樹枝狀和超支化聚合物在農(nóng)用化學(xué)品中的應(yīng)用

李武松，劉聰聰，畢研剛，譚 志，王戰(zhàn)濤，賈欣茹

1.威海晨源分子新材料有限公司，山東 威海 264211

2.北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，高分子化學(xué)與物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，使用殺蟲劑、除草劑、殺菌劑等農(nóng)用化學(xué)品是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要技術(shù)手段。其中最常用的殺蟲劑有新煙堿類、鄰酰胺基苯甲酰胺類、氨基甲酸酯類、除蟲菊酯類、有機(jī)氯類以及有機(jī)磷酸酯(OP)等。然而，殘留在土壤中和農(nóng)作物上的農(nóng)藥會(huì)污染環(huán)境、破壞生態(tài)系統(tǒng)、危害有益于環(huán)境的有機(jī)生物、影響人體健康[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年約有300萬人次農(nóng)藥中毒事件，甚至有因OP等殺蟲劑中毒而死亡的事件報(bào)道[2]。鑒于此，開發(fā)新型綠色農(nóng)藥、研究控制和減少農(nóng)藥的毒副作用是農(nóng)用化學(xué)品研究領(lǐng)域亟待解決的課題。

樹枝狀分子結(jié)構(gòu)精確可控、納米尺寸、分散度低，具有內(nèi)部空穴和易于修飾的眾多外端基團(tuán)[3，4]。研究表明，樹枝狀分子可通過外端官能團(tuán)共價(jià)鏈接藥物分子或通過內(nèi)部空穴包埋藥物分子[5]，例如樹枝狀分子可作為有效的納米載體包封氨甲喋呤(MTX)、紫杉醇、阿霉素(DOX)、5-氟二氧嘧啶(5-FU)和喜樹堿等抗癌藥物以增強(qiáng)藥效[6，7]。近年來，樹枝狀分子、超支化聚合物已成為農(nóng)藥載體和農(nóng)藥檢測的新型材料并顯示出良好的應(yīng)用前景，但相關(guān)研究仍處于研發(fā)或試用階段[8，9]。與傳統(tǒng)農(nóng)藥相比，樹枝狀、超支化聚合物應(yīng)用于殺蟲劑、除草劑、殺菌劑等農(nóng)用化學(xué)品具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）增加農(nóng)藥活性成分的溶解性，降低藥劑使用量；（2）提高農(nóng)藥在植物表面的附著力，通過增加農(nóng)藥滯留量和延長滯留時(shí)間；（3）提高農(nóng)藥在土壤中的滲透能力；（4）控制農(nóng)藥釋放速度，使農(nóng)藥緩釋長效；（5）提高農(nóng)藥耐雨水沖刷能力、耐候性和活性成分的穩(wěn)定性。本文從以下三個(gè)方面對(duì)樹枝狀、超支化聚合物在農(nóng)用化學(xué)品領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)：①樹枝狀、超支化聚合物對(duì)農(nóng)藥的納米封裝與可控釋放；②樹枝狀聚合物對(duì)農(nóng)藥的解毒作用；③樹枝狀、超支化聚合物在殘留農(nóng)藥分析中的應(yīng)用。

1 樹枝狀、超支化聚合物對(duì)農(nóng)藥的納米封裝與可控釋放

在樹枝狀、超支化聚合物分子中封裝農(nóng)藥、殺蟲劑或任何其它活性成分，是提高農(nóng)藥分散性和潤濕性、實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥可控釋放的新技術(shù)。封裝是指在小規(guī)模范圍內(nèi)，將一種物質(zhì)用另外一種材料包裹或包封形成膠囊的過程。一般而言，所得到的膠囊尺寸范圍從小于1μm到幾百μm不等，其目的在于保護(hù)材料免受外界環(huán)境的影響。被封裝的材料通過膠囊壁而逐漸釋放的過程，稱為可控釋放或擴(kuò)散。此外，在外部條件刺激下，膠囊壁破裂、熔融、溶解也可釋放出被封裝的材料[10]。被封裝的農(nóng)藥隨時(shí)間可控緩釋會(huì)減少其使用量，避免由于瀝濾、蒸發(fā)和降解而帶來的失效以及由此引起的重復(fù)使用。在納米農(nóng)藥配方中使用樹枝狀、超支化聚合物可更好的控制農(nóng)藥的釋放、蒸發(fā)、滲透、投遞速率、延長化學(xué)農(nóng)藥的有效期，使活性成分能以指定的速率和時(shí)間提供給目標(biāo)物。該技術(shù)將有效降低殺蟲劑等農(nóng)藥對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境的危害，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景[11]。

1.1 樹枝狀和超支化聚合物對(duì)殺蟲劑的納米封裝與可控釋放

噻蟲嗪(TMO)是新煙堿類低毒高效殺蟲劑，對(duì)各種蚜蟲、葉蟬、飛虱、粉虱等刺吸式害蟲有特效。它在丙酮等有機(jī)溶劑中溶解性較高，在水中溶解性相對(duì)較低（4.1 g/L）。因此，通過樹枝狀或超支化聚合物對(duì)噻蟲嗪進(jìn)行封裝可提高其在水中的溶解度，有利于其推廣應(yīng)用。Jie Shen等[12]采用水溶性陽離子樹枝狀分子作為疏水性噻蟲嗪的載體，制備了納米封裝噻蟲嗪（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，該方法明顯增加了噻蟲嗪在水中的溶解度，1代、2代、3代（G1，G2，G3）樹枝狀分子的平均尺寸提高到166～178 nm。測試結(jié)果說明，單獨(dú)使用該殺蟲劑對(duì)棉鈴蟲細(xì)胞的毒性較低，而用含有0.5 μM噻蟲嗪的載體/殺蟲劑復(fù)合物，對(duì)所培養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞毒性明顯增強(qiáng)。他們用棉鈴蟲幼蟲做了半體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)G2可進(jìn)入所有實(shí)驗(yàn)用幼蟲細(xì)胞，還可通過一齡幼蟲的圍食膜進(jìn)入幼蟲的腸細(xì)胞。用該G2/殺蟲劑復(fù)合物喂食的幼蟲，第2 d，死亡率就達(dá)50%，第3 d和第4 d分別提高到66.7%，88.3%，第5 d超過了90%。而用水/殺蟲劑喂食，棉鈴蟲幼蟲的死亡率在5 d時(shí)仍低于20%。這是因?yàn)樵谕ǔl件下，噻蟲嗪在水中溶解度低，不具有殺傷棉鈴蟲的能力，通過樹枝狀分子G2介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)化作用，增加了噻蟲嗪在水中的溶解度，增強(qiáng)了其殺蟲效果。

圖1(A) G2載體與噻蟲嗪的相互作用圖示；(B)G2/TMO喂食的幼蟲死亡率高于H2O/TMO；(C) 喂食G2/TMO的幼蟲在5 d內(nèi)的死亡率＞90%；(D)G2/TMO復(fù)合物抑制幼蟲的生長[12]Fig.1(A) Interaction between G2 carrier and thiamethoxam(TMO);(B)Larvae mortality of G2/TMO-fed was higher than that of H2O/TMO;(C) Mortality rate of larvae fed with G2/TMO was more than 90% within 5 days (D)G2/TMO complex inhibits larvae growth[12]

Mohsen Adeli 等[13]以聚檸檬酸（PCA）和聚乙二醇（PEG）為原料合成了ABA 型三嵌段的線形-樹狀共聚物（PCA-PEG-PCA）。作者經(jīng)超分子自組裝作用封裝茚蟲威（IND），通過調(diào)節(jié)TiO2的用量制備了兩種具有光降解性和生物相容性的納米茚蟲威，分別稱為nano-IND 和nano-IND/TiO2。TEM 觀察發(fā)現(xiàn)，nano-IND 的平均尺寸為10 nm，加入TiO2后，nano-IND/TiO2的平均尺寸增加到12 nm。此外，nano-IND 和nano-IND/TiO2中IND 的降解速率在UV 光和日光下都高于游離IND/TiO2體系。生物模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用nano-IND 和nano-IND/TiO2控制病蟲害，所需殺蟲劑的用量均顯著降低。由于高封裝量和緩慢的釋放速率，nano-IND 是一個(gè)有應(yīng)用前景和環(huán)境友好的殺蟲劑體系。

吡蟲啉是第一代煙堿類接觸性殺蟲劑，對(duì)害蟲活性高，對(duì)人體的毒性小。Mohsen Adeli 等[14]在不同溶劑中，通過共聚物的自組裝將吡蟲啉直接封裝于PCA-PEG-PCA 三嵌段的線形-樹枝狀共聚物中，制備了納米吡蟲啉。他們發(fā)現(xiàn)，第一天自組裝體的平均尺寸為10～20 nm。由于選取的溶劑、封裝時(shí)間和藥物濃度等不同，納米吡蟲啉的形貌由纖維狀變化為球狀再變化為管狀，尺寸由10 nm 增加到幾mm。在單主寄生的桑樹害蟲的腸中，可觀察到吡蟲啉從高負(fù)載的納米吡蟲啉中緩慢釋放，其最佳釋放條件為pH=10（圖2）。這表明納米吡蟲啉具有選擇性和可控釋放性質(zhì)，生物實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，使用納米吡蟲啉，農(nóng)藥的基本用量和對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)都顯著降低。

圖2a) 茚蟲威在pH=7，10條件下從nano-IND和nano-IND/TiO2中的累計(jì)釋放量[13]；b)吡蟲啉在不同pH條件下的釋放曲線[14]Fig.2a) Cumulative release of indoxacarb from nano-IND and nano-IND/ TiO2at pH=7,10[13];b) Release curve of imidacloprid under different pH[14]

1.2 多臂碳納米管-超支化聚合物對(duì)殺菌劑的納米封裝與可控釋放

自上世紀(jì)四十年代面世后，代森錳和代森鋅廣泛用于保護(hù)許多水果、蔬菜、干果和農(nóng)作物免受大范圍真菌的侵害。Nahid Sarlak等人[15]將超支化檸檬酸聚合接枝于氧化多臂碳納米管表面，得到了含多臂碳納米管（MWCNT）的雜化材料MWCNT-g-PCA。他們?cè)谒芤褐袑⒋i和代森鋅分別封裝在MWCNT-g-PCA的超支化聚檸檬酸殼層內(nèi)（圖3）。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，封裝代森錳和代森鋅的最佳pH值分別是3和8，完全封裝所需攪拌時(shí)間分別是35和80 min。此外，與游離代森鋅比較，封裝代森鋅的納米粒子對(duì)鏈格孢菌病具有非常好的殺菌效果，10 d可達(dá)最高殺菌效率。這說明，通過調(diào)節(jié)pH和攪拌時(shí)間等因素，納米封裝農(nóng)藥對(duì)特定真菌具有更好的藥效。

圖3 封裝代森錳鋅和代森鋅的MWCNT-g-PCA的合成[15]Fig.3 Synthesis of MW CNT-g-PCA for encapsulation of mancozeb and zineb[15]

1.3 樹枝狀、超支化聚合物對(duì)植物激素和植物源殺蟲劑的納米封裝與可控釋放

植物韌皮部是一種轉(zhuǎn)運(yùn)光合成產(chǎn)物和營養(yǎng)物質(zhì)的管狀組織，其pH（8.0～8.5）高于周圍植物組織。利用該特點(diǎn)，設(shè)計(jì)新型的靶向農(nóng)藥及殺蟲劑，使其有效的投遞于植物韌皮部可極大的提高農(nóng)藥的使用效率，同時(shí)降低農(nóng)藥和營養(yǎng)物質(zhì)的使用量。Zhenli He與Brent S.Sumerlin等[16]通過α-氨基酸-N-羧基環(huán)內(nèi)酸酐（NCA）的開環(huán)聚合，制備了兩親性星形聚多肽。經(jīng)除去保護(hù)基團(tuán)、后續(xù)聚合物修飾和部分天冬氨酸基團(tuán)的關(guān)環(huán)反應(yīng)等步驟，得到了分子量可控的基于聚丁二酰亞胺（PSI）的共聚物。該兩性星形聚合物可自組裝形成聚集體而封裝植物激素萘乙酸（NAA）。與植物韌皮部的環(huán)境相似，在pH升高時(shí)，經(jīng)封裝的NAA可被快速釋放并發(fā)揮作用。研究結(jié)果說明，所合成聚合物對(duì)植物組織毒性不大。與目前所使用的低效率肥料和殺蟲劑比較，該類位點(diǎn)專一的投遞體系將惠及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并降低了環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 樹枝狀分子對(duì)用魚藤酮處理的細(xì)胞的保護(hù)作用的可能機(jī)理[17]Fig.4 Possible mechanisms for the protective effects of dendritic molecules on cells treated with rotenone [17]

魚藤酮是從植物根部得到的異黃酮，屬于豆科家族（毛魚藤或魚藤酮），多年來廣泛用于殺蟲劑、農(nóng)藥及生物水的維持劑。但魚藤酮會(huì)干擾生物體內(nèi)線粒體中的電子轉(zhuǎn)移鏈，增加了其患帕金森氏癥的風(fēng)險(xiǎn)。Katarzyna Milowska等[17]研究了PAMAM、磷、紫羅堿-磷等結(jié)構(gòu)的樹枝狀分子防止魚藤酮對(duì)胚胎小鼠mHippoE-18造成損傷的性質(zhì)（圖4）。作者對(duì)細(xì)胞活性、活性氧產(chǎn)生、線粒體橫跨膜電勢(shì)變化等進(jìn)行了分析。mHippoE-18細(xì)胞用0.1 μM的樹枝狀分子進(jìn)行處理。用樹枝狀分子孵育1小時(shí)后，加入1 μM的魚藤酮樣品繼續(xù)孵育24 h。研究發(fā)現(xiàn)，含有樹枝狀分子的體系，細(xì)胞活性提高，ROS的產(chǎn)生受到抑制，線粒體的功能得以保護(hù)。這可能是由于樹枝狀分子的包封作用及其與表面基團(tuán)的氫鍵或π-π相互作用（這取決于樹枝狀分子的代數(shù)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)），使mHippoE-18細(xì)胞中的魚藤酮含量減少，提高了其對(duì)mHippoE-18細(xì)胞神經(jīng)的保護(hù)作用。

1.4 樹枝狀、超支化聚合物對(duì)除草劑的納米封裝與可控釋放

采用樹枝狀、超支化聚合物使除草劑微膠囊化具有更加安全的優(yōu)點(diǎn)，可有效降低除草劑的使用劑量并提高利用效率。二甲戊靈是一種用于早期防治大多數(shù)禾本科和闊葉雜草的旱田除草劑。但常規(guī)的乳油制劑會(huì)污染土壤和地下水。Rahul K Hedaoo等[18]通過界面聚合技術(shù)制備了一種新型聚脲改性的樹枝狀PAMAM材料，并對(duì)二甲戊靈除草劑進(jìn)行納米封裝，制備成微膠囊。研究發(fā)現(xiàn)，該新型聚脲微膠囊的穩(wěn)定性好。此外，溶液的pH值也對(duì)二甲戊靈除草劑的可控釋放具有重要影響，在酸性條件下二甲戊靈除草劑的釋放速率最高。

2 樹枝狀聚合物對(duì)農(nóng)藥的解毒作用

目前，在全球農(nóng)作物生產(chǎn)中廣泛使用有機(jī)磷脂化合物（OP）以保護(hù)或防止谷物等植物免受損壞。因?yàn)镺P毒性高，歐盟等地區(qū)已經(jīng)制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了植物和食品中OP的殘余量。但OP中毒事件仍有發(fā)生。早期對(duì)OP中毒的處理局限于清空患者的胃或使用活性炭等，但這些方法都不是十分有效[19]。標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)OP中毒的藥物治療是采用阿托品抗膽堿療法。目前，已經(jīng)開發(fā)出的針對(duì)OP的解毒試劑仍存在生物降解難、保質(zhì)期短、價(jià)格昂貴、庫存短缺和毒副作用等諸多缺點(diǎn)。

2.1 樹枝狀、超支化聚合物用作敵敵畏的解毒劑

納米載體是一種在沒有解藥情況下替代傳統(tǒng)解毒方法的新興技術(shù)。有效的納米載體解毒劑需在血液中存留足夠長的時(shí)間以隔離有毒物質(zhì)及其代謝物，含有毒素的復(fù)合體也必須在從血液中清除出去之前保持穩(wěn)定。有研究已經(jīng)證明，樹枝狀分子是一種常用的納米載體，毒性低、可快速經(jīng)腎臟清除，符合有效的解毒劑的必要條件。

敵敵畏（DDV）是一種高毒性O(shè)P，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛用作殺蟲劑。DDV會(huì)降低人體重要神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的活性，造成流鼻涕、過多分泌唾液、盜汗、流淚、頭痛、惡心、嘔吐、腹痛、胸悶、呼吸困難、大小便失禁、肌肉收縮、癲癇和昏迷甚至死亡等癥狀。Grayson等[20]合成了0代、1代、2代三種可生物降解、結(jié)構(gòu)明確的賴氨酸-聚酯樹枝狀分子（圖5）。它們的外端分別帶有4，8，16個(gè)賴氨酸基團(tuán)。作者將這些賴氨酸功能化的樹枝狀分子作為DDV的解毒劑并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。三種細(xì)胞測試的結(jié)果說明，這些化合物毒性較低，無明顯的代數(shù)依賴性。此外，樹枝狀分子比線形分子對(duì)DDV的結(jié)合具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是高代數(shù)樹枝狀分子對(duì)DDV的毒性有明顯的抑制作用。這是因?yàn)楦叽鷶?shù)的賴氨酸功能化的聚酯樹枝狀分子中參與DDV結(jié)合的官能團(tuán)數(shù)目增多、協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)，從而提高了其在溶液中對(duì)DDV的俘獲效率。

圖5 賴氨酸功能化的樹枝狀分子（1C，3C，5C）的合成示意圖[20]Fig.5 Schematic diagram of synthesis of lysine functionalized dendritic molecules(1C,3C,5C)[20]

2.2 樹枝狀、超支化聚合物用作甲基谷硫磷和甲胺磷的解毒劑

甲基谷硫磷（AZM）和甲胺磷（MMP）也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的OP類殺蟲劑。Santos等[21]發(fā)現(xiàn)采用氨基酸及其衍生物進(jìn)行端氨基改性的PAMAM可以有效地吸附、包埋AZM和MMP。作者將G4和G5 PAMAM樹枝狀分子的端氨基用葉酸、精氨酸、賴氨酸和天冬酰胺等生物分子進(jìn)行功能化（圖6），所得產(chǎn)物用于包埋AZM和MMP等OP殺蟲劑。研究發(fā)現(xiàn)，改性劑的選擇明顯影響其對(duì)兩種OP類殺蟲劑的吸附性質(zhì)。他們特別研究了G4-天冬酰胺、G4-精氨酸和G4-賴氨酸對(duì)MMP的親和性。測試和理論計(jì)算結(jié)果表明，分子之間的相互作用是PAMAM對(duì)MMP化學(xué)包埋率高和親和性能好的關(guān)鍵因素。尤其是G4-天冬酰胺與MMP可形成較多的氫鍵，包埋效果最好。此外，與G4-PAMAM相比，體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，體系中存在G4-精氨酸，G4-賴氨酸和G4-天冬酰胺時(shí)，在溶液中的MMP對(duì)乙酰膽堿酶(AChE)的抑制作用大大降低，說明這些氨基酸及其衍生物改性的PAMMA能有效的捕捉溶液中的MMP，降低MMP對(duì)AChE的活性，因此，通過該類方法進(jìn)行改性的PAMAM具有可作為OP類殺蟲劑的納米解毒劑的潛力。

圖6 MMP與G4-天冬酰胺之間的氫鍵相互作用[21]Fig.6 Hydrogen bond interaction between MMP and G4-asparagine[21]

3 樹枝狀、超支化聚合物在殘留農(nóng)藥分析中的應(yīng)用

在糧食、蔬菜、水果、茶葉等農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中，農(nóng)藥、抗生素和激素等外源物質(zhì)的用量居高不下，這不僅導(dǎo)致農(nóng)藥進(jìn)入生態(tài)水系統(tǒng)，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害，同時(shí)農(nóng)產(chǎn)品中的殘留農(nóng)藥，也極大的影響食用安全，成為使消費(fèi)者致病、發(fā)育不良、甚至中毒死亡的重要因素。因此，需要采用精確、高靈敏度的檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)水系統(tǒng)、食品和生物樣品中微量或痕量殘留農(nóng)藥的檢測。

3.1 負(fù)載噻吩衍生物的樹枝狀納米仿生分子印跡壓電傳感器

有機(jī)氯（OCPs）類化合物是常用來控制害蟲和菌類的農(nóng)藥。體外實(shí)驗(yàn)說明，OCPs 具有雌激素活性，對(duì)魚和野生動(dòng)植物的生殖有不利影響，對(duì)人有致癌和內(nèi)分泌干擾作用。這類農(nóng)藥可通過飲食進(jìn)入人體，并產(chǎn)生70，000 倍的毒副作用[22]。雖然世界各國針對(duì)OCPs 已制定了嚴(yán)格的生產(chǎn)、使用、廢物處理甚至禁止使用的相關(guān)規(guī)定，但仍有大量的OCPs 殘存于自然環(huán)境中，對(duì)生物體和人體健康造成危害。精確分析生態(tài)水系統(tǒng)和生物樣品中的OCPs 等農(nóng)藥的殘量，對(duì)掌握有機(jī)污染物分布、生物修復(fù)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理等信息具有重要意義。

圖7 DDT 和HCB 在分子印跡樹枝狀分子(MID)空腔里的結(jié)合示意圖[23]Fig.7 Schematic diagram of DDT and HCB binding in molecularly imprinted dendritic molecule(MID)cavity[23]

目前，使用最為廣泛的OCPs 是二氯二苯三氯乙烷（DDT）和六氯苯（HCB）。有效的針對(duì)這兩種OCPs 進(jìn)行殘留農(nóng)藥分析，制備低檢測線的納米纖維分子印跡傳感器具有重要的意義。Prasad等[23]制備了基于樹枝狀分子納米纖維的雙重模板仿生分子印跡壓電傳感器，用于樣品中DDT 和HCB的殘量分析。他們首先通過Au-S 鍵在金石英晶體表面固定了2，5-二酰氯噻吩，將這些分子共價(jià)連接于樹枝狀大分子上。然后將兩種目標(biāo)分析物與交聯(lián)劑、引發(fā)劑混合，于65 ℃進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)，在金表面自組裝樹枝狀分子納米纖維，制備得到了可用于檢測痕量農(nóng)藥殘余的分子印跡傳感器（圖7）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該傳感器對(duì)DDT 和HCB 的檢測濃度分別在5～150 和5～75×10-3mg/L 范圍內(nèi)可觀察到線性關(guān)系，檢測濃度極限分別低至0.75 和0.69×10-3mg/L。

三唑類化合物也是一類重要的農(nóng)用殺蟲劑。由于它價(jià)格便宜，廣泛用于保護(hù)水果、大麥和小麥等農(nóng)作物。但是，這類化合物會(huì)干擾人體和哺乳類動(dòng)物的內(nèi)分泌，有誘變和致癌風(fēng)險(xiǎn)，用可靠和精確的分析方法檢測其在環(huán)境中的痕量殘余十分必要。Abolghasemi等[24]制備了納米結(jié)構(gòu)的星形聚噻吩樹枝狀分子，將其用做纖維涂料涂覆于不銹鋼絲表面，用于從水樣中選擇性的萃取戊唑醇、己唑醇、戊菌唑、烯唑醇、苯醚甲環(huán)唑和滅菌唑等三唑類農(nóng)藥。此外，作者優(yōu)化了纖維涂覆、萃取、攪拌速率、離子強(qiáng)度、pH值、解吸附溫度和時(shí)間等實(shí)驗(yàn)條件。該方法具有快速、便宜、纖維的熱穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。在最佳條件下，纖維的重復(fù)性（n=3）是4.3～5.6%，檢測極限為0.8～1.2×10-5mg/L。

3.2 負(fù)載乙酰膽堿酶（AChE）的樹枝狀分子生物傳感器

基于AChE的生物傳感器廣泛應(yīng)用于檢測痕量農(nóng)藥殘余。但是OP或氨基甲酸酯類化合物可與該酶共價(jià)連接，抑制ACh水解為膽堿和乙酸。近年來，通過樹枝狀分子將AChE負(fù)載于載體表面制備生物傳感器是一種新技術(shù)。樹枝狀分子形成的單分子層機(jī)械穩(wěn)定性高、端基可被功能化、樹枝狀分子表面積大，利于提高所固定功能基團(tuán)的數(shù)量，提高傳感器的檢測靈敏度。Tibor Hianik等[25]將AChE和膽堿氧化酶（ChO）固定在混有1-十六硫醇（HDT）的G4-PAMAM樹枝狀分子單層膜表面，制備了新型的酶傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，該傳感器對(duì)DCV的檢測極限是1.3×10-6mg/L，對(duì)卡巴呋喃、毒扁豆堿的檢測極限分別1.0和3.0×10-5mg/L，該數(shù)值遠(yuǎn)低于目前報(bào)道的基于AChE的安培計(jì)和電位計(jì)檢測器。

Pess?a CA等[26]將多晶金表面用第4代聚酰胺-胺（胱胺為核，PAMAM-G4）納米單層膜進(jìn)行修飾，并共價(jià)連接AChE（圖8）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用該樹枝狀分子修飾金電極，在其表面得到了具有反應(yīng)活性的巰基，利于對(duì)農(nóng)藥的化學(xué)吸收，而且樹枝狀分子的三維結(jié)構(gòu)和末端基也利于AChE在金表面的固定。與相似的傳感器比較，該生物傳感器具有孵化時(shí)間短，對(duì)農(nóng)藥西維因（胺甲萘）的檢測極限檢測線低至6.4×10-3mg/L。

圖8 Au/PAMAM/GLUT/AchE生物檢測器的制備示圖[26]Fig.8 Preparation of Au/PAMAM/GLUT/AChE biological detector[26]

Guoyue Shi和Litong Jin等[27]通過自組裝方法制備了AChE/PAMAM-Au/碳納米管（CNTs）多層膜修飾的電極，并用其檢測樣品中殘存的殺蟲劑卡巴呋喃（圖9）。研究發(fā)現(xiàn)，所制備的生物傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性及重復(fù)使用性好，對(duì)卡巴呋喃的檢測極限低至8.8×10-5mg/L。

圖9 CNTs PAMAM-Au yu AChE多層膜的組裝示意圖[27]Fig.9 Schematic diagram of the assembly of CNTs PAMAM-Au yu AChE multilayer films[27]

Wang等[28]合成并表征了多臂碳納米管/PAMAM樹枝狀分子雜化材料（MWCNT-PAMAM），并基于此材料構(gòu)筑了一種壓電免疫傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PAMAM修飾后，MWCNT在水溶液中的分散性良好，且其表面對(duì)抗體的吸附性能有明顯的提高。該傳感器穩(wěn)定性好、檢測靈敏度和精確度高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該免疫傳感器在蘋果和橙汁樣品檢測中針對(duì)氨基甲酸酯類農(nóng)藥—速滅威的檢測極限為1.9×10-2mg/L，檢測準(zhǔn)確度達(dá)到了81.9～101.2%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1～6.8%。

3.3 負(fù)載熒光材料的樹枝狀分子用于殘量農(nóng)藥的檢測

Liu等[29]制備了經(jīng)第三代PAMAM的季銨鹽修飾的量子點(diǎn)PAMAM@QDs（圖10），并用其檢測水溶液中殘存的對(duì)氟苯氧乙酸殺蟲劑。他們發(fā)現(xiàn)，PAMAM@QDs能很好的分散在水中，當(dāng)在水樣中存在對(duì)氟苯氧乙酸時(shí)，其熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。PAMAM@QDs對(duì)該殺蟲劑的最低檢測極限是1.6×10-1mg/L，該最低檢測極限值低于國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定。

圖10 PAMAM 四級(jí)銨鹽樹枝狀分子修飾的量子點(diǎn)的制備[29]Fig.10 Preparation of quantum dots[29]modified by dendritic molecules of PAMAM quaternary ammonium salt

Marco Bonizzoni等[30]將市售染料和第5代（G5）PAMAM樹枝狀聚合物進(jìn)行自組裝，得到了一系列熒光開啟傳感器陣列，并將其應(yīng)用于中性水中的有機(jī)磷酸鹽快速檢測和定量分析。他們采用模式識(shí)別方法對(duì)草甘膦、對(duì)甲基膦酸鹽和無機(jī)磷酸鹽（濃度范圍1.0×10-2～2 mg/L）進(jìn)行了分離和定量分析。該自組裝傳感器陣列所使用的原料樹狀大分子和熒光指示劑易得，為簡單高通量分析檢測有機(jī)磷酸酯開發(fā)了新途徑。

4 總結(jié)與展望

采用樹枝狀、超支化聚合物載體在封裝及檢測殺蟲劑、除草劑和殺菌劑等與農(nóng)用化學(xué)品相關(guān)的諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用前景，為緩解農(nóng)用化學(xué)品對(duì)環(huán)境的污染和人體健康的危害提供了重要的新途徑和新手段，是發(fā)展環(huán)境友好的農(nóng)藥、殺蟲劑，簡單安全檢測殘留農(nóng)藥的發(fā)展方向。目前，Starpharma 公司開發(fā)的基于樹枝狀聚合物的新型農(nóng)藥已經(jīng)在市場進(jìn)行了推廣，但該方面的研究仍任重道遠(yuǎn)。首先，發(fā)展低成本、易于操作、無毒、可大規(guī)模制備的樹枝狀、超支化聚合物作為納米農(nóng)藥載體是重要的待解決的問題，采用價(jià)格低廉、生物相容性好且毒副作用低的天然生物原材料合成載體材料會(huì)成為今后的發(fā)展方向；其次，如何利用樹枝狀、超支化聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以有效控制農(nóng)藥的釋放，充分發(fā)揮活性成分的利用率以減少農(nóng)藥使用量是該研究領(lǐng)域的一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題；最后，提高納米農(nóng)藥的使用效率，例如提高農(nóng)藥在土壤中的滲透力、耐候性、耐雨水沖刷等將是納米農(nóng)藥的既定目標(biāo)。