水熱合成法制備魚藤酮納米顆粒的方法研究

朱龍寶　沈殿晶　趙明　陳小軍

摘要：納米材料作為農藥載體是增強農藥穩定性和減緩農藥釋放速率，從而提高農藥有效利用率的重要手段;其中介孔二氧化硅（MSN）是一種高比表面積、粒徑與孔徑可調節和生物相容性良好的納米載體。魚藤酮（Rot）作為一種優異的生物農藥，在環境中易降解，在植物中無不內吸傳導特性。通過水熱合成法制備出納米載體MSN，再通過溶劑揮發法將Rot負載到MSN上制備得到納米顆粒Rot@MSN，其載藥率為33.2%，且具有控制緩釋特性。研究表明，所制備的Rot納米顆粒具有良好的緩釋效果，持效期延長。此研究對減少農藥的使用量、降低環境污染和保障食品安全具有重要意義。

關鍵詞：水熱合成法;介孔二氧化硅;魚藤酮;納米顆粒;制備方法;表征

中圖分類號：S482.3+9文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）04-0074-04

作者簡介：朱龍寶（1964—），男，江蘇揚州人，高級農藝師，主要從事農作物病蟲害防治與推廣。E-mail：153207386@qq.com。

通信作者：陳小軍，博士，副教授，主要從事植物保護學和農藥殘留分析研究。E-mail：cxj@yzu.edu.cn。

化學防治是植物防蟲治病的重要措施。對生物農藥而言，必須解決其在田間施用時的光穩定性和控制其釋放特性，提高其有效利用率。魚藤酮（Rot）對害蟲具有良好的殺蟲活性，但是Rot在環境中易發生光降解，持效期短[1-6]。納米技術是當前研究的熱點之一[7]，其中介孔二氧化硅納米粒子（MSN）是一種具有良好形貌和孔隙率的化學和熱穩定性納米載體。MSN具有較大的孔隙空間和比表面積，能夠在孔隙結構中負載農藥分子[8-12]，同時MSN的表面富含硅醇基，可改善所負載的疏水性農藥的溶解性，此外MSN被植物吸收后不具有毒性[13-14]。目前在國內登記的關于Rot的制劑產品有22個，登記的劑型分別為乳油（15個）、微乳劑（5個）、懸浮劑（1個）、可溶液劑（1個）[15]。傳統的乳油制劑、微乳劑制劑分別存在過多使用有機溶劑和助劑易造成環境污染等問題。為了開發Rot的新型控釋型的環保產品，可以將疏水性的農藥與納米制劑技術有機結合起來，制備Rot的納米制劑，并通過納米制劑提高其控釋特性和光穩定性。本研究通過水熱合成法成功制備出一種比表面積大、孔徑可調節、孔道均勻和生物相容性良好的納米載體MSN，再采用溶劑揮發法制備出具有高載藥率、良好緩釋性能和熱穩定的納米顆粒，從而提高Rot的有效利用率，減少農藥的使用量，降低環境污染，此研究對于生物農藥新制劑的研制、保障農產品安全具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗材料

Rot標準品（質量含量98.0%），美國Sigma-Aldrich公司;Rot原藥（質量含量95.0%），豐順湯西嘉興福利化工廠生產;十六烷基三甲基氯化銨、正硅酸四乙酯，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2試驗方法

1.2.1納米載體MSN的制備方法根據Zhao等的研究[16]，以十六烷基三甲基氯化銨為模板劑，以正硅酸四乙酯為硅源制備MSN。將1.0g十六烷基三甲基氯化銨完全溶解在0.48L去離子水中。在磁力攪拌下，滴加3.5mL的2mol/LNaOH并水浴將反應物加熱至70℃。逐滴加入5.0mL的正硅酸四乙酯，隨后，將反應混合物加熱至80℃并劇烈攪拌6h，在此期間MSN形成白色沉淀。冷卻至室溫后，將混合物用去離子水和乙醇分別洗滌3次，然后將樣品放入馬弗爐中在550℃下煅燒6h。將得到的納米載體MSN在室溫下保存備用。

1.2.2納米載體MSN的表征方法（1）MSN的形貌。先將MSN鍍金，再置于掃描電鏡（S-4800Ⅱ場發射掃描電鏡，日本日立公司）下觀察所制備的MSN的形貌。為進一步探究MSN的形貌，將MSN放入乙醇中超聲至完全分散，取少量MSN滴于有碳膜的銅網上，置于紅外線燈下干燥，隨后將附有MSN的銅網至于透射電鏡（Tecnai12透射電鏡，荷蘭Philips公司）下觀察MSN的形貌。（2）MSN粒徑大小。使用激光光散射儀分析MSN粒徑大小，將MSN分散于去離子水中，超聲使其分散均勻，取4mL溶液于比色皿中，放入儀器中對MSN的粒徑進行分析。（3）MSN介孔結構特性。使用比表面測定儀進行物理吸附分析，稱取MSN0.1g，在脫氣溫度120℃、脫氣時間120min、環境溫度30℃、飽和蒸氣壓1.0149bar和恒溫浴溫度77.3K的條件下測定MSN的比表面積、孔道直徑、孔容量等。根據吸附和脫附等溫線分支數據，使用Brunauer-Emmett-Teller（BET）氣體吸附法和Barrett-Joyner-Halenda（BJH）分析模型評估介孔結構特性。

1.2.3載魚藤酮納米顆粒（Rot@MSN）的制備與表征準確稱量100mgRot于圓底燒瓶中，加入適量的乙腈，超聲至Rot完全溶解于溶劑中，使其濃度為5mg/mL，于60℃水浴加熱使Rot溶解，再加入100mgMSN，同樣超聲使其完全分散在乙腈中，隨后在密封條件下攪拌4h，然后在敞口條件下繼續攪拌，使乙腈慢慢揮發至MSN呈濕潤狀態，再用5mL熱乙醇洗滌殘留Rot，真空冷凍干燥后，即為納米顆粒Rot@MSN，待分析表征用。（1）采用傅里葉紅外光譜儀（Tensor27，布魯克光譜儀器公司）分析Rot@MSN的骨架結構和特征官能團，將干燥的Rot@MSN與KBr混合均勻并且充分研磨，采用壓片法按1∶10的比例制樣，進行傅里葉紅外光譜儀分析。（2）采用熱重分析儀（Pyris1TGA，美國PerkinElmer公司）對Rot@MSN進行熱重分析法，稱取1.585mgRot@MSN，在N2氛圍下，以10.00℃/min的升溫速率，從室溫升至800℃，進行熱重分析。（3）Rot@MSN的載藥率的測定：納米顆粒Rot@MSN的載藥率測定方法參考文獻[17];在檢測分析時，采用高效液相色譜法檢測分析乙醇中Rot的含量[4]。（4）Rot@MSN的緩釋特性試驗方法：方法參考沈殿晶等的試驗方法[17]。

2結果與分析

2.1納米載體MSN的合成和表征結果

如圖1所示，采用水熱合成法合成的MSN表面光滑，形狀偏橢圓形，部分為球形。通過透射電鏡能夠清楚地看清MSN的顆粒大小、形狀結構和介孔結構（圖2），水熱合成法所制備的MSN為二維結構，也就是最為常見的MCM-41型介孔二氧化硅[18-19]，其形狀為球形或者橢圓形，介孔結構清晰，為高度有序的六邊形結構，粒徑大小在100nm左右，且具有較好的分散性。

圖3為MSN的動態光散射分析所得到的粒徑分布圖，結果顯示MSN的平均粒徑在220nm左右，分散系數（PdI）為0.214，說明MSN在水中具有良好的分散性。與透射電鏡所觀察到的粒徑相比，動態光散射分析得到的粒徑偏大，這是因為動態光散射所測粒徑為MSN的水合粒徑，比實際粒徑要偏大一些，而透射電鏡所觀察到的為實際粒徑。

從圖4可以看到，MSN的等溫線為典型的Ⅳ型等溫曲線，P/P0在0～0.3之間曲線急速上升，說明氮氣分子在這一階段發生了單層吸附，從A點處開始，氣體發生多分子層的吸附，當孔全部被氣體分子填滿以后，在B點吸附達到飽和，氣體液化，吸附量急速上升。

由圖5可看出，MSN具有良好的介孔結構，孔徑分布主要集中在2.23nm左右。根據吸附等溫線脫附分支數據計算出MSN比表面積為856.69m2/g，孔體積為0.63cm3/g，平均孔直徑為2.94nm，最可幾孔直徑為2.11nm。

2.2Rot@MSN的表征結果

如圖6所示，在455cm-1、804cm-1處的峰為Si—O鍵對稱伸縮峰，1088cm-1處的強而寬的吸收峰為Si—O—Si反對稱伸縮振動，3462cm-1處的弱峰為結構水—OH反對稱伸縮振動峰;另外還在1452、1515、1606、1670、2966cm-1處出現了與Rot相同的特征吸收峰。因此也證明了Rot成功負載到納米載體MSN上得到納米顆粒Rot@MSN。

圖7為MSN和Rot@MSN的熱重分析圖，由MSN的熱重曲線可知，MSN具有良好的熱穩定性，并且在所研究的溫度范圍內幾乎保持恒定的質量。計算得到所制備的Rot@MSN中Rot的載藥率為33.2%。

水熱合成法制備的納米載藥MSN，其釋放特征表現為高的初始釋放量和隨后的緩慢釋放，在60h左右時達到最大的釋放量，而后釋放量基本保持在45%（圖8），說明Rot大量存在于MSN的表面，孔道對魚Rot的約束作用較弱，或者其在孔道中是以非定型狀態存在的，但與傳統制劑相比較，有一定的緩釋作用。

3結論

納米載體MSN由于其良好的吸附能力、生物相容性和結構穩定等優點，將生物農藥分子負載于納米載體MSN之中，通過載體MSN來提高生物農藥Rot的緩釋特性。本研究通過水熱合成法制備得到納米載體MSN，通過溶劑揮發法將Rot負載到MSN上得到納米顆粒Rot@MSN，其載藥率達33.2%，研究表明所制備的納米顆粒中Rot具有較好的緩釋特性。

參考文獻：

[1]AngioniA，CabizzM，CabrasM，etal.Effectoftheepicuticularwaxesoffruitsandvegetablesonthephotodegradationofrotenone[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry，2004，52（11）：3451-3455.

[2]IsmanMB.Botanicalinsecticides，deterrents，andrepellentsinmodernagricultureandanincreasinglyregulatedworld[J].AnnualReviewofEntomology，2006，51：45-66.

[3]CavoskiI，CaboniP，SaraisG，etal.Photodegradationofrotenoneinsoilsunderenvironmental[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry，2007，55（17）：7069-7074.

[4]ChenXJ，XuHH，YangW，etal.Researchontheeffectofphotoprotectantsonphotostabilizationofrotenone[J].JournalofPhotochemistryandPhotobiologyB：Biology，2009，95（2）：93-100.

[5]BidyaraniN，KumarU.Synthesisofrotenoneloadedzeinnano-formulationforplantprotectionagainstpathogenicmicrobes[J].RSCAdvances，2019，9（70）：40819-40826.

[6]MohdSM，AzlanK，SurianiAB，etal.Chitosan-grapheneoxidenanocompositesaswater-solubilisingagentsforrotenonepesticide[J].JournalofMolecularLiquids，2020，318：114066.

[7]Gomollón-BelF.Tenchemicalinnovationsthatwillchangeourworld：IUPACidentifiesemergingtechnologiesinchemistrywithpotentialtomakeourplanetmoresustainable[J].ChemistryInternational，2019，41（2）：12-17.

[8]KarimiM，MirshekariH，AliakbariM，etal.Smartmesoporoussilicananoparticlesforcontrolled-releasedrugdelivery[J].NanotechnologyReviews，2016，5（2）：195-207.[HJ2mm]

[9]LiGB，WangJ，Kong，XP，etal.Coprecipitation-basedsynchronouspesticideencapsulationwithchitosanforcontrolledspinosadrelease[J].CarbohydratePolymers，2020，249：116865.

[10]HuangL，Yu，SX，LongW，etal.Theutilizationofmultifunctionalorganicdyewithaggregation-inducedemissionfeaturetofabricateluminescentmesoporoussilicananoparticlesbasedpolymericcompositesforcontrolleddrugdelivery[J].MicroporousandMesoporousMaterials，2020，308：110520.

[11]SunJ，FanY，ZhangP，etal.Self-enrichedmesoporoussilicananoparticlecompositemembranewithremarkablephotodynamicantimicrobialperformances[J].JournalofColloidandInterfaceScience，2020，559：197-205.

[12]ThiNTN，NgocTTL，NgocHN，etal.Aminatedhollowmesoporoussilicananoparticlesasanenhancedloadingandsustainedreleasingcarrierfordoxorubicindelivery[J].MicroporousandMesoporousMaterials，2020，309：110543.

[13]WangL，CaiKZ，ChenYT，etal.Silicon-mediatedtomatoresistanceagainstRalstoniasolanacearumisassociatedwithmodificationofsoilmicrobialcommunitystructureandactivity[J].BiologicalTraceElementResearch，2013，152（2）：275-283.

[14]SlombergDL，SchoenfischMH.SilicananoparticlephytotoxicitytoArabidopsisthaliana[J].EnvironmentalScienceandTechnology，2012，46（18）：10247-10254.

[15]中國農藥信息網.農藥登記數據[DB/OL].[2020-12-01].http：//www.chinapesticide.org.cn/hysj/index.jhtml.

[16]ZhaoPY，CaoLD，MaDK，etal.Translocation，distributionanddegradationofprochloraz-loadedmesoporoussilicananoparticlesincucumberplants[J].Nanoscale，2018，10（4）：1798-1806.

[17]沈殿晶，張銘瑞，陳小軍，等.基于介孔二氧化硅的魚藤酮納米顆粒的制備及其性能研究[J].農藥學學報，2020，22（6）：1061-1068.

[18]ChenHY，LinYS，ZhouHJ，etal.Synthesisandcharacterizationofchlorpyrifos/copper（Ⅱ）SchiffbasemesoporoussilicawithpHsensitivityforpesticidesustainedrelease[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry，2016，64（43）：8095-8102.

[19]ChenHY，HuangGZ，ZhouHJ，etal.Highlyefficienttriazolone/metalion/polydopamine/MCM-41sustainedreleasesystemwithpHsensitivityforpesticidedelivery[J].RoyalSocietyOpenScience，2018，5（7）：180658.