水熱合成法制備魚(yú)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(nóng)藥載體是增強(qiáng)農(nóng)藥穩(wěn)定性和減緩農(nóng)藥釋放速率，從而提高農(nóng)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(diào)節(jié)和生物相容性良好的納米載體。魚(yú)藤酮（Rot）作為一種優(yōu)異的生物農(nóng)藥，在環(huán)境中易降解，在植物中無(wú)不內(nèi)吸傳導(dǎo)特性。通過(guò)水熱合成法制備出納米載體MSN，再通過(guò)溶劑揮發(fā)法將Rot負(fù)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(zhǎng)。此研究對(duì)減少農(nóng)藥的使用量、降低環(huán)境污染和保障食品安全具有重要意義。

關(guān)鍵詞：水熱合成法;介孔二氧化硅;魚(yú)藤酮;納米顆粒;制備方法;表征

中圖分類號(hào)：S482.3+9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）04-0074-04

作者簡(jiǎn)介：朱龍寶（1964—），男，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)作物病蟲(chóng)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(hù)學(xué)和農(nóng)藥殘留分析研究。E-mail：cxj@yzu.edu.cn。

化學(xué)防治是植物防蟲(chóng)治病的重要措施。對(duì)生物農(nóng)藥而言，必須解決其在田間施用時(shí)的光穩(wěn)定性和控制其釋放特性，提高其有效利用率。魚(yú)藤酮（Rot）對(duì)害蟲(chóng)具有良好的殺蟲(chóng)活性，但是Rot在環(huán)境中易發(fā)生光降解，持效期短[1-6]。納米技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)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(xué)和熱穩(wěn)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(jié)構(gòu)中負(fù)載農(nóng)藥分子[8-12]，同時(shí)MSN的表面富含硅醇基，可改善所負(fù)載的疏水性農(nóng)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(guó)內(nèi)登記的關(guān)于Rot的制劑產(chǎn)品有22個(gè)，登記的劑型分別為乳油（15個(gè)）、微乳劑（5個(gè)）、懸浮劑（1個(gè)）、可溶液劑（1個(gè)）[15]。傳統(tǒng)的乳油制劑、微乳劑制劑分別存在過(guò)多使用有機(jī)溶劑和助劑易造成環(huán)境污染等問(wèn)題。為了開(kāi)發(fā)Rot的新型控釋型的環(huán)保產(chǎn)品，可以將疏水性的農(nóng)藥與納米制劑技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，制備Rot的納米制劑，并通過(guò)納米制劑提高其控釋特性和光穩(wěn)定性。本研究通過(guò)水熱合成法成功制備出一種比表面積大、孔徑可調(diào)節(jié)、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(fā)法制備出具有高載藥率、良好緩釋性能和熱穩(wěn)定的納米顆粒，從而提高Rot的有效利用率，減少農(nóng)藥的使用量，降低環(huán)境污染，此研究對(duì)于生物農(nóng)藥新制劑的研制、保障農(nóng)產(chǎn)品安全具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

Rot標(biāo)準(zhǔn)品（質(zhì)量含量98.0%），美國(guó)Sigma-Aldrich公司;Rot原藥（質(zhì)量含量95.0%），豐順湯西嘉興福利化工廠生產(chǎn);十六烷基三甲基氯化銨、正硅酸四乙酯，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1納米載體MSN的制備方法根據(jù)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(yīng)物加熱至70℃。逐滴加入5.0mL的正硅酸四乙酯，隨后，將反應(yīng)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?zhèn)溆谩?/p>

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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，日本日立公司）下觀察所制備的MSN的形貌。為進(jìn)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(wǎng)上，置于紅外線燈下干燥，隨后將附有MSN的銅網(wǎng)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(duì)MSN的粒徑進(jìn)行分析。（3）MSN介孔結(jié)構(gòu)特性。使用比表面測(cè)定儀進(jìn)行物理吸附分析，稱取MSN0.1g，在脫氣溫度120℃、脫氣時(shí)間120min、環(huán)境溫度30℃、飽和蒸氣壓1.0149bar和恒溫浴溫度77.3K的條件下測(cè)定MSN的比表面積、孔道直徑、孔容量等。根據(jù)吸附和脫附等溫線分支數(shù)據(jù)，使用Brunauer-Emmett-Teller（BET）氣體吸附法和Barrett-Joyner-Halenda（BJH）分析模型評(píng)估介孔結(jié)構(gòu)特性。

1.2.3載魚(yú)藤酮納米顆粒（Rot@MSN）的制備與表征準(zhǔn)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(xù)攪拌，使乙腈慢慢揮發(fā)至MSN呈濕潤(rùn)狀態(tài)，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(jié)構(gòu)和特征官能團(tuán)，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(jìn)行傅里葉紅外光譜儀分析。（2）采用熱重分析儀（Pyris1TGA，美國(guó)PerkinElmer公司）對(duì)Rot@MSN進(jìn)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(jìn)行熱重分析。（3）Rot@MSN的載藥率的測(cè)定：納米顆粒Rot@MSN的載藥率測(cè)定方法參考文獻(xiàn)[17];在檢測(cè)分析時(shí)，采用高效液相色譜法檢測(cè)分析乙醇中Rot的含量[4]。（4）Rot@MSN的緩釋特性試驗(yàn)方法：方法參考沈殿晶等的試驗(yàn)方法[17]。

2結(jié)果與分析

2.1納米載體MSN的合成和表征結(jié)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(guò)透射電鏡能夠清楚地看清MSN的顆粒大小、形狀結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)（圖2），水熱合成法所制備的MSN為二維結(jié)構(gòu)，也就是最為常見(jiàn)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(jié)構(gòu)清晰，為高度有序的六邊形結(jié)構(gòu)，粒徑大小在100nm左右，且具有較好的分散性。

圖3為MSN的動(dòng)態(tài)光散射分析所得到的粒徑分布圖，結(jié)果顯示MSN的平均粒徑在220nm左右，分散系數(shù)（PdI）為0.214，說(shuō)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(dòng)態(tài)光散射分析得到的粒徑偏大，這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)光散射所測(cè)粒徑為MSN的水合粒徑，比實(shí)際粒徑要偏大一些，而透射電鏡所觀察到的為實(shí)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(shuō)明氮?dú)夥肿釉谶@一階段發(fā)生了單層吸附，從A點(diǎn)處開(kāi)始，氣體發(fā)生多分子層的吸附，當(dāng)孔全部被氣體分子填滿以后，在B點(diǎn)吸附達(dá)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(jié)構(gòu)，孔徑分布主要集中在2.23nm左右。根據(jù)吸附等溫線脫附分支數(shù)據(jù)計(jì)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(jié)果

如圖6所示，在455cm-1、804cm-1處的峰為Si—O鍵對(duì)稱伸縮峰，1088cm-1處的強(qiáng)而寬的吸收峰為Si—O—Si反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，3462cm-1處的弱峰為結(jié)構(gòu)水—OH反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰;另外還在1452、1515、1606、1670、2966cm-1處出現(xiàn)了與Rot相同的特征吸收峰。因此也證明了Rot成功負(fù)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(wěn)定性，并且在所研究的溫度范圍內(nèi)幾乎保持恒定的質(zhì)量。計(jì)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(xiàn)為高的初始釋放量和隨后的緩慢釋放，在60h左右時(shí)達(dá)到最大的釋放量，而后釋放量基本保持在45%（圖8），說(shuō)明Rot大量存在于MSN的表面，孔道對(duì)魚(yú)Rot的約束作用較弱，或者其在孔道中是以非定型狀態(tài)存在的，但與傳統(tǒng)制劑相比較，有一定的緩釋作用。

3結(jié)論

納米載體MSN由于其良好的吸附能力、生物相容性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，將生物農(nóng)藥分子負(fù)載于納米載體MSN之中，通過(guò)載體MSN來(lái)提高生物農(nóng)藥Rot的緩釋特性。本研究通過(guò)水熱合成法制備得到納米載體MSN，通過(guò)溶劑揮發(fā)法將Rot負(fù)載到MSN上得到納米顆粒Rot@MSN，其載藥率達(dá)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。

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