基于粒徑和形貌視角下探究微乳劑是否為納米農藥

程敬麗， 梁文龍， 張家棟， 熊秋雨， 趙金浩

(浙江大學農業農村部作物病蟲分子生物學重點實驗室 浙江省作物病蟲生物學重點實驗室，浙江 杭州 310058)

當今全球人口迅速增長，預計到2050年將達到90億以上[1]，糧食安全生產是全球面臨的關鍵挑戰，大量的農用化學品尤其是農藥的使用，可有效降低病、蟲、草害的脅迫，能夠每年提高全球糧食產量超過30%[2]，但是常規農藥制劑噴施后會由于界面張力[3]而引起彈跳滑落[4]或聚并流失[5]，不僅導致現有農藥利用率低、持效期短，而且脫靶的農藥進入到環境中不斷富集，造成農業生態系統和土壤的衰退，并對生態及農產品安全帶來風險[6]，最終影響人類的健康與農業的可持續發展[7]，因此，亟需發展農藥制劑新技術來解決這些問題。

優化農藥制劑及其遞送系統是提高農藥利用率和安全性的有效途徑[8-9]。近年來，納米尺度(1～100 nm)的材料因其具有高的穿透性、滲透性和比表面積等特性[10]，已經在化學、材料、醫學、能源和生命科學等領域得到了廣泛應用，并逐漸在農業領域中形成了一個新興的交叉學科[11]。2019年國際純粹與應用化學聯合會首次把納米農藥列為全球可持續性發展的十大化學新興技術之首[12]。但對于納米農藥的定義，各個國家和國際組織尚未統一。目前普遍使用粒徑尺寸去定義納米農藥，如Kah等[13]基于顆粒粒徑廣義地將小于1 000 nm，或具有與小尺寸相關新特性的，或以“納米”為前綴的農藥劑型定義為納米農藥。在我國農藥傳統劑型中，微乳劑粒徑一般在10～100 nm[14]，外觀為透明狀態，其粒徑遠低于一般乳狀液(如水乳劑)，而與納米農藥比較接近，有些產品就打著納米農藥的概念來推廣，也有報道把微乳劑列入納米農藥中[15]。

納米農藥的定義首先是從粒徑尺寸來判斷的，此外還具有一些更好的生物活性，比如黃啟良等[16-17]使用納米二氧化硅對農藥進行負載，能夠提高農藥在作物上的吸收與輸導，有些還提高了農藥在菌絲中的穿透性，負載后形成的納米農藥平均粒徑均在200～300 nm。趙金浩等[18-19]通過使用金屬有機框架材料ZIF-8負載咪鮮胺或吡唑醚菌酯后，能提高殺菌劑被油菜吸收與傳導的能力，制備的納米農藥平均粒徑均在150 nm左右。趙金浩等[20]采用“納米籠”方法制備的納米噻唑鋅，粒徑只有35 nm左右，提高噻唑鋅的藥效達10%以上；徐漢虹等[21]通過高分子納米材料負載典型非內吸性農藥阿維菌素后，粒徑只有60 nm左右，除了顯著增加生物活性，還能夠通過作物葉片吸收后在體內輸導，而商品化的阿維菌素微乳劑即使達到了納米尺寸100 nm左右，但并未有報道其具有內吸傳導性。距今為止，多數報道的納米農藥平均粒徑均在1～300 nm。測試方法除了基于動態光散射(DLS)的激光粒度測定法，還會結合電鏡技術(SEM或TEM)來綜合判斷。

因此，本課題組在前期制備納米噻唑鋅、納米咪鮮胺(PD@ZIF-8)、納米吡唑醚菌酯(Pyr@ZIF-8)的研究基礎和技術手段上，對市場上能采購到的幾種商品化微乳劑，從顆粒粒徑的角度，采用DLS納米粒度測定儀和掃描電鏡對微乳劑的微觀粒徑和形貌進行探究。

1 材料與方法

1.1 材料

商品化微乳劑(為避免引起歧義與糾紛，特隱去生產廠家的名稱)：4.5%高效氯氰菊酯·甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽微乳劑(微乳劑1，ME-1)、5%高效氯氟氰菊酯微乳劑(ME-2)、5%胺·氯菊殺蟲微乳劑(ME-3)、5%甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽微乳劑(ME-4)和0.1%三十烷醇微乳劑(ME-5)。

ZIF-8納米農藥：本實驗制備以ZIF-8作為載體的納米咪鮮胺(PD@ZIF-8)作為對照樣品，詳細制備方法及結構表征見文獻報道[18]。

1.2 實驗儀器

Zetasizer Nano S90激光粒度分析儀(英國馬爾文公司)；JSM5600LV掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)；Zeiss，G300場發射掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司股份公司)。

1.3 方法

1.3.1 微乳劑粒徑測定

不同商品化微乳劑的粒徑分布通過ZS-90馬爾文激光粒度儀進行測定。該儀器以633 nm激光作為光源，掃描角度為90°，測定范圍為0.3 nm～5 μm。樣品測定前用水分別稀釋為有效成分含量為10 000、1 000和100 μg·mL-1的溶液。

1.3.2 微乳劑顆粒形貌觀察

分別用水將不同商品化微乳劑稀釋成有效成分含量為100 μg·mL-1的溶液，滴加到導電硅片上，待干燥后進行噴金處理。采用熱場發射掃描電子顯微鏡(蔡司G300)對干燥后微乳劑的顆粒形貌進行觀察。

2 結果與討論

2.1 微乳劑的粒徑及其分布

在噴施農藥時，一般須將商品化農藥制劑加水稀釋到一個對作物安全的濃度，方能施用。因此，為探究農藥顆粒在被稀釋過程中粒徑是否發生改變，使用馬爾文激光粒度測定儀對5種不同的商品化微乳劑，分別用水稀釋成有效濃度含量為100、1 000、10 000 μg·mL-1后，進行粒徑測定，同時以本實驗室合成的ZIF納米農藥(PD@ZIF-8)作為對照樣品。首先得到各藥劑不同濃度下的粒徑分布圖(圖1)。微乳劑5種產品不同濃度下的粒徑分布并不統一，差異較大，而對照藥劑ZIF-8納米農藥不同濃度下的粒徑分布差異不大，比較統一，平均粒徑都在250～300 nm，變化不大。

圖1 不同稀釋濃度下商品化微乳劑的粒徑分布圖(以ZIF納米農藥為對照)

基于DLS測定粒徑，可以得到平均粒徑、多分散指數、累計粒度分布百分數為50%的粒徑(D50)和累計粒度分布百分數為90%的粒徑(D90)等主要統計數據，其中多分散指數，即相對偏差，是指示分散度的一個重要指標。各種藥劑的具體粒徑數據見表1，可以看出，微乳劑1、微乳劑2和微乳劑3在不同稀釋倍數下，平均粒徑差異不大，均處于100 nm范圍內，然而D90時，微乳劑1和微乳劑3最大粒徑分別可達到2 320和3 730 nm。而微乳劑4和微乳劑5在不同稀釋倍數下均呈現出更寬的粒徑變化趨勢，平均粒徑最大可達868.6和851.0 nm，此外D90最大粒徑分別可達到2 850和5 350 nm，這說明微乳劑中農藥膠束的形成處于動態平衡中，在稀釋過程中粒徑會隨不同稀釋程度發生無規律性變化，且可能會出現破乳后藥物大顆粒析晶的現象，最終造成粒徑不均一，并不都處于以粒徑定義的納米農藥范疇內。反之，通過對比測定同等藥物含量的ZIF納米農藥(PD@ZIF-8)，可發現平均粒徑都在250～300 nm，變化不大，D50和D90均無顯著的變化。表明液態化的微乳劑在不同濃度條件下，粒徑分布會動態寬幅變化，而負載化的納米農藥以固體顆粒形式存在，不同濃度稀釋不會改變顆粒的粒徑大小。

表1 不同稀釋濃度下商品化微乳劑的粒徑參數

2.2 微乳劑電鏡下的微觀形貌

農藥噴施后，短期以液滴形式附著于作物表面，隨著水分蒸發，在葉面逐漸干燥，最后微觀下還是以固體狀態存在，因此，通過掃描電鏡探究同等藥物含量的商品化微乳劑與ZIF納米農藥液滴干燥后的顆粒形貌與大小。如圖2所示，商品化微乳劑液滴干燥后盡管依然存在少量以納米尺寸存在的藥物晶體顆粒，但是可觀察到大量的藥物顆粒分布很不均勻，有顆粒聚集現象，有的顆粒高達微米級，藥物的分布不均和結塊造成局部接觸濃度過高，這可能也是影響農藥有效利用率與作物產生藥害的主要原因之一。ZIF納米農藥(PD@ZIF-8)液滴干燥后，仍然可觀察到單分散的納米顆粒，平均粒徑在129 nm左右[18]，顆粒與顆粒之間相對獨立，除了因小顆粒之間的弱相互作用力造成的吸附作用外，沒有明顯的結塊現象。微乳劑沒有呈現出納米顆粒所具有的更高的持效性、緩釋能力與作物的吸收轉運能力等優點，可能與微觀下顆粒不均，發生聚集、結塊，導致作物吸收轉運不夠有關系。

微乳劑分散在水中后有效成分粒徑較小，呈現透明狀態，主要是借助表面活性劑的增溶作用將液體或固體原藥均勻分散在水中形成的一種水包油型(O/W)膠束，表面活性劑的用量一般為活性物質的兩倍以上，并且需要一定量的有機溶劑和增溶劑。表面活性劑和溶劑的選擇非常關鍵，否則極易發生結晶和轉相。鑒于微乳劑中農藥膠束的粒徑與形成機制，膠束應歸類為兩親性膠體，而不應該是固體納米顆粒，因為組成膠束的單分子或單聚體處于動態平衡中，在特定的場景下，農藥膠束的形態與粒徑可能會發生改變，如膠束溶液濃度的改變或者干燥[22]。這與表1不同濃度稀釋下粒徑差異比較大和干燥后電鏡下微觀形貌(圖2)中的結果也比較吻合。納米農藥從其科學本身屬性來說，其最主要的技術指標為納米尺度，納米制劑要發揮其納米尺度效應，必須保證其噴施到靶標作物葉面或者直接使用時為納米尺度[13]，僅僅制劑分散形態為納米尺度是不夠的，就像微乳劑，必須兌水稀釋施用，稀釋的過程會改變制劑的分散狀態帶來新的分散，不一定能保證在葉面上是納米級別的單分散狀態。

圖2 不同商品化微乳劑與ZIF納米農藥的掃描電鏡

3 小結

本研究基于DLS測試粒徑基礎上首次結合SEM技術，從粒徑大小和微觀形貌特征視角下，對市場上常見的幾種商品化微乳劑進行了詳細的測試分析，并與本課題組前期制備的ZIF納米農藥進行對比，發現幾種商品化微乳劑在稀釋過程中粒徑均無規律改變，尤其在掃描電鏡下觀察含藥液滴干燥后顆粒分布不均，有聚集、大顆粒析出現象，而納米農藥經過不同濃度稀釋后粒徑變化不大，均在1～300 nm，并且在掃描電鏡下觀察微觀形貌也是單分散納米狀態，不會聚集，這表明在實際應用場景中均以納米尺度分散狀態穩定存在。因此，單靠動態光散射測定的粒徑不能判斷微乳劑就是納米農藥，還需要參考電鏡技術觀察微觀下的分散狀態和粒徑變化情況，本研究為我國納米農藥的發展提供了分析鑒定技術方法，也為我國納米農藥的標準制定提供了數據支撐。