農藥智能化控制釋放研究進展

袁會珠，閆曉靜，陳淑寧，楊代斌

（植物病蟲害綜合治理全國重點實驗室，中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193）

在現代農業生產中，農藥在保障糧食和重要農產品生產中起著保駕護航的作用。根據FAO統計數據，2020年全球農藥使用量為266.1萬t[1]，農藥使用可以挽回約37%以上的自然損失[2]。因此，農藥是現代農業生產不可或缺的投入品。現有的農藥使用方法如農藥噴霧，往往要求對作業面實施均勻覆蓋。這樣的結果就是使用到作業面上的農藥暴露于光、熱、微生物等降解因子，同時也使天敵等非靶標生物暴露于農藥的毒害作用，造成農田天敵種群和農田生態環境被破壞，生物多樣性降低以及環境污染等一系列問題。基于此，如何減少農藥使用量以及減少農藥對非靶標生物的影響一直是農藥工作者所面臨的挑戰。理想的農藥使用方式是目標靶標有害生物暴露于農藥，而非靶標害蟲不暴露于農藥，同時還可以有效減少使用到環境中的農藥活性成分與光、熱、微生物等降解因子的直接接觸。在這一目標驅動下，農藥加工和使用技術也在朝著這個目標發展和進步，農藥智能控制釋放技術是典型例子之一。

農藥智能控制釋放是在常規控制釋放系統基礎上發展而來，這些通過化學或物理手段獲得的微小顆粒，如果具有核-殼結構的囊狀結構，則定義為微囊（圖1）；如果顆粒是實心的且農藥活性成分均勻分散在整個粒子中，則定義為微球（圖1）。對于智能化控制釋放體系，一種微球的變化形式是在納米微球表面再封蓋一層特殊的蓋帽層[3]，該蓋帽層往往通過具有控制釋放功能的高分子材料與納米微球表面相連。到目前為止，絕大多數農藥智能釋放體系都制備成微囊或微球的形式。常規微囊或微球施用到環境中以后即處于持續釋放狀態，而智能控制釋放微囊或微球大多制備成納米顆粒，其中的農藥活性成分只在滿足預先設定的條件下釋放，這些預先設定的條件包括光、熱、pH、生物酶等。當一個智能釋放系統同時含有多個響應因子時，根據現有報道的當環境因子滿足人們預設的一個觸發條件時，即可觸發控制釋放顆粒的門控開關或顆粒逐漸解體而釋放其中負載的農藥活性成分。此外，水凝膠和膠束也是智能化農藥控制釋放體系的兩種形式[4-5]。在當前納米農藥為熱點的趨勢下，納米水凝膠和納米膠束是水凝膠和膠束智能釋放體系最主要的形式（圖1）。如將2,4,6-三(4-醛基苯氧基)-1,3,5-三嗪與殼聚糖枝接所得的新化合物可以在水中形成納米水凝膠，該水凝膠對熱和pH具有雙重響應[6]，而通過羧甲基將殼聚糖和光敏性鄰硝基芐相枝接所形成的新化合物，可以在水溶液中通過自組裝形成具有核-殼結構的膠束，且對活性成分的控制釋放具有光敏特征[7]。這些智能控制釋放系統往往構思巧妙，比如根據病原菌侵入植物過程中釋放纖維素酶這一特性制備纖維素包裹的殺菌劑納米顆粒，在植物體內僅當有病原菌侵入時才會釋放出殺菌劑[8]。這些構思巧妙的農藥智能釋放藥劑雖然沒有在實際生產中大規模應用，但為智能農藥緩釋制劑的發展奠定了非常良好的發展基礎。

圖1 智能農藥控制釋放體系存在的4 種形式

農藥智能控制釋放是農藥制劑學當前研究的熱點之一，因此，本文對智能釋放系統常用響應因子光、熱、pH及生物酶進行介紹，綜述了利用這些響應因子所建立的單響應因子、雙響應因子及多重響應因子智能控制釋放系統及特點，為未來農藥智能化研究提供借鑒。

1 單響應因子智能控制釋放

單響應因子智能控制釋放是指控制釋放體系僅響應一個外界環境因子而打開釋放開關，從而釋放出農藥活性成分。到目前為止，農藥智能控制釋放系統所利用的環境響應因子有4種，分別為生物酶、pH值、溫度（熱）和光。另一種比較特殊的是氧化還原觸發的智能釋放體系。在農藥領域中，氧化還原觸發的智能釋放體系一般所涉及的是控制釋放體系中功能材料所含有的二硫鍵（-S-S-）在生物體內還原型谷胱甘肽作用下發生斷裂，因而這一類智能控制釋放體系本質上是由生物體內的生物酶所觸發，本文不把這一類單獨列出。

1.1 酶促降解型控制釋放

酶促降解型控制釋放是指控制釋放體系中的壁材或基質在生物酶的作用下發生分解作用而釋放出農藥活性成分。這些生物酶包括木質素酶、果膠酶、羧酸酯酶、蛋白酶以及纖維素酶等。酶促降解型控制釋放往往具有很強的選擇性，原因在于生物酶本身對底物具有選擇性，而這些生物酶又僅在一定的生物活動或作用場所才被分泌出來。典型例子是病原菌在侵染植物的過程中會分泌一定數量的酶降解植物體來獲得營養，如木質素降解酶等。Fischer等[8]充分利用病原菌的這一特性，以木質素為基質，以吡唑醚菌酯為有效成分，采用微乳化-溶劑揮發法制備納米微球，將制備的納米微球通過樹干注射的方式施用到葡萄上，可以有效防治葡萄藤埃斯卡病，持效期可以達5年。葡萄藤埃斯卡病的防治是一個世界性難題，該病是由多種真菌侵染葡萄樹干造成，侵染的真菌生活在葡萄藤維管束，經樹干注射的吡唑醚菌酯/木質素納米微球進入葡萄藤內部后正常情況下不釋放吡唑醚菌酯，當有埃斯卡病病原真菌侵染時，其分泌的木質素降解酶降解木質素，使微球內的吡唑醚菌酯被釋放（圖2），由此達到向病原菌活動部位智能靶向施藥的效果[8]。

圖2 吡唑醚菌酯納米微球靶向釋放機制[8]

具有胃毒作用的殺蟲劑，被昆蟲取食后才發揮作用，研究者有利用昆蟲腸道消化酶設計智能釋放的例子。昆蟲腸道中含有一定量的蛋白酶（如胰蛋白酶）可以水解食物中的蛋白，利用這一特性，Monteiro等[9]制備了以玉米醇溶蛋白為基質，以檸檬烯和香芹酚為活性成分的納米粒子，相比之下該納米粒子在草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperda）中腸提取液和胰蛋白酶培養液中對活性成分的釋放遠遠高于空白對照。

中國農業大學的曹永松團隊將甲維鹽包覆在多孔二氧化硅微球中，然后通過環氧氯丙烷將羧甲基纖維素鍵合在多孔二氧化硅微球表面，該微球可以有效保護微球內部甲維鹽免受紫外線導致的光解和熱分解作用。在pH=7.0且溫度為25℃的甲醇-水（5∶95）混合液中，該微囊30 h內對甲維鹽的釋放小于10%，但纖維素酶作用1 h可以使微球釋放出28.7%的甲維鹽，30 h甲維鹽釋放率70%左右[10]。與此類似，Kaziem等[11]將介孔二氧化硅表面用N-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷處理，吸附殺蟲劑氯蟲苯甲酰胺后，利用α-環糊精（α-CD）的包合作用進行封蓋，使氯蟲苯甲酰胺完全被包覆在微孔中不能與外界接觸，但該封閉的介孔二氧化硅微球可以在α-淀粉酶作用下水解表面的α-環糊精，從而使介孔中的氯蟲苯甲酰胺被釋放。

1.2 pH響應型控制釋放

pH敏感型控制釋放是指控制系統含有對pH值變化敏感的材料，當環境中的pH值滿足控制系統中的pH值要求時，系統壁材或基質的水溶性發生改變或降解，從而釋放農藥活性成分。pH敏感材料因pH值變化而水溶性發生改變的原理在于其分子中一般含有質子（H＋）受體或供體，H＋受體與H＋結合或H＋供體失去H＋會使相應基團發生離子化，從而增加pH敏感材料的水溶性。而當pH敏感材料因pH值變化而降解時，會發生溶蝕作用，從而使有效成分得以釋放。根據智能釋放系統響應環境中pH值變化時的酸堿性，可以將這類控制釋放體系中的pH敏感材料分為三類[12]。

（1）在酸性條件下發生響應

功能材料在酸性條件下發生響應分兩種情況。第一種情況是pH敏感材料分子中的相關功能團與酸性環境中的H＋結合，與H＋結合后的相關分子溶解，從而釋放農藥活性成分。典型酸性敏感材料為殼聚糖，殼聚糖分子長鏈中含有大量胺基（-NH2），在堿性條件下殼聚糖為水不溶性高分子，但在酸性條件下殼聚糖分子長鏈中含有的胺基與H＋結合，可以使其溶解性增加。

第二種情況是在酸性條件下功能材料直接發生降解，典型例子是金屬有機骨架ZIF-8（沸石咪唑酯骨架材料），ZIF-8是由鋅離子（Zn2＋）與2-甲基咪唑（2-MiM）配位而成的一類金屬有機骨架，表現出良好的生物相容性和酸性環境敏感性，在一般正常生理條件下保持穩定，而在酸性條件下解體，是藥物學中藥物運輸和緩釋的理想載體之一。在農藥學領域中也有人利用ZIF-8在酸性條件下解體的特性制備農藥智能控釋體系。例如，馬鈴薯青枯病是由茄科雷爾氏菌（Ralstonia solanacearum）引起，在酸性土壤中發病嚴重。為了充分利用馬鈴薯青枯病在酸性土壤中發病嚴重這一發病特征，分別以ZnO納米粒子和ZIF-8為內核和外殼，制備負載黃連素（berberine，Ber）的納米粒子Ber@ZnO-ZIF-8，Ber@ZnO-Z-8在酸性條件下首先發生ZIF-8外殼降解，釋放出黃連素，然后ZnO內核在酸性條件下進一步降解釋放出Zn2＋，釋放出的Zn2＋對黃連素殺菌活性具有增效作用，以EC50計算，Ber@ZnO-Z相比黃連素活性增加4.2倍[13]。

（2）對堿性條件敏感

功能材料在堿性條件下發生響應也分兩種情況。第一種情況是pH敏感材料分子中的相關功能團失去H＋，失去H＋后的壁材溶脹或溶解，從而釋放農藥活性成分。這一類pH敏感材料分子中一般含有羧基（-COOH）、磺酸基（-SO3H）或磷酸基（-PO3H2），堿性條件下失去H＋后發生溶脹和溶解。這類pH敏感材料用得比較多的是羧甲基纖維素和羧甲基葡聚糖以及它們的衍生物。例如將羧甲基纖維素鈉溶于水，與氧化鋅懸浮液混合后滴加到FeCl3水溶液中，羧甲基纖維素與Fe3＋交聯形成微囊。該微囊在pH為7.4時，吸水率比pH為6.8和1.2更大，且在pH為6.8時的釋放率高于pH為1.2[14]。

第二種情況是功能材料在堿性條件下發生降解。這類控制釋放系統中常用的功能材料是聚乳酸［poly(lactic acid), PLA］。PLA是以乳酸為主要原料聚合得到的聚酯類聚合物，因其環境和生物相容性好而廣受關注。堿性條件下，PLA在水中易水解且水解產生的羧基可以被有效中和，從而有利于PLA降解。例如康奈爾大學學者Alan Taylor等將莠去津包裹在以PLA和微晶纖維素混合物為壁材的微囊中，用該微囊處理播種番茄種子的土壤，在播種后21 d用pH為7.5緩沖液澆灌，10 d后pH為7.5緩沖液處理幼苗死亡，但對照幼苗生長良好。

（3）僅在中性條件下穩定，對酸堿都敏感的pH敏感材料。例如，將聚甲基丙烯酸鐵（PMAA/Fe3＋）包裹于雙模型介孔二氧化硅（bimodal mesoporous silica，BMMs）顆粒表面形成納米載體BMMs-PMAA/Fe3＋，然后將殺菌劑咪鮮胺（prochloraz,Pro）負載到納米載體BMMs-PMAA/Fe3＋上形成納米顆粒Pro@ BMMs-PMAA/Fe3＋。包覆在BMMs表面的PMAA/Fe3＋是通過Fe3＋與PMMA上的羧基結合而形成，該結構在中性條件下是穩定的，但在酸性或堿性條件下都能發生解離，解離后釋放出目標化合物咪鮮胺，發揮功效[15]。

1.3 溫度響應型控制釋放

溫度敏感材料對溫度的響應有不同機制，根據不同相應機制可以分為3種情況：第一種情況是隨溫度變化，溫度敏感材料在水中的疏水性能或膨脹性能發生變化，這一類溫度敏感性材料往往用作微囊的囊壁材料；第二種情況是隨溫度變化材料從固體變為液體，這一類溫度敏感性材料往往用作微囊的囊芯材料，如正十六烷和二甲亞砜的熔點均在18℃左右，隨溫度上升從固體變成液體，有利于活性成分的溶出；第三種情況是隨溫度上升，溫度敏感物質發生分解，這類溫度敏感性材料也往往用作囊芯材料，如碳酸氫銨。

（1）溫度變化引起功能材料膨脹性能或水溶性發生改變

很多有機化合物的膨脹性能和水溶性都受溫度影響。在農藥智能釋放體系中，溫度敏感性材料最常用的是聚(N-異丙基丙烯酰胺)［poly(N-isopropylacrylamide)，PNIPAM］，PNIPAM由于其大分子側鏈上同時具有親水性的酰胺基—CONH和疏水性的異丙基—CH(CH3)2，線型的PNIPAM水溶液及交聯后的PNIPAM水凝膠呈現出溫度敏感特性。常溫下，線型的PNIPAM溶于水，形成均勻的水溶液，當溫度逐漸升高至其溶液臨界溫度下限值（lower critical solution temperature, LCST）時，溶液發生相分離。交聯的PNIPAM不溶于水，但在室溫下溶脹，當溫度逐漸升高至相變點時，其膨脹性能顯著下降，體積發生皺縮而析出水分，其所包覆的農藥有效成分也隨之得以釋放（圖3）。PNIPAM的LCST與人的體溫相近，約32℃，但通過與親水性或疏水性單體共聚也可以升高或降低PNIPAM類聚合物的LCST[16]。例如，王寧等[17]以N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸丁酯的共聚物為壁材，采用乳液聚合法制備了溫度響應型吡唑醚菌酯微囊，該微囊呈球形，平均粒徑為1.04 μm，包封率為78.3%，載藥量為15.7%，低臨界溶解溫度（LCST）為28.2℃。當環境溫度高于28.2℃時，能夠快速釋放吡唑醚菌酯；而低于該溫度時，其釋放行為受到抑制，由此能將吡唑醚菌酯對斑馬魚的毒性降低90倍以上，從而顯著提高吡唑醚菌酯對水生生物的安全性。

圖3 交聯的PNIPAM 在水溶液中加熱至溫度（T）高于臨界溫度下限值（LCST）時析出農藥活性成分

（2）溫度變化引起囊芯材料相變

在農藥智能控制系統中，對于溫度變化引起相變的材料，一般是將農藥活性成分與相變材料一起包覆于微囊中形成囊芯，當溫度變化時囊芯發生相變，囊芯中的農藥活性成分隨著相變材料一起被釋放出來。如小菜蛾（Plutella xylostella）作為一種嚴重為害十字花科植物的害蟲，其生長發育受溫度影響較大，在18℃以下時，其幼蟲生長發育水平顯著降低。根據這一特性制備以毒死蜱為殺蟲成分的溫度敏感型微囊，該微囊以正十六烷和毒死蜱為囊芯，囊壁是以異佛爾酮二異氰酸酯和纖維素反應生成，正十六烷的熔點為18.17℃，測定結果顯示在15～35℃范圍內，微囊對毒死蜱的釋放隨著溫度的增加而增加，生物測定結果也顯示毒死蜱微囊對小菜蛾的防治效果也隨環境溫度的上升而增加[18]。

（3）溫度敏感物質受熱分解

溫度敏感物質受熱分解的情況一般適用于微囊。受熱分解釋放型微囊是指在一定溫度下微囊中的部分材料受熱分解后形成微孔，囊芯物質從新形成的微孔中釋放。碳酸氫銨是典型的受熱分解物質。中國科學院吳正巖團隊以凹凸棒土為吸附材料將草甘膦吸附，吸附草甘膦的微粒與生物炭混合，再用硅油和乙基纖維素包裹，形成的微囊以碳酸氫銨為溫度敏感性材料，受熱分解形成的CO2和NH3逸出時形成微孔，由此形成的微孔導致草甘膦釋放[19]。此外，該團隊也成功制備凹凸棒土-碳酸氫銨-草甘膦為囊芯，以氨基硅油和聚乙烯醇為壁材的微囊，也在受熱條件下因碳酸氫銨分解釋放CO2和NH3而釋放草甘膦[20]。另一例子是在以交聯明膠為壁材的微囊中，碳酸氫銨和2,4-D共同存在于囊芯中，明膠受熱溶解度增加可使微囊的通透性增加，碳酸氫銨受熱分解釋放的CO2和NH3，因而在受熱條件下可導致囊芯中的2,4-D釋放[21]。

1.4 光敏性控制釋放

應用于農藥智能緩釋領域的光敏劑在光照條件（如紫外、近紅外）下發生化學反應或將光能轉變為熱能，從而使目標化合物從緩釋體系中釋放。如果是通過光敏劑發生化學反應進行控制釋放，一般將光敏劑通過化學作用與農藥活性成分枝接在一起形成新化合物，該新化合物遇光分解，從而釋放出活性成分，如將3-硝基-4-溴甲基苯甲酸（3-Nitro-4-bromomethylbenzoic acid，NBA）與聚乙二醇［poly(ethylene glycol)，PEG］通過酯鍵連接形成化合物NBA-PEG，然后再將2,4-D與NBA-PEG枝接，最終得到的新化合物2,4-D-NBA-PEG，同時含有光敏基團鄰硝基芐和2,4-D，又因為2,4-D-NBA-PEG中含有聚乙二醇基，可以在水中形成具有核殼結構的膠束。2,4-D-NBA-PEG在紫外光照射條件下發生裂解，釋放出2,4-D[22]。

利用光敏劑在光照條件下的光敏致熱效應，即將光敏性物質嵌入在微囊的囊芯或囊壁材料中，吸收某一波段的光之后，利用光熱效應令微囊溫度升高，從而調控農藥活性成分釋放。應用于農藥智能緩釋領域具有光敏致熱效應的光敏劑既有有機光敏劑，也有無機光敏劑。

具有光敏致熱效應的有機光敏劑包括香豆素、鄰硝基芐、7-硝基吲哚啉、聚吡咯等及其衍生物[22]。黨文文等[23]以明膠-聚吡咯為光敏感復合體系構建多菌靈光敏復合水凝膠，該水凝膠利用聚吡咯吸收光能產熱，體系溫度升高導致明膠/聚吡咯水凝膠因溶脹性能降低而發生皺縮，溫度越高水凝膠的溶脹性能越低，多菌靈釋放越快。在有機光敏劑中受到關注的另一個光敏劑是聚多巴胺（polydopamine，PDA）。聚多巴胺是近紅外吸收材料，其在生物體內能完全降解，細胞毒性小。據報道聚多巴胺將光能轉化為熱能，熱轉換效能高達40%，而傳統的金納米粒子（納米金）的光熱轉換效能才22%[24]。聚多巴胺還有一個好處是其可由多巴胺在弱堿性條件下自聚而得。Xu等[25]在聚多巴胺微球表面另覆蓋一層PNIPAM形成PDA@PNIPAM納米粒子，將其負載殺蟲劑吡蟲啉，當吸收近紅外光后將光能轉換為熱能，PDA@PNIPAM納米粒子表面的PNIPAM受熱皺縮而釋放出吡蟲啉（圖4）。

圖4 PDA@PNIPAM 納米粒子的制備及吸光致熱釋放出吡蟲啉[25]

常用的具有光敏致熱效應的無機光敏劑包括納米金和納米金剛石，其具有吸收光能產熱作用。例如在吡蟲啉微囊制備過程中加入納米金剛石和前文述及的NIPAM，納米金剛石吸收光能產熱，體系溫度升高導致NIPAM皺縮，釋放出吡蟲啉，從而賦予吡蟲啉微囊光敏性能，實現微囊中吡蟲啉的可控釋放[26]。

自爆型微囊是一類非常特殊的控制釋放微囊。大多數情況下，活性成分包覆于微囊中，在使用環境中微囊對有效成分的釋放是長時間逐漸釋放，以延長活性的持效期。但有些情況下，活性成分的釋放是快速的，屬于自爆型微囊，將活性成分微囊化的目的在于降低活性成分對非靶標生物的毒性等。住友公司于2012年報道了吡丙醚聚氨酯自爆型微囊，該微囊在水中能保持微囊形態，但微囊四周水分完全蒸發后，微囊自動破裂，將囊芯中的吡丙醚快速釋放[27]。這種微囊適用于對水生生物毒性較高的活性成分，當這種微囊噴施于水稻田后，沉積于葉片表面的微囊在水分蒸發后囊壁破裂，快速釋放出活性成分，防治水稻病蟲害，而流失到水體中微囊則可以維持微囊形態，有效減少活性成分與水生生物的直接接觸，從而降低活性成分對水生生物的直接毒性。理論研究表明，這種自爆型微囊在水分蒸發后破裂與否與囊壁的厚度和柔軟性有關，即較薄的聚氨酯囊壁在水分蒸發后易破裂，軟囊壁相比硬囊壁更易破裂，如相同條件下乙二醇與六亞甲基二異氰酸酯加成所得的聚氨酯囊壁比乙二醇與甲苯二異氰酸酯加成所得的聚氨酯囊壁更軟，在水分蒸發后易破裂[28]。

自爆型微囊最成功的例子是巴斯夫公司2015年上市吡唑醚菌酯自爆型微囊防治水稻稻瘟病。吡唑醚菌酯具有殺菌譜廣和活性高的特點，但對水生生物毒性高。水稻葉面噴施吡唑醚菌酯自爆型微囊后，沉積在水稻葉面上的霧滴水分蒸發后，微囊囊壁破裂，有效成分迅速釋放，有利于吡唑醚菌酯快速殺死病原真菌。而落入水中的微囊能保持穩定不破裂，提高了吡唑醚菌酯對水生生物的安全性。2017年劉峰團隊也報道了利用單寧酸與Fe3＋結合形成微囊囊壁制備的吡唑醚菌酯微囊具有類似的自爆特性[29]。

2 雙響應因子智能控制釋放

農作物生長的環境是變化多樣的，單一響應因子控制的農藥活性成分釋放往往不能滿足病蟲草害防治的需求。因此，隨著智能控制技術的發展，雙因子響應觸發的智能釋放報道越來越多。一般情況下，雙因子控制釋放體系中的兩個響應因子獨立控制活性成分的釋放，因而外界條件滿足雙因子控制釋放體系中的一個響應條件即可打開釋放開關。為了構建這些雙因子控制釋放體系，一種情況是將兩種不同響應特性的功能材料混入控制釋放體系中，另一種情況是通過分子枝接的方法將兩種不同響應特性的功能基團枝接到同一個分子中。

在雙響應因子智能控制釋放體系中，響應因子生物酶、pH、光、溫度4種兩兩組合構建不同的雙響應因子智能控制釋放體系，其組合方式見圖5。到目前為止，這些兩兩組合構建的雙響應因子智能農藥控制釋放體系均有文獻報道，現分述如下。

2.1 pH/生物酶雙重響應控制釋放

pH/生物酶雙重響應控制釋放體系中利用比較多的材料是羧甲基纖維素及其衍生物。羧甲基纖維素中的纖維素結構可以被自然界中的纖維素酶分解，而分子中的羧基在不同pH值條件下呈現不同狀態。在堿性條件下，羧基失去質子呈現負離子狀態，可以高度吸漲，而羧基在酸性條件下與質子結合，不易吸漲[30]。羧甲基纖維素的鈉鹽是其通常存在狀態，因其羧基呈現負電荷狀態，不能負載帶有負電荷基團的化合物如阿維菌素分子，因而往往對羧甲基纖維素進行枝接，使之具有更強或更廣泛的負載能力。例如將二甲基二烯丙基胺枝接到羧甲基纖維素上，其所具有的陽離子可以吸附具有負電荷的農藥分子。Liu等[31]將二烯丙基二甲基胺枝接到羧甲基纖維素上制備阿維菌素納米微球，該納米微球對阿維菌素包覆率72.1%，可以在纖維素酶和pH值雙重響應因素下釋放阿維菌素。

2.2 生物酶/溫度雙重響應控制釋放

這類智能釋放體系中常用的功能材料母體是環糊精類化合物[32-33]。如β-環糊精（β-CD）常用于包合農藥分子，其可以被麥芽糖淀粉酶所分解[34]，將熱敏基團的單體與β-環糊精共聚可形成生物酶/溫度雙重響應共聚物。例如，將丙烯酸卡必酯［di(ethylene glycol)ethyl ether acrylate，DEGA］和丙烯酸-2-羥基乙酯（2-hydroxyethyl acrylate，HEA）與β-CD共聚得到星形共聚物具有熱敏效應，在水溶液中可以自組裝形成納米膠束，對包覆的農藥和醫藥活性成分釋放具有生物酶和溫度雙重響應[33,35]。

2.3 生物酶/光雙重響應控制釋放

到目前為止，已報道的具有生物酶/光雙重響應功能的農藥智能釋放體系相對較少。例如，偶氮苯及其衍生物具有在紫外光照下分子構象發生改變的特性。將偶氮苯-4-苯甲酸［4-(Phenylazo) benzoic acid，PBA］分子通過酯鍵連接到聚乙二醇單甲醚［Poly(ethylene glycol) monomethyl ether］分子上形成具有兩親特征的mPEG-PBA，mPEG-PBA在水溶液中能自組裝形成具有核殼結構的納米膠束，該納米膠束能包覆原卟啉IX（既具有抗腫瘤活性，也具有殺蟲活性），所包覆的原卟啉IX在紫外光照射和羧酸酯酶作用下能被釋放[36]。

2.4 光/pH雙重響應控制釋放

將具有光響應功能和pH響應功能的兩種功能材料同時引入到控制釋放體系中可以賦予釋放體系光/pH雙重響應功能。例如浙江大學趙金浩團隊制備了光和pH雙重響應的有機金屬骨架智能控釋納米顆粒PD@ZIF-8。該納米顆粒采用“一鍋法”制得，分別以咪鮮胺（prochloraz, Pro)和2,4-二硝基苯甲醛（2,4-dinitrobenzaldehyde, Da）為殺菌劑有效成分和光敏試劑，在紫外光照條件下2,4-二硝基苯甲醛能釋放出H＋，而ZIF-8在酸性條件下發生降解釋放出咪鮮胺（圖6）。此外，如果沒有紫外光照，ZIF-8本身在酸性條件下也能發生降解而釋放出咪鮮胺。因此，PD@ZIF-8是對光照和pH雙重響應的納米粒子[37]。

圖6 納米顆粒PD@ZIF-8 響應紫外（UV）光照或酸性條件下釋放農藥活性成分[37]

2.5 光/溫度雙重響應控制釋放

將含有光敏基團的單體與熱敏基團的單體共聚可以得到光/溫度雙重響應的高分子材料。如趙義平等[38]采用自由基共聚合方法，將丙烯酰胺基偶氮苯（AAAB）與N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）共聚，制備了一種具有溫度和紫外光雙重響應性的P（NIPAM-co-AAAB）共聚凝膠，該凝膠的LCST與共聚單體的配比（NIPAM/AAAB）有關，共聚配比為98∶2和95∶5的共聚凝膠的LCST分別約為30～32℃和27～29℃。與此類似，將乙烯基己內酰胺（vinylcaprolactam，VCL）與N-羥甲基丙烯酰胺（N-hydroxymethyl acrylamide，NHMA）共聚得到的共聚凝膠P（VCL-co-NHMA）對紫外光和溫度具有雙重響應特性[39]。

此外，利用具有吸光致熱效應光敏材料加工的控制釋放體系也可以制備光/溫度雙重響應控制釋放體系。如圖7，分別以CaCO3和多巴胺為模板和碳源合成中空的碳微球（hollow carbon microspheres，HCMs），再將吡蟲啉負載到HCMs，然后用PEG和α-CD將負載有吡蟲啉的HCMs封蓋形成控釋體系HCMs/IMI/PEG/αCD。這種封蓋作用是由于PEG的長鏈進入α-CD空腔后在HCMs表面形成凝膠層，凝膠層可以將吡蟲啉封閉在HCMs。在光照條件下，控制釋放體系中的多巴胺吸光致熱，使PEG和α-CD形成的凝膠層遭到破壞，從而釋放出吡蟲啉[40]。

圖7 具有吸光致熱效應的HCMs/IMI/PEG/α-CD 控釋體系負載和釋放吡蟲啉[40]

2.6 溫度/pH雙重響應釋放

溫度/pH雙重響應納米粒子在腫瘤藥物研究中應用特別廣泛，原因在于腫瘤會引起發生部位溫度升高和pH值降低，具有溫度/pH雙重響應的納米腫瘤藥物因而具有很強的靶向性[41]。在醫學領域中的溫度/pH雙重響應納米粒子往往是將具有溫度響應功能和pH響應功能的基團枝接到同一個分子中。農藥學領域中也有類似的例子。例如，為了解決吡唑醚菌酯對光不穩定和水生生物毒性高的問題，黃啟良團隊將甲基丙烯酸-2- (N,N-二甲基) 胺基乙酯（2-dimethylaminoethylmethacrylate，DMAEMA）與殼聚糖（chitosan，CS）共聚形成CS-g-PDMAEMA，以CS-g-PDMAEMA為囊壁制備吡唑醚菌酯微囊，該微囊對吡唑醚菌酯的釋放具有溫度/pH雙重響應效應，原因在于CS-g-PDMAEMA分子中含有的殼聚糖部分具有pH響應效應，而PDMAEMA部分同時具有溫度和pH響應效應[42-43]。

在農藥學領域中，另一種具有溫度/pH雙重響應的控制釋放體系是在控制釋放體系中分別引入對溫度和pH敏感性材料，從而賦予所制得控制體系對溫度和pH雙重敏感特性。例如陳福良團隊采用噴霧造粒法制備負載呋蟲胺的殼聚糖-明膠微球，該微球中的明膠具有溫度響應效應，在10～30℃范圍內，隨著溫度升高，呋蟲胺的釋放增加；微球中的殼聚糖具有pH響應效應，在pH為5～10范圍內，隨著pH值升高呋蟲胺的釋放也增加[44]。

2.7 雙生物酶響應控制釋放

雙生物酶響應控制釋放體系是指控制釋放體系對農藥活性成分的釋放可以由兩種不同的生物酶所觸發。中國農業大學的曹永松團隊在介孔納米二氧化硅微球中引入雙硫鍵，吸附阿維菌素后，在納米微球表面再用功能化淀粉封蓋。昆蟲取食含有阿維菌素的納米微球后，昆蟲體內谷胱甘肽降解雙硫鍵，α-淀粉酶水解淀粉，從而實現納米微球對阿維菌素的智能釋放[45]。同樣，該團隊用雙硫鍵將介孔納米二氧化硅微囊與果膠相連，其中的微囊中事先負載春雷霉素，負載的春雷霉素可以在谷胱甘肽和果膠酶的作用下被釋放[46]。

3 多重響應因子智能控釋釋放

多重響應因子智能控制釋放體系能夠在更多環境因子觸發下釋放農藥活性成分，從而使控制釋放體系的使用范圍更廣。但賦予控制釋放體系更多的觸發條件必然增加產品的制備工藝難度，也相應增加其加工成本。有鑒于此，一個控制釋放體系中具有三重或更多智能響應因子的例子不多。類似前述提到的雙因子控制釋放體系，當外界條件滿足多重響應因子智能控釋釋放體系中的一個響應因子即可觸發釋放。Zhao等[47]將羧甲基纖維素與胱胺（分子中含有雙硫鍵）反應生產含有雙硫鍵和胺基的纖維素衍生物，然后在十六烷存在的條件下與異佛爾酮二異氰酸酯反應生成包覆有阿維菌素的微囊，反應生產的囊壁材料中含有的雙硫鍵、脲基和纖維素，囊芯中含有的十六烷（在20.1℃下能發生相變，從固態變為液態）均是釋放響應因子。因為昆蟲體內谷胱甘肽降解雙硫鍵，脲酶可以降解脲基，纖維素酶可以降解纖維素，測試結果表明，制得的微囊在谷胱甘肽作用下48 h內可以使大部分微囊的囊壁裂解，失去球形結構，從而釋放被包覆的阿維菌素[47]。Shan等[48]共聚合成了如圖8所示具有三重響應特性的高分子聚合物P2。聚合物P2在水溶液中可以自組裝成納米膠束，納米膠束對阿維菌素的包覆率約32%，包覆的阿維菌素在貯存過程中對紫外光和高溫表現穩定。聚合物P2中含有雙硫鍵和酯鍵，昆蟲體內的谷胱甘肽和羧酸酯酶可以分別降解雙硫鍵和羧酸酯基。在此基礎上，聚合物P2中的羧酸酯基也可以在堿性條件下水解斷裂。另一個多重響應控制釋放的例子是將Fe3O4用柱芳烴CP[5]A（carboxylatopillar[5]arene ammonium）修飾得到CP[5]A-Fe3O4，再將介孔二氧化硅納米微球（HMSN）用CP[5]A-Fe3O4封蓋得到HMSN/CP[5]A-Fe3O4控釋體系，負載有赤霉酸GA3的控釋體系GA3-HMSN/CP[5]A-Fe3O4可以在pH＞5或pH＜4、1,4-丁二胺和超聲條件下釋放出GA3[49]。GA3-HMSN/CP[5]A-Fe3O4的封蓋層中含有Fe3O4，可以在磁場作用下去除封蓋層，也就是說可以在遠程條件下通過施加外部磁場釋放GA3。

圖8 具有三重響應（谷胱甘肽、羧酸酯酶、堿性）特性高分子聚合物P2 的合成路線[48]

4 總結與展望

農藥智能化控制釋放是農藥制劑領域的研究熱點之一。與傳統農藥或傳統控制釋放農藥相比，農藥智能化控制釋放體系中的農藥成分在使用環境中的生物酶、pH值、溫度和光等滿足特定的釋放條件時才被釋放，因此可以有效減少農藥使用量和減輕農藥對非靶標生物的不利影響。農藥智能控制釋放體系已經從單響應因子控制釋放發展為雙響應因子和多重響應因子控制釋放，使得農藥智能控制釋放具有更廣闊的應用前景。但目前農藥智能控制釋放制劑大多停留在實驗室階段，產品市場化的例子非常少，巴斯夫公司吡唑醚菌酯自爆型微囊用于防治水稻稻瘟病是成功市場化的例子之一，也是農藥智能釋放領域中的里程碑事件。農藥智能控制釋放制劑產品市場化較少的可能原因是加工工藝復雜和加工成本過高。在未來的農藥智能控制研究中，如果能進一步考慮加工工藝的產業化可能性和成本控制，將有更多農藥智能化控制釋放制劑產品市場化。農藥智能控制釋放制劑產品市場化例子非常少的另一個原因是智能釋放的觸發條件在實驗室條件下很容易滿足，但在復雜多變的農業種植環境往往是不可控制的，生產企業或種植戶很可能不能掌握滿足智能釋放的觸發條件，這一不利條件還有待于農藥制劑研究者加強教育力度和培訓生產企業或種植戶有關農藥智能釋放的知識，提升公眾對智能農藥的認可度和接受程度，以此推動農藥智能化的進一步發展。