增強。此外,精油在納米制劑中的殺蟲效果明顯大于其直接使用的殺蟲效果。Mossa等首次通過超聲乳化法處理35 min制備了平均粒徑為93.4 nm大蒜精油納米乳劑,乳化液滴尺寸大小、穩定性與乳化時間、大蒜油和Tween-80的比例有關。該納米乳劑對兩種類型的橄欖螨A. Oleae和T. Hassani均有較高的殺螨活性,其LC50值分別為298.225和309.634μg/mg,且對大鼠等哺乳動物無毒。唐仕等通過乳化相轉變法制備了O/W型聯苯菊酯納米乳劑,納米乳劑體系的顆粒為球形,粒徑主要分布在25~30 nm,在石蠟表面的接觸角小于90°,表面張力低于40 mN/m,潤濕性、乳化性以及穩定性好,提高了聯苯菊酯的利用率。

      3.2 殺菌劑

      植物病害化學防治的策略包含預防為主、綜合防治和科學用藥3個方面的核心內容,其中預防為主的策略就是要堅持在病原菌侵染之前或侵染后的早期使用殺菌劑,把病害的發生控制在較低水平,充分發揮化學防治的效果和延緩抗藥性群體的形成。要達到預防的目的,藥劑就要均勻地施用于寄主植物或器官上,使植物表面形成一層藥膜,進而阻止病菌侵染。將水溶性差的殺菌劑制備成納米乳劑體系不僅可以提高其溶解度,還可以降低表面張力,增強在植物表面的潤濕性,從而大大提高農藥對葉片的附著力,提高防治效果。

      Yang等使用高壓微射流制備了丁香酚、香芹酚和桂皮醛O/W型納米乳劑。以質量分數為2%的Tween-80去離子水溶液為水相,以m(丁香酚)∶m(香芹酚)∶m(肉桂醛)=1∶1∶1的混合物為油相,按m(油相)∶m(水相)=1∶9混合制備出O/W型納米乳劑。結果表明:所制備的納米乳劑粒徑均一,具有良好的離心穩定性,其最低抑菌濃度(MIC,0.125 mg/mL)和最低殺菌劑濃度(MFC,0.25 mg/mL)值均具有顯著的抑菌效果;經該納米乳劑處理后,青霉Penicillium digitatum孢子萌發受到明顯抑制,菌絲形態發生劑量依賴性改變,細胞膜通透性發生改變。此外,用該納米乳劑進行涂膜處理,可降低柑橘果實腐爛率、失重率和呼吸速率;同時可溶性固形物、維生素C和可滴定酸含量降解延遲,抗氧化酶活性在采后貯藏過程中也明顯升高。王泊理通過高壓均質法結合納米粒子包埋技術制得含三氟咪啶酰胺和氟吡菌酰胺的納米乳劑。通過乳化劑的篩選和優化,最終確定乳化劑由硬脂酸鉀和甲基葡萄糖苷倍半硬酯酸酯按2.5∶1~4∶1的質量比組成。制備的納米乳劑分散均勻,穩定性好,能達到長效緩釋的效果,對線蟲的防治有明顯的增效作用,既可以減少農藥使用量,又可以減緩抗性,有利于節省農藥成本、減輕對環境的污染。Ali等通過自發乳化法先制備出O/W型印楝油初乳液與O/W型香茅油初乳液,發現表面活性劑與印楝油或香茅油比值的增加會導致粒徑尺寸的減小,最終確定油、表面活性劑和蒸餾水制備初乳劑的最佳質量比例為0.50∶1∶8.50,再進一步制備添加不同比例香茅油的印楝納米乳劑,其粒徑在(11.23±3.86)nm和(17.80±4.52)nm之間,添加不同比例印楝油的香茅油納米乳劑,其粒徑在(8.12±2.80)nm和(12.04±3.74)nm之間。此外,通過對水稻紋枯病菌Rhizoctonia solani和白絹病菌Sclerotium rolfsii進行離體抗真菌試驗,發現NNE10(印楝油初乳液+質量分數為5%香茅油)與CNE10(香茅油初乳液+質量分數為5%印楝油)的活性最強。

      Septiyanti等通過高能乳化法制備了具有抗菌活性的丁香酚和長星花Isotoma longiflora提取物混合的納米乳劑,研究了不同HLB(5~7)、不同的Span-85和Tween-80比例下丁香酚與長星花提取物配伍的納米乳劑的穩定性。結果顯示:最穩定配方(質量分數)為99%丁香酚與1%長星花提取物,表面活性劑為60%Span-85和40%Tween-80組合,溶劑為乙醇(比例1∶5),采用該配方制備的納米乳劑粒徑為(288.7±9.2)nm,PDI為0.339±0.055。Nandini等通過超聲乳化法制備了以木霉膜質、非離子表面活性劑Tween-80和水等為原料的納米乳劑,得到的粒徑在5~51 nm之間;通過分析木霉膜質納米乳劑對珍珠栗種子生長參數和誘導珍珠栗霜霉病抗病性的影響發現,納米乳種子能引發顯著自我保護和提高早期防御基因的表達水平。表明新型納米乳劑配方所提供的保護是系統性和持久的,這為防治卵菌病害提供了一種新的可持續方法。Kumari等以天然皂苷為表面活性劑通過超聲法制備了穩定百里香酚的納米乳劑(圖6)。結果發現:與10、20、30和40 min的超聲處理相比,50 min的超聲處理可得到更為穩定的納米乳劑,液滴平均粒徑為(274±2)nm(圖7),PDI為0.1,zeta電位為‒31 mV,表明超聲時間可大大影響納米乳劑的粒徑、尺寸分布以及穩定性;所制備的百里酚納米乳劑具有顯著的抗菌作用和促進植物生長活性,能穩定貯存3個月。該研究結果也證明,納米乳劑可用于提高脂溶性原藥的有效輸送和高效的生物利用度。

      圖6 百里香酚納米乳劑的假設模型

      圖7 百里香酚納米乳劑在40000×(a)與80000×(b)下的Cryo-FESEM圖

      Pongsumpun等通過響應曲面法(RSM)測定了制備肉桂精油納米乳劑最佳的配方和超聲波條件。最終確定了采用超聲探針(功率400 W,24 kHz)在超聲時間為266 s、溫度為4.82℃、Tween-80質量分數為3%時得到的肉桂精油納米乳劑性能最佳,平均粒徑為65.98 nm,PDI為0.15,黏度為1.67 mPa.s;在4、30和45℃下保存90 d,該納米乳劑在粒徑和PDI方面均具有良好的穩定性;與肉桂精油相比,肉桂精油納米乳劑對黑曲霉、根霉、青霉等具有更好的抗真菌活性。Pandey等以去離子水作為水相,以質量分數為10%的薄荷油與5%的Tween-80混合物作為油相,通過高能超聲法制備了薄荷油納米乳劑,液滴呈球形,平均粒徑小于100nm,其對番茄早疫病Alternaria solani的防治效果優于與化學殺菌劑多菌靈。Long等通過超聲法制備了功能性大蒜油納米乳劑,用來防治意大利青霉菌Penicillium italicum。首先,通過對表面活性劑Tween-80和Span-80組合的篩選,確定制備大蒜油納米乳劑的最佳HLB值為14。然后,按照中心組合設計法制備了大蒜油納米乳劑,并通過測試不同制備參數對納米乳劑的穩定性、抑菌活性和平均粒徑的影響,最終選出大蒜油質量分數為5.5%、表面活性劑Tween-80和Span-80的混合質量分數為10%、超聲時間為5 min、超聲功率300 W為最優制備條件。該條件下制備的大蒜油納米乳劑粒徑最小,平均粒徑為52.27 nm,且抗菌活性最好,穩定性最高,其對柑橘青霉的抑菌活性優于大蒜素,制備成納米乳劑后大蒜素的MIC由3.7%變為0.013%,生物利用度提高約300倍。

      Marei等首先通過高能超聲法把低分子質量的殼聚糖和檸檬醛以不同比例混合,制備成粗乳液;再通過超聲乳化最終制備了殼聚糖/檸檬醛納米乳劑(圖8),PDI為0.508~0.614,粒徑為27~1,283 nm。殼聚糖和檸檬醛的質量比不同會顯著影響乳劑粒徑的大小。當殼聚糖與檸檬醛的質量比為1.0∶0.1時,納米乳劑的粒徑最小(平均液滴粒徑為27.0 nm),抗菌活性最高,其對胡蘿卜軟腐歐文氏菌Erwinia carotovora、黑曲霉菌Aspergillus niger和匍枝根霉菌Rhizopus stolonifer的EC50值分別為23、278和221 mg/L。Abd-Elsalam等通過高能超聲法制備了由水、Tween-20和丁香酚油組成的納米乳劑,用于防治棉花枯萎病。在透射電鏡下顯示,丁香酚油納米乳劑呈球形,液滴的平均粒徑為80 nm。在室溫(25℃)下,納米乳劑的物理穩定性可達30 d以上。生物測定結果表明,丁香酚納米乳劑對棉花枯萎病菌Fusarium oxysporum f. sp. vasinfectum具有明顯的抑制作用。

      圖8 殼聚糖/檸檬醛納米乳劑的制備示意圖

      3.3 除草劑

      隨著植物生理、生化技術、化工合成等領域的發展,除草劑發展也十分迅速,與其他農藥一樣,除草劑高頻率、高劑量地使用,會伴隨產生許多不利的影響,諸如除草劑對環境的污染、對當茬或后茬作物的藥害、作物上的殘留、雜草的抗藥性等。近年來抗藥性雜草種群的蔓延以及藥害問題,給農業生產帶來較大的影響。通過前人的研究發現,把除草劑加工成納米乳劑可以增強除草劑在雜草中的滲透性,進而提高除草活性,減少農藥的使用量。在農藥減施增效的大背景下,納米乳劑有望在除草劑綠色防控與精準除草方面發揮重大作用。

      Lim等制備了草甘膦異丙胺鹽納米乳劑,粒徑小于200 nm,已被證明能增強藥物在給藥系統中的滲透性。對制備的納米乳劑生物活性研究,發現在匍匐狐貍草(creeping foxglove,2.9~3.5 ng/cm2)、細長紐扣雜草(slender button weed,2.6~2.9 ng/cm2)和水牛草(buffalo grass,1.8~2.4 ng/cm2)上的沉積量顯著低于朗達普(Roundup,市售商品,3.7~5.1 ng/cm2),但在處理后14 d后,納米乳劑處理的雜草損傷率與朗達普相當,其防控范圍為86.67%~96.67%。由此推測,具有相同損傷率的噴霧沉積量的顯著差異可歸因于納米乳劑生物活性的增強。Zainuddin等通過高能乳化法制備了棕櫚油負載銀膠菊粗提取物的納米乳劑。首先,利用混合實驗設計法對其進行配方優化,確定最佳配方組成(質量分數)為棕櫚油為30.91%、混合表面活性劑(Tensiofix與Tween-80的質量比值為8∶2)28.48%、水28.32%和銀膠菊粗提取物12.29%。在最優條件下,得到的納米乳劑粒徑為140.10 nm,其在離心和不同貯藏條件下(25℃±5℃和45℃)均表現出良好的穩定性(無相分離);在離體萌發試驗中,與銀膠菊粗提取物(10 g/L)相比,銀膠菊納米乳劑在較低質量濃度下(5 g/L)即可對聚角草種子有完全抑制作用。Balah等首先分別制備了野生型百里香精油、栽培型百里香精油以及馬喬蓮精油的粗乳液;然后通過添加助表面活性劑及經過多次渦旋和超聲處理后得到了相應的呈透明或半透明狀的納米乳劑,粒徑分別為12.0、22.4和5.3 nm,除草活性測試結果表明,馬喬蓮精油納米乳劑對田旋花表現出較強的除草活性。這表明納米乳劑在多年生雜草防治上具有一定的應用前景。

      3.4 其他

      除了在殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等有較多應用之外,納米乳劑在農藥其他方面也有所應用,如植物生長調節劑。植物生長調節劑具有天然激素生理活性,是用于調節植物生長發育的一類農藥,具有用量小、效益高、毒性低和殘留少等優勢。納米乳劑在植物生長調節劑中的應用研究報道較少,但納米乳劑較好的潤濕性、滲透性、環境友好性以及緩釋增效等特點,可有效提高農藥利用率,給納米乳劑在植物生長調節劑上的應用提供了廣闊的前景。Surendhiran等通過高壓均質法,在不同高壓均質條件下制備了原料為甲基纖維素(可降解聚合物)、維生素E和表面活性劑Tween-80的納米乳劑,發現在40,000 MPa下所制備的納米乳劑的粒徑最小,為157.5 nm;用不同濃度的甲基纖維素納米乳劑對種子進行浸泡處理,發現40mL/kg納米乳劑包衣種子具有較高的吸脹率、出苗速度、發芽和活力指數。

      表1 納米乳劑在農藥上的應用實例

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      總結與展望

      納米農藥具有納米尺寸、低表面張力、高滲透性等優點,可以提高藥效,改善農藥活性成分的穩定性,促進對靶沉積,減少有效成分的流失,提高農藥利用率。利用納米技術制備出高效、安全、低殘留的納米農藥已成為綠色農藥創新發展的必然趨勢。針對水溶性差甚至疏水性農藥可制備成納米乳劑,有利于提高難溶藥物的溶解度從而實現活性成分的有效輸送。除此之外,配合特殊的表面活性劑以及制備工藝,還可以使一些易光解農藥耐光解,且起到緩釋作用,具有減少農藥的施藥次數、提高農藥的持效期、減少對環境的污染以及降低對非靶標生物的危害等優點。在農業農村部提出農藥零增長行動方案的背景下,開發出提高藥效與控制釋放相結合的功能化、智能化納米乳劑,使農藥的釋放劑量與病蟲害防治劑量需求基本一致,是當前提高農藥利用率、降低環境污染的一個重要且有前景的發展方向。

      目前,國內外針對納米乳劑農藥的研究已經取得了一定的進展,同時也存在一系列問題亟待解決。筆者對國內外農藥納米乳劑載藥體系的構建進行了綜述,但是同為納米級別的劑型,納米乳劑與微乳劑之間的界限目前還存在較大爭議。如前人研究所言,微乳劑是熱力學穩定體系,且制備方法簡單,只需簡單攪拌即可形成。而納米乳劑是熱力學亞穩定狀態,其制備方法有高能法與低能法。除此之外,兩者的粒徑大小也有差異,微乳劑的粒徑一般界定為1~100 nm,而納米乳劑的粒徑范圍有較大爭議。有學者認為納米乳劑的粒徑在20~500 nm之間,也有學者認為其粒徑大小與微乳劑相當,目前國內外研究人員制備的農藥納米乳劑體系大多在20~500 nm之間。但筆者認為納米乳劑在農藥領域的田間應用需要兌水稀釋,應著重關注其兌水稀釋后的粒徑大小更為合適。有些納米乳劑體系出于增強其體系穩定性等原因,研究人員可能會在配方中添加增稠劑如黃原膠等,筆者曾研究過加入黃原膠對納米乳劑體系粒徑的影響,結果是黃原膠的加入會明顯改變體系的粒徑大小以及PDI,但幾乎不影響兌水稀釋后的粒徑尺度。筆者認為納米乳劑兌水稀釋后粒徑尺度范圍的規定要根據最佳生物效應粒徑尺寸而定,可能并不是粒徑越小越好。但國內外研究人員所構建的農藥納米乳劑載藥體系大多缺乏稀釋穩定性數據,所以稍有不足。

      如上所言,討論納米乳劑與微乳劑實質區別要結合行業領域從實際應用去分析。如在醫藥領域,若靜脈注射給藥,當藥物進入到血液中會遇到稀釋以及溫度變化等情況,對于微乳劑而言,其對溫度以及稀釋敏感,當溫度達到微乳劑穩定的極限或藥物被稀釋導致油和表面活性劑的相對濃度降低,最終導致微乳體系被破壞,就會造成藥物在血管中沉淀。而納米乳劑對溫度不敏感且稀釋后仍保持穩定,所以納米乳劑在注射給藥方面可發揮重要作用。在食品領域,納米乳劑體系的構建多用于提高不穩定物質的穩定性以及改善口感等,大多不需要兌水稀釋即可食用,所以從這個角度而言,區分微乳劑與納米乳劑的意義不大。在化妝品領域,其實際應用場景是皮膚涂抹透皮吸收,由于兩者皆具有納米級粒徑,都能顯著提高透皮吸收效果,所以無需區分微乳劑與納米乳劑的差異,更有些化妝品行業的相關綜述把納米乳劑與微乳劑混為一談。而在農藥領域,納米乳劑與微乳劑的實際應用場景均需兌水稀釋,所以關注稀釋穩定性對藥效的影響尤為重要。市場上許多高含量微乳劑存在稀釋后粒徑變大現象,甚至靜置幾小時后粒徑與水乳劑相當,大大失去了微乳劑本身的意義,所以關注納米乳劑與微乳劑稀釋穩定性的差異對藥效尤為重要。除此之外,任何一種新劑型的出現都應該有其優勢所在。在倡導環保、綠色的大環境下,懸浮劑、水乳劑、微乳劑等水基化劑型逐步替代環境不友好的乳油,微乳劑由于納米尺度粒徑具有分散性好、藥效高等優勢,但配方中需要大量的表面活性劑,也對環境造成一定的污染,成為了微乳劑的一大缺陷。納米乳劑的出現應改善微乳劑這一不足,大大降低表面活性劑用量,減少對環境的污染,這也應該是區分納米乳劑與微乳劑的一個重要指標。

      綜上所述,微乳劑與納米乳劑實際應用中最大的區別在于稀釋穩定性(具體稀釋后的粒徑范圍應根據最佳生物效應粒徑尺寸而定)以及表面活性劑的用量。除此之外,農藥納米乳劑的發展還存在其他因素的制約。從工業生產角度而言,納米乳劑的生產成本制約其產業化發展。高能制備方法所涉及的儀器比較昂貴,生產出的納米乳劑農藥產品的售價勢必較高,不利于納米乳劑農藥的推廣使用;從科研工作者的角度而言,配方中有機溶劑、表面活性劑的毒性也是需要考慮的因素,選擇無毒、綠色、價格低廉的有機溶劑和表面活性劑,是科研工作者需要努力的方向。除此之外,若使用低能乳化法同時還要降低表面活性劑的用量,就需要科研工作者篩選甚至制備出高效的表面活性劑品種;從靶標生物角度而言,研究靶標生物對納米乳劑農藥的吸收和轉運整個動態過程存在一定困難。納米乳劑進入靶標生物體內的互作機制、降解代謝變化等行為較為復雜,增加檢測難度,對分析納米乳劑的藥效、抗藥性發展、甚至小尺寸效應是否帶來新的毒理學效應等帶來挑戰。相信隨著科研工作者研究的不斷深入,農藥納米乳劑會在制劑學領域得到更廣泛的應用,為農業綠色高質量發展提供重要支撐。

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