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  • ISSN 1006-3080
  • CN 31-1691/TQ
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瞬时纳米制备技术在高效、经济制备纳米农药中的运用

    作者简介: 邵川华(1997-),男,江苏常州人,硕士生,主要研究方向为纳米水分散体系的制备。E-mail:3288615504@qq.com;
    通讯作者: 朱正曦, zhuzx@yzu.edu.cn
  • 中图分类号: S-1

Efficient and Economical Production of Nanopesticides via Flash Nanoformation Technology

    Corresponding author: ZHU Zhengxi, zhuzx@yzu.edu.cn
  • CLC number: S-1

  • 摘要: 纳米农药因其粒径小、药力高、分散性好等优势,受到人们的日益青睐。然而,受制于现有的农药制剂技术,纳米农药的生产制备成本普遍较高,尚未能在以量换利的农药领域获得较好应用。近年,在国家农药减施增效的政策引导下,纳米农药的应用刻不容缓,本综述将介绍一种高效制备超高负载纳米水分散体系的新技术-瞬时纳米制备(flash nanoformation, FNF)技术,该技术可实现纳米农药的快速、大量、经济制备。
  • 图 1  通过FNP法快速射流撞击共混及纳米颗粒瞬时形成的过程演化示意图(获得文献[19]允许改编后重新印刷,美国化学会版权所有2014)

    Figure 1.  Physical process of nanoparticle formation by impinging jet mixing and flash nanoprecipitation (Adapted with permission from literature [19], Copyright 2014 American Chemical Society)

    图 2  RFNP法制备纳米颗粒过程图(获得文献[9]允许重新印刷,美国化学会版权所有2007)

    Figure 2.  Process of nanoparticle formation by RFNP (reprinted with permission from literature [9], Copyright 2007 American Chemical Society)

    图 3  FNP法所制备的纳米颗粒用于小番茄的抗菌[40]

    Figure 3.  Preparation of fungicide nanoparticles via FNP for treating with cherry tomatoes [40]

    图 4  通过FNP制备PEG-b-PLA稳定的λ-三氟氯氰菊酯纳米水悬浮剂(获得文献[31]允许重新印刷,美国化学会版权所有2018)

    Figure 4.  Preparation of PEG-b-PLA stabilized λ-cyhalothrin nanosuspension via FNP (Reprinted with permission from literature [31], Copyright 2018 American Chemical Society)

    图 5  通过FNP法制备由PEG-b-PLGA, PEG-b-PLA和PEG-b-PCL分别稳定的阿维菌素纳米水悬浮剂[32]

    Figure 5.  Preparation of PEG-b-PLGA, PEG-b-PLA or PEG-b-PCL stabilized abamectin nanosuspension via FNP[32]

    表 1  传统农药剂型及其特点

    Table 1.  conventional dosage forms of pesticides and their characteristics

    Pesticide formCharacteristics
    Aqueous solutions,ASMajor loss after usage, short effective period, and frequent applications
    Dustpowder,DPEasy to cause dust pollution and excessive application
    Fumicants,FUEasy to cause dust pollution and untargeted anemochory spread
    Granule,GGLow active and high additive contents
    Emulsifiable concentrate,ECHigh content of organic solvent, high cost, and high toxcicity
    Suspending concentrate,SCWater as dispersing medium lowering toxicity, odor, and volatility
    Emulsifiable water,EWWater as dispersing medium lowering toxicity, odor, and volatility
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    表 2  各种有机化合物的δ及ACDlgP值与纳米颗粒稳定性的相关性(获得文献[19]允许改编后重新印刷,美国化学会版权所有2014)

    Table 2.  δ and ACDLogP of various organic compounds against nanoparticle stability (adapted with permission from literature [19], Copyright 2014 American Chemical Society)

    Organic compoundδ/ (MPa1/2)a)ACDlgPStability
    Hydrocortisone23.21.43±0.47No particle
    Odanacatib29.72.92±0.85No
    Curcumin22.82.92±0.48No
    Itraconazol19.14.35±1.22No
    Hydrocortisone ethoxysilicate21.26.37±0.72No
    Paclitaxel22.37.38±0.83No
    Betulin18.79.01±0.39No
    Vitamin E succinate18.511.88±0.30Yes
    Paclitaxel 2’-triethoxysilicate21.413.09±1.00Yes
    Paclitaxel 2’-trii-propoxysilicate21.014.13±1.01Yes
    β-carotene17.815.51±0.43Yes
    Paclitaxel 2’,7-bis(triethoxysilicate)20.818.36±1.15Yes
    Tetramenthoxysilane16.718.66±0.66Yes
    a) Estimated with the Hoye method as well as assumed to treat the Si atom as a C atom
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-24
  • 网络出版日期:  2020-10-09

瞬时纳米制备技术在高效、经济制备纳米农药中的运用

    作者简介:邵川华(1997-),男,江苏常州人,硕士生,主要研究方向为纳米水分散体系的制备。E-mail:3288615504@qq.com
    通讯作者: 朱正曦, zhuzx@yzu.edu.cn
  • 扬州大学化学化工学院,江苏 扬州 225009

摘要: 纳米农药因其粒径小、药力高、分散性好等优势,受到人们的日益青睐。然而,受制于现有的农药制剂技术,纳米农药的生产制备成本普遍较高,尚未能在以量换利的农药领域获得较好应用。近年,在国家农药减施增效的政策引导下,纳米农药的应用刻不容缓,本综述将介绍一种高效制备超高负载纳米水分散体系的新技术-瞬时纳米制备(flash nanoformation, FNF)技术,该技术可实现纳米农药的快速、大量、经济制备。

English Abstract

  • 发展高效低毒农药对于实现农药的减施增效、降低环境污染、促进农药产业可持续发展具有重要意义。在当前的农药研发中,新型农药化合物的创制日趋艰难,而通过先进的剂型加工技术以提高药效、充分发挥有效成分的活性,已成为实现农药减施增效的重要途径之一[1]。纳米技术在20世纪八、九十年代快速崛起,致力于研究1 μm之下的物质聚集态结构及其性能。纳米材料具有小尺寸及高比表面积,呈现出异于常规材料的性能及高效用。纳米农药因受成本及发展新创制手段的制约,起步较晚。近10多年来,迫于环保、健康、社会和经济可持续发展的压力,纳米农药的开发受到国际学术及工业界的高度关注,取得了较快的发展。纳米农药不仅使用浓度低、农残少、对环境污染小,而且还能降低病虫害抗性的产生几率。2019年,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)将纳米农药列为能改变世界的10大化学新兴技术之首,美国环保署(EPA)、欧盟以及联合国经济合作与发展组织(OECD)等也曾先后颁布了关于纳米农药生产、使用及安全性能评价的规定或标准[2-3]。但由于农药产品需求量大、单位利润率较低,传统制备方法,如机械研磨、高压均质、超声、滴加搅拌等,耗时长、耗能高、能量利用率低,或设备相对昂贵,纳米农药的高效、经济制备存在技术瓶颈,越来越受到研究和开发者的关注。本文综述介绍一种有望解决这一难题的纳米制备技术−瞬时纳米制备(flash nanoformation, FNF)技术,为纳米农药的高效、经济生产开辟新途径。

    • 根据人们对纳米材料的广义认识,纳米农药颗粒至少在某一维度上的尺寸在1 μm以下,有学者将含特定“纳米”前缀物质微粒的农药制剂,如纳米复合物、纳米负载体、纳米颗粒等,都称作纳米农药制剂。

    • 根据农药分子的不同物理化学性质,以及农药的不同施用场景,其原药会被加工成不同剂型。如表1所示,常见剂型包括:水剂、粉剂、烟剂、粒剂、乳油、水悬浮剂、水乳剂等。随着人们环保意识的日益增强,部分剂型被大幅减供或逐渐淘汰,如易导致扬尘的粉剂和烟剂,含有大量有毒易挥发溶剂的乳油等。而以水作为分散媒介的水悬浮剂和水乳剂,凭借其良好的环保性能,受到市场的一致认可。此外,因其颗粒具有纳米级的小尺寸和高的比表面积,普遍能展现出较高的药效和较好的病虫害防治效果。

      Pesticide formCharacteristics
      Aqueous solutions,ASMajor loss after usage, short effective period, and frequent applications
      Dustpowder,DPEasy to cause dust pollution and excessive application
      Fumicants,FUEasy to cause dust pollution and untargeted anemochory spread
      Granule,GGLow active and high additive contents
      Emulsifiable concentrate,ECHigh content of organic solvent, high cost, and high toxcicity
      Suspending concentrate,SCWater as dispersing medium lowering toxicity, odor, and volatility
      Emulsifiable water,EWWater as dispersing medium lowering toxicity, odor, and volatility

      表 1  传统农药剂型及其特点

      Table 1.  conventional dosage forms of pesticides and their characteristics

    • 悬浮剂是现代农药中十分重要的剂型之一,是FAO推荐的四种环保剂型之一。悬浮剂是由固态物质分散在液态媒介中所形成的分散体系,在农药应用中常以水作为分散媒介,常规通过机械研磨、高压均质细化、超声波破碎、滴加搅拌沉淀等方法制备。纳米水悬浮液中被分散的固体颗粒粒径在纳米级,具有大的比表面积和渗透性,常表现出高药效。

      纳米水悬浮剂以水为分散介质,被分散的颗粒粒径小,具有下列特效:

      (1)能有效改善难溶性农药在水中的分散度,具有较好的悬浮稳定性;

      (2)具有较大的比表面积,有利用增强农药在植物叶面的渗透性与黏附性,提高农药的生物利用度,有助于农药的减施增效,降低农药对环境的污染;

      (3)主要成分为水,大大降低甚至可避免有毒有害溶剂的使用,臭味低,田间调配及施用简单,施用过程更安全、对人畜更友好、对环境影响较小;

      (4)不易挥发,不易燃易爆,在运输和存储过程中具有较好的安全性。

    • 水乳剂是将不溶于水的液态原药或溶有原药的油状溶液分散于水中所形成的一种制剂,与水悬浮剂一样也是以水为分散媒介,是一种绿色环保的安全剂型。水乳剂常通过机械细化的方式制备,如高速剪切、高压均质等。而纳米水乳液具有纳米级的细小液滴,比表面积大,常规制备途径需要更高的机械能输入或添加大量的表面活性剂。

      纳米水乳液以水为分散介质,有效成分液滴粒径小,具有如下特性:

      (1)液滴的布朗运动剧烈,能较有效地克服液滴的沉降或漂浮,体系具有更好的存储稳定性;

      (2)比表面积大,有助于药物在靶标表面的附着、沉积、渗透,从而提高药物利用率;

      (3)更小的液滴具有更高的扩散速率及渗透能力,易于穿透动植物组织及细胞半透膜,缩短起效时间、提高药效,有助于农药的减施增效;

      (4)以水为主要成分,有机溶剂添加量大幅降低,低挥发性异味低,田间调配及施用简单,施用过程更安全、对人畜和环境更友好。

      (5)与常规乳液相比,相同浓度的纳米乳液对光散射的程度大大降低,可呈透明或半透明状。

    • 水难溶性农药的分散是制约其被有效利用的最重要因素之一。与传统剂型相比,纳米农药制剂具有粒径小、比表面积大、黏附能力强等特性,可以改善水难溶农药的分散稳定性和药力,增大农药在植物叶面或有害生物表面的覆盖率,确保在靶标表面的均匀沉吸,降低因药物粒子过大而发生脱落、被风雨吹移或洗脱[4],从而提高农药在田间施用的利用率。

    • 作物及昆虫等生物表面因存在蜡质层、气孔、绒毛和表皮细胞等结构而具有一定程度的疏水性,使得所喷施农药易被水冲刷而大量流失。通过对纳米农药颗粒进行修饰或改性,可改善药物对靶标面的亲和性,减少农药的流失,提高农药的利用率。主要方式为:

      (1)纳米颗粒比表面积大,表面官能团数量较多,针对靶标生物表面的理化特性,对颗粒表面进行亲和性修饰改性,增大载药系统对靶标生物的附着力;

      (2)基于生物表面的微观形貌结构,制备具有特殊形貌结构的纳米载体,通过提高双方微观形貌结构的匹配性,提高农药在生物表面的滞留率;

      (3)生物表面常带有负电荷,通过使纳米农药带上正电荷,可增加农药制剂与靶标之间的静电吸引力,以提高农药在靶标表面的沉积效率。

    • 传统剂型农药常以较高剂量在田间施用,由于漂移、淋溶、流失或降解等作用,其浓度常常会迅速降至有效浓度以下,在实际操作中常需反复施用,因此易导致农药的过量施用。对纳米颗粒的分子及微观结构进行物理化学的调控,构建长效、受激、甚至智能纳米载药缓释系统,使农药释放特性与有害生物发生规律相匹配,延长持效期,降低农药施用剂量和施药频率,从而提高农药有效利用率[4]

    • 农药需通过吸附、扩散、内吸与转运等过程,最终传输到植物或昆虫体内发挥作用。纳米载药系统因小粒径、强渗透性及强扩散性能更快被生物体吸收和发挥作用。因此对农药的减施增效具有积极的作用。

    • 纳米材料的制备方法可分为自上而下法和自下而上法两个途径。自上而下的制备方法指将较大尺寸的材料通过机械性方法细化成较小尺寸的纳米颗粒的过程;而自下而上的途径是从分子或原子出发,利用化学反应、成核生长或旋节线分解等相分离原理粗化制备纳米颗粒,所制备出的纳米颗粒粒径普遍比前者更为均一、分布更窄。

      在纳米农药的制备过程中,受到技术及传统的制约,当前大多仍采用自上而下的制备方法。常用方法有机械球磨法、剪切分散法、高压均质法、超声乳化法等,虽然在工业大规模制备方面较有优势,但存在设备高耗能或耗时较长、制备出的颗粒粒径分布较宽、间歇式制备的产品各批次间质量不均一等缺点。

      (1)机械研磨法

      机械研磨法是制备纳米水悬浮液的常用方法,通过研磨介质与粒子、粒子与粒子间的挤压、剪切、冲击等作用达到碎裂细化粒子的目的。其特点是操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布宽,耗时较长,为间歇式制备方法。

      (2)剪切分散法

      剪切分散法是制备纳米乳液最常用的方法,通过高速旋转的转子所产生的剪切作用下,被分散液体受强烈的剪切、离心、液层摩擦、撞击等作用细化形成纳米乳液。

      (3)高压均质法

      高压均质法是在高压条件下下使液体通过狭小的通道,产生高剪切作用力,以达到将分散相细化的目的。传统的高压均质器工作压力可高达50~100 MPa,耗能较大。被消耗的能量大多转化为了热能,使体系温度迅速升高,因此体系常需配备降温设备。另外在均质前往往需要预细化的过程,均质过程则需要打回循环数次,能量利用率及效率较低。因为是至上而下的制备途径,且是间歇式制备方法,会存在所制备乳液粒径拖尾严重,批次间质量一致性不佳等问题。

      (4)超声乳化法

      超声乳化法能够非常有效地减少纳米乳液液滴尺寸,但它一般适合小批量生产。能量输入大,利用率较低,大量能量以热能形式散失,会使体系温度迅速上升,甚至会使液体大量挥发,因此需要配备冷却系统以防过热。该方法也为间歇式制备方法,各批次间质量会存在较大差异。

      (5)滴加搅拌法

      滴加搅拌法常常在高速搅拌机的作用下,发生溶剂与水的置换,疏水化合物发生相分离而形成纳米颗粒,是一种自下而上的制备方法。但由于搅拌混合的速度常常跟不上相分离的速度,导致粒径分布较宽,粒径较大。该方法也为间歇式的制备方式,因此各批次的质量较难控制一致。

      综上,这些纳米农药的传统制备方法均存在较大的局限性,对于制药行业少量昂贵药剂的制备,采取一定对策较易克服。但在农药行业,用于快速、大量制备纳米农药存在下列共性问题:

      (1)制备出的纳米农药粒径不均一,分布较宽,容易发生奥氏熟化和重结晶,导致纳米颗粒的团聚、上浮或沉降而不稳定;

      (2)部分设备相对昂贵,体积较大,压力高,存在安全隐患,也增加了纳米农药的生产成本;

      (3)为保证纳米农药的稳定性,在制备过程中通常需要加入大量的表面活性剂等助剂,不仅降低了纳米农药的载药率,还提高了纳米农药的制备成本;

      (4)这些制备方法通常需要较长的时间,同时需要较多的能量输入,仅有少部分转变为纳米农药的界面能,绝大部分转变为流体的动能,并最终以热能形式散失,能量利用率低,且局部过热对纳米农药的稳定性也会有较大的影响;

      (5)这些制备方法均为间歇式,各批次间质量常会存在较大差异。因此,迫切需要发展纳米农药制备新技术以解决上述技术难题。

    • 瞬时纳米制备(Flash nanoformation, FNF)技术的名称由朱正曦[5]整合众多相关方法、技术、流程及装置的发明,于2016年首次提出,用于纳米水分散体系的大量、经济、连续制备,包括(1)由Johnson等[6-7]发明的瞬时纳米析出(Flash nanoprecipitation, FNP)法;(2)由朱正曦等[8]发明的瞬时纳米乳化(Flash nanoemulsification, FNE)法;(3)由朱正曦等[9-12]提出和发展的反应性瞬时纳米制备法,如反应性瞬时纳米析出(Reactive flash nanoprecipitation, RFNP)法。除制备方法之外,FNF技术还包括发展至今的四代微射流撞击混合器(即CIJ[13]、MIVM[14]、CIJ-D[15]、CIJ-L[16]微混合器)、以及相应的制备流程与装置[16-18]

    • FNP法是一种用于高效制备纳米悬浮液的方法[7],该方法具有低耗能、制备快速、装置及流程简单、易于操作等特点。相较于常规制备方法,所获纳米颗粒具有粒径小且分布窄、颗粒稳定性较好、超高载药率等优势。

      普林斯顿大学化工系的Robert Prud’homme及其博士生Brian Johnson于2002年首次提出该方法[6-7],随即与明尼苏达大学化工系的Chris Macosko进行项目联合申请,在美国自然科学基金NIRT重大专项的资助下从2004年起对该方法进行为期五年的联合开发,Macosko的博士生朱正曦[12]在FNP的颗粒形成机理[9,11,19-20]、药物分子[19]及高分子稳定剂[20-21]的筛选准则、颗粒稳定性的理论预测[19-20]、RFNP新方法的提出[9]及流程的发展[11]、新一代便携型CIJ-D微混合器的设计[15]等众多方面,为FNP的成功建立奠定了理论基础,并从技术上为FNP在各领域内的成功运用铺平了道路。到目前,Prud’homme及其合作者在实验室已成功制备出金属纳米造影剂[22]、荧光染料纳米造影剂[23]、防晒霜纳米颗粒[24]、聚苯乙烯单分散纳米小球[25]、金属纳米催化剂[26]、抗癌纳米药剂[27-29]等。多领域中外科学家也先后相继开展FNP的应用研究,如纳米食品蛋白[30]、纳米色素[28]、纳米农药[31-32]等。

      FNP法把水难溶性化合物与表面活性剂溶于有机相,将其在高流速下与反溶剂水在微小的密闭腔体内以极高的能量密度湍流共混,有机溶剂与水需互溶,有机溶剂会迅速扩散至水相,难溶性物质与两亲性嵌段共聚物因过饱和而瞬时共析出,形成纳米颗粒。在所形成颗粒的内部,高分子与小分子处于无规堆积的状态,而颗粒的部分表面仍留有未受埋覆的两亲性嵌段共聚物的亲水段,可限制颗粒间团聚而导致的粒径增大[11,19],制得粒径小而分布窄的纳米颗粒。上述纳米颗粒在微混合器腔体内的形成过程仅几十毫秒。图1所示为通过FNP法瞬时形成纳米颗粒的过程示意图[21]

      图  1  通过FNP法快速射流撞击共混及纳米颗粒瞬时形成的过程演化示意图(获得文献[19]允许改编后重新印刷,美国化学会版权所有2014)

      Figure 1.  Physical process of nanoparticle formation by impinging jet mixing and flash nanoprecipitation (Adapted with permission from literature [19], Copyright 2014 American Chemical Society)

    • FNE法是一种可用于高效制备纳米乳液的方法,由我们课题组于2015年发明[8]。与纳米乳液的常规制备方法相比,FNE法的装置简单易于操作、所需输入能量较低、所制备乳液的液滴尺寸更小、粒径分布更窄、稳定性更好。

      通过FNE制备纳米水乳液的过程如下,将油状原药溶于有机溶剂(如乙醇),在高流速下与反溶剂(如水)在微小的密闭腔体内以极高的能量密度湍流共混,有机溶剂与水须互溶,经过瞬时混合有机溶剂迁移入水相,油状原药由于溶解度降低而与富水相发生相分离,在湍流剪切作用下,形成纳米级的液滴。此外,在水中或有机溶剂中添加有表面活性剂,在混合及油水分离过程中会吸附在油滴表面,以阻止油滴因剧烈聚并而尺寸增大,从而制得粒径小而分布窄的纳米水乳液[8]

      FNE法应用前景广泛,近年来我们课题组使用FNE法已成功高效制备出如精油纳米水乳液[8,33]、矿物润滑油纳米水乳液[34]、金属表面去污用煤油纳米水乳液[34]、硅油纳米水乳液[33]、杀虫用矿物油纳米水乳液[33]、日用清洁用松油纳米水乳液[35]、除虫菊素纳米水乳液[36]等,在日化、医药、化妆品、食品、机械加工、农药等领域呈现出巨大的应用前景。

    • 反应性瞬时纳米制备法在制备纳米悬浮液时被称为反应性瞬时纳米析出(reactive FNP,RFNP)法[9-11]。RFNP指在运用FNP进行湍流混合的过程中,被混合的物质之间同时也发生化学反应,形成新的化合物并析出纳米颗粒。我们首次运用反应性瞬时纳米析出法(RFNP)制备出了稳定的β-胡萝卜素纳米颗粒[9]。此后,Pinkerton等[37]使用带有相反电荷小分子辅料和药物分子形成离子对复合物,增加药物疏水性,从而顺利通过RFNP方法制备出有机APIs纳米粒子。Santos等[38]在不添加任何有机溶剂的情况下,通过RFNP技术制备了聚乙烯亚胺(PEI)负载基因的纳米颗粒。另外,RFNP不仅可以合成有机药物纳米颗粒,还可以用于快速制备无机盐类纳米颗粒,并可通过调节pH值来实现纳米颗粒与水的快速分离[10]

      在使用RFNP制备纳米颗粒时,反应可发生在两个高分子之间,也可发生于小分子之间、或小分子与高分子之间。在使用RFNP制备mPEG-b-PCL稳定的β-胡萝卜素纳米颗粒的工作中[9,11],我们将带端氨基的亲水聚乙二醇(mPEG-NH2)以及带端基酰氯的疏水聚己酸内酯(PCL-COCl)分别溶于水油两相,在FNP湍流共混的过程中迅速发生分子间的耦合反应,与β-胡萝卜素共同析出形成稳定的β-胡萝卜素纳米颗粒。其原理示意图如图2所示,其颗粒表面所存在的亲水端PEG对颗粒的团聚起到了位阻作用,从而保证了纳米颗粒的稳定性[9]。另外,在使用RFNP制备无机纳米颗粒的工作中[10],我们将亲疏水pH响应性聚电解质作为表面稳定剂[21],通过调节pH可实现纳米颗粒与水的快速分离,即通过改变pH值改变表面电荷,增加纳米颗粒表面疏水性,使纳米颗粒快速聚集降沉,通过简单过滤便能实现纳米颗粒与水的快速分离[10]。该项工作将RFNP成功扩展至无机纳米颗粒的快速制备及分离,高效制备出壳聚糖包裹的硫酸盐纳米粉末,用于电池的活性材料,大大提高了电池的使用寿命和电容量,能展现出RFNP在能源电池领域宽广的应用前景[10],在农业领域无机肥的制备等方面也蕴藏着众多的应用场景。

      图  2  RFNP法制备纳米颗粒过程图(获得文献[9]允许重新印刷,美国化学会版权所有2007)

      Figure 2.  Process of nanoparticle formation by RFNP (reprinted with permission from literature [9], Copyright 2007 American Chemical Society)

    • 不是所有的农药原药均可通过FNF技术制备出稳定的纳米农药,所制备的纳米农药稳定与否主要取决于原药分子的疏水性。以FNP所制备的固体颗粒悬浮液为例,Zhu[19]通过计算原药分子的溶解度常数(δ)以及疏水性指数lgP来预测其颗粒的稳定性,结果发现lgP与纳米颗粒的稳定性有较好的正相关性(见表2)。lgP指化合物在正辛醇和水中的分配浓度之比的对数值,能反映化合物分子的亲疏水性,其值越大分子越疏水。给定化合物分子结构,采用ACD软件模型可以获得其ACDlgP值。利用FNP制备纳米农药当原药分子的ACDlgP值越大,其颗粒尺寸越稳定。当原药分子的ACDlgP值约大于12时,能够制得稳定性较好的纳米农药;当原药ACDlgP值约小于2时,农药分子易溶于水中,难以析出形成纳米水分散体系;而当ACDlgP处于约2~9时,容易发生奥氏熟化与重结晶现象,形成的纳米农药的尺寸稳定性较差。针对FNE所制备的纳米乳液,Zhu进行了相关的深入研究,油的疏水性也是影响其尺寸稳定性的重要因素。

      Organic compoundδ/ (MPa1/2)a)ACDlgPStability
      Hydrocortisone23.21.43±0.47No particle
      Odanacatib29.72.92±0.85No
      Curcumin22.82.92±0.48No
      Itraconazol19.14.35±1.22No
      Hydrocortisone ethoxysilicate21.26.37±0.72No
      Paclitaxel22.37.38±0.83No
      Betulin18.79.01±0.39No
      Vitamin E succinate18.511.88±0.30Yes
      Paclitaxel 2’-triethoxysilicate21.413.09±1.00Yes
      Paclitaxel 2’-trii-propoxysilicate21.014.13±1.01Yes
      β-carotene17.815.51±0.43Yes
      Paclitaxel 2’,7-bis(triethoxysilicate)20.818.36±1.15Yes
      Tetramenthoxysilane16.718.66±0.66Yes
      a) Estimated with the Hoye method as well as assumed to treat the Si atom as a C atom

      表 2  各种有机化合物的δ及ACDlgP值与纳米颗粒稳定性的相关性(获得文献[19]允许改编后重新印刷,美国化学会版权所有2014)

      Table 2.  δ and ACDLogP of various organic compounds against nanoparticle stability (adapted with permission from literature [19], Copyright 2014 American Chemical Society)

    • 嘧菌酯是甲氧基丙烯酸酯类杀菌农药,它的杀菌机理是切断真菌呼吸链,抑制真菌呼吸作用,因此几乎对所有的真菌都有抑制作用。嘧菌酯在光照条件下易分解为二氧化碳和水,光解半衰期仅为14 d,喷洒后无残留,是种有着广阔市场前景的广谱杀菌剂[39]。经试验证明其对温血动物的毒性仅与食盐相当,对人畜无害,大鼠急性经口LD50为5000 mg/kg,常用于防治子囊菌亚门、担子菌亚门、鞭毛菌亚门和半知菌亚门等病害,对白粉病、锈病、颖枯病、网斑病、霜霉病、稻瘟病等均有良好的活性[39]

      本课题组[40]利用FNP法(如图3所示),以嘧菌酯作为原药,以安全、生物可降解的两亲性嵌段共聚物PEG-b-PLGA、吐温80或烷基糖苷作为表面活性剂,制备出平均粒径小于100 nm的绿色、高效嘧菌酯水悬浮剂。通过生物对比测试,该嘧菌酯纳米水悬浮剂的抗菌效果显著优于通过传统滴加搅拌方法制备的水悬浮剂,以及先正达生产销售的嘧菌酯水悬浮剂阿米西达。

    • λ-三氟氯氰菊酯是一种人工合成拟除虫菊酯类杀虫剂,通过触杀或和胃毒作用于昆虫神经,对棉铃虫、棉铃象甲、棉叶螨、玉米螟、小菜蛾等常见害虫,均有不错的防治效果,获得了广泛的应用。λ-三氟氯氰菊酯较疏水,因此常将其溶于有机溶剂事先制备成乳油等,再加水搅拌稀释后进行施用。陈凯等[31](如图4所示)通过FNP法制备两亲性嵌段共聚物PEG-b-PLA稳定的λ-三氟氯氰菊酯纳米水悬浮剂,粒径约150 nm。通过透析除去含有的少量水溶性有机溶剂四氢呋喃后,使用黑豆蚜虫进行生物测试。与市售水乳剂以及微乳液进行比较对比,三者的LC50相当,但后两者含有相当量的有机溶剂,因此所制备的纳米水悬浮剂体现出更高的使用安全性及环境友好性。

      图  3  FNP法所制备的纳米颗粒用于小番茄的抗菌[40]

      Figure 3.  Preparation of fungicide nanoparticles via FNP for treating with cherry tomatoes [40]

      图  4  通过FNP制备PEG-b-PLA稳定的λ-三氟氯氰菊酯纳米水悬浮剂(获得文献[31]允许重新印刷,美国化学会版权所有2018)

      Figure 4.  Preparation of PEG-b-PLA stabilized λ-cyhalothrin nanosuspension via FNP (Reprinted with permission from literature [31], Copyright 2018 American Chemical Society)

    • 阿维菌素由链霉菌中阿维链霉菌发酵产生,是一种具有杀菌、杀虫、杀螨、杀线虫活性的十六元大环内酯类疏水性化合物。阿维菌素毒性低用途广,常被用作兽药,并可用于杀线虫。付智楠等[32](如图5所示)通过FNP法使用三种两亲性嵌段共聚物PEG-b-PLGA、PEG-b-PLA和PEG-b-PCL,分别制备阿维菌素纳米水悬浮剂,获得前两者为球状、后者为仿锥状的纳米颗粒,其粒径分别为414、314、72 nm,其24 h杀线虫的LC50分别为0.42、0.37、0.28 mg/L。PEG-b-PCL/阿维菌素纳米水悬浮剂显示出了更好的杀线虫效果,而PEG-b-PLGA/阿维菌素纳米水悬浮剂显示出了更好的粒径稳定性。

      图  5  通过FNP法制备由PEG-b-PLGA, PEG-b-PLA和PEG-b-PCL分别稳定的阿维菌素纳米水悬浮剂[32]

      Figure 5.  Preparation of PEG-b-PLGA, PEG-b-PLA or PEG-b-PCL stabilized abamectin nanosuspension via FNP[32]

    • 除虫菊素是一种分离自天然除虫菊花中的一种油状复方杀虫物质,常用于防治蚜虫、叶蝉、果蝇、蚊子等害虫[41]。它的杀虫机理是作用于昆虫中枢神经,是一种可作用于大部分害虫的高效广谱杀虫剂。在光照情况下可分解成水和二氧化碳,因此用其所配制得农药或卫生杀虫剂使用后无残留,且对人畜较安全,是世卫组织和联合国粮农组织评定为最安全的无公害天然杀虫剂[41]。经试验证明其对温血动物的毒性仅与食盐相当,大鼠急性经口LD50为2330 mg/kg(雌)和3160 mg/kg(雄),而食盐LD50是3000 mg/kg。

      本课题组[36]利用FNE法,以除虫菊素作为原药油,安全、生物可降解的两亲性嵌段共聚物PEG-b-PLGA作为表面活性剂,制备出了平均粒径小于100 nm的绿色、高效除虫菊素纳米水乳液。通过对蚜虫的生测对比,除虫菊素纳米水乳液的杀虫药力显著优于通过传统滴加搅拌法以及云南某著名企业生产的畅销除虫菊素水乳剂。

    • 作为基础油的矿物油通常也可用于制备农用喷淋杀虫液。在实际运用中,矿物油常被制成水包油的乳液喷洒在农作物上,通过封闭害虫气孔的方式使害虫窒息,且不会对农作物造成毒害,是一种绿色环保的农药。本课题组[33-34]利用瞬时纳米乳化法,使用绿颖矿物油及不同种类表面活性剂(如两亲性嵌段共聚物PEG-b-PLGA、吐温80、烷基糖苷)制备出了不同配比的矿物油纳米水乳液。通过稳定性测试,矿物油纳米水乳液的粒径及时间稳定性显著优于传统的滴加搅拌法。

    • FNF技术作为一项纳米材料的普适制备技术,所制备的颗粒具有尺寸小且分布窄、载药率高等特点,其制备过程速度快、可连续、低能耗、设备小、操作简单等诸多优势。随着中国对环保及社会可持续发展的日趋重视,在农药剂型创制的过程中,秉承农药高效、安全、绿色、经济的理念。针对纳米农药,需要(1)加大水基制剂的创制,减少有机溶剂的使用量,尽可能使用环境友好的有机溶剂;(2)选用对人畜高效低毒且易降解的绿色原药化合物;(3)农药助剂绿色且易降解;(4)农药制剂具有较长缓释时间;(5)农药制备方式更高效、节能、省时、低成本。(6)生产设备简单、小型化、价格经济。经过十多年的发展,目前FNF技术正从实验室走向工业化应用,作为一种可高效、经济制备纳米农药的技术,秉承上述绿色理念,相信在农业领域将大有可为。

(5)  表(2) 参考文献 (41)

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