基于水凝膠體系的磷酸根響應控釋農(nóng)藥釋放行為分析

陳超文 劉彬 吳正巖

摘?要?基于Fe3+與羧甲基纖維素鈉（CMC）的交聯(lián)作用，制備了以凹凸棒土（ATP）為載體、吡蟲啉（IM）為目標農(nóng)藥分子的基于水凝膠的磷酸根（PO34）響應控釋農(nóng)藥體系（PCRPH）。利用掃描電鏡、X射線衍射等表征了PCRPH。結果表明，PCRPH與PO34相互作用，主要發(fā)生溶脹和Fe3+解離。隨著PO34濃度增大，PCRPH中分子間距增加并逐步解離，能有效促進內(nèi)部IM分子向外擴散，實現(xiàn)農(nóng)藥的可控釋放，提高農(nóng)藥利用率。釋放動力學分析表明，IM在PO34溶液中的釋放過程屬于Fickian擴散。此外，溶液中IM的釋放量大小不受共存陰離子Cl及pH值的影響，具有良好的穩(wěn)定性，但提高溫度能促進IM從PCRPH中釋放。

關鍵詞?羧甲基纖維素鈉; 鐵離子; 凹凸棒土; 吡蟲啉; 磷酸根離子; 控釋水凝膠

1?引 言

農(nóng)藥被廣泛應用于防治雜草、蟲害、病害等[1，2]，可提高糧食產(chǎn)量[3]。吡蟲啉（Imidacloprid， IM） 作為一種煙堿類殺蟲劑，因具有廣譜、高效、低毒等優(yōu)點而受到關注[4～6]。然而，包括IM在內(nèi)的傳統(tǒng)農(nóng)藥在施用過程中易通過揮發(fā)、徑流遷移、淋溶浸出等方式[7]排放到環(huán)境中，不僅降低農(nóng)藥利用率，還會對環(huán)境產(chǎn)生污染[8～10]。因此，為了提高農(nóng)藥利用率，越來越多研究人員將研究重點放在開發(fā)新型農(nóng)藥方面[11]。

基于微膠囊、有機硅、納米添加劑、多聚物及片劑等[11～16]構建緩釋農(nóng)藥（Slow release pesticides）是解決農(nóng)藥流失問題的一個重要方法。上述技術主要通過在農(nóng)藥中引入載體、增強吸附力的方式，實現(xiàn)農(nóng)藥在較長時間內(nèi)的緩慢釋放，以達到提高農(nóng)藥利用率、降低農(nóng)藥流失的目的。然而，常規(guī)緩釋農(nóng)藥無法實現(xiàn)農(nóng)藥供給與農(nóng)作物需求完全匹配[17]。為了進一步提高農(nóng)藥利用率，實現(xiàn)作物與農(nóng)藥的供需匹配，近年發(fā)展的對外界刺激響應型控釋農(nóng)藥（Controlled-release pesticides， CRP）的研究成為農(nóng)業(yè)和環(huán)境領域的研究熱點。

與傳統(tǒng)農(nóng)藥相比，CRP中農(nóng)藥的釋放可由外界刺激如溫度、光、pH值等環(huán)境因子控制[17～20]，有利于實現(xiàn)對農(nóng)藥的智能化管理。Chi等[17]利用凹凸棒土（Attapulgite，ATP）和發(fā)泡劑NH4HCO3等制備復合納米載體，與除草劑復配研制出溫敏型控釋除草劑顆粒，通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度改變載體中納米孔道數(shù)量，實現(xiàn)除草劑釋放的溫度可控釋放，但溫敏CRP在施用時需焚燒大量秸稈實現(xiàn)升溫，操作復雜。

Singh等[18]通過聚乙二醇和丙烯酸酯反應構建了以香豆素聚合物為主體、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）為目標農(nóng)藥的光響應型CRP，在365 nm光激發(fā)下，2，4-D的釋放速率加快，表明該光敏型CRP具有良好的光響應特性; 同時，該方法操作簡單，能有效降低農(nóng)藥用量，增強農(nóng)藥穩(wěn)定性。然而，該CRP需安裝特定光源、成本較高。Qin等[19]利用植酸（PA）對秸稈（WS）改性制備復合載體PA-WS裝載IM分子，研發(fā)出一種對pH值響應的控釋農(nóng)藥體系。隨著環(huán)境pH值降低，IM的釋放速率增加，在pH=2時釋放率可達85%。該pH敏感型CRP制備簡單、成本低，然而需使用大量酸，易對環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，迫切需要研制出一種操作簡單、成本低且環(huán)境友好的新型控釋農(nóng)藥。

另一方面，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，磷肥（如Ca3（PO4）2等）被大量使用，主要發(fā)揮作用的是PO34 [21]。若以PO34為刺激源構建PO34響應控釋農(nóng)藥系統(tǒng)，則具備了刺激物對作物無害、農(nóng)藥使用高效的特點。本研究通過將ATP、羧甲基纖維素鈉（Sodium carboxymethylcellulose， CMC）及IM的混合物（ACI）與Fe3+交聯(lián)，制備了一種基于水凝膠體系的PO34響應控釋農(nóng)藥（PO34-responsive controlled release pesticide based on hydrogel， PCRPH）。制備路線如圖1所示。其中，CMC表面存在大量羧基，作為水凝膠中的配位體，F(xiàn)e3+則為水凝膠的中心離子[22，23]。ATP作為天然黏土材料，表面存在大量羥基（OH），吸附性強，作為IM分子的載體[17]。PCRPH作為陰離子型水凝膠，在PO34的刺激下易發(fā)生溶脹甚至溶解，由此實現(xiàn)IM分子的控制釋放。農(nóng)藥在水相中的釋放實驗結果表明，隨著PO34濃度升高，PCRPH中IM釋放量迅速增加。相對于傳統(tǒng)農(nóng)藥，PCRPH具備高效的農(nóng)藥控釋效果，能進一步提高農(nóng)藥利用率。通過對PCRPH系統(tǒng)在PO34作用前后的微觀結構和組成分析，確定了PCRPH的溶脹過程，同時考察了共存離子Cl、溫度和pH值對IM釋放的影響。本研究結果為控釋農(nóng)藥的使用提供了理論依據(jù)。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

Sirion 200掃描電子顯微鏡（美國FEI 公司）; ?X射線粉末衍射光譜儀（XRD，日本Rigaku公司）; UV 2550紫外-可見分光光度計（日本Shimadzu公司）; ?ICAP7200電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES， 美國Thermo Fisher Scientific公司）。

CMC （粘度：600～1000 mpa.s）、FeCl3·6H2O （99%）、NaCl、Na3PO4 （96%）、HCl和NaOH（分析純，上海阿拉丁化學試劑公司）; ATP粉末（灰色，100～200目（75～150 μm），堆密度：0.37 g/cm3，安徽明美股份有限公司）; IM （100～300目（50～150 μm），純度97%，威海晨源分子新材料有限公司）。實驗用水為超純水（18.2 MΩ cm）。

2.2?實驗方法

2.2.1?PCRPH的制備?圖1為采用離子交聯(lián)法制備PO34響應控釋水凝膠的詳細流程。將1.5 g ATP、1.6 g CMC、0.18 g IM混合均勻，得到ACI，加入適量水，使混合液的最終質(zhì)量為160 g。將混合液置于60℃水浴中加熱攪拌4 h，再超聲處理30 min，形成均一穩(wěn)定的懸濁液。用注射器吸取20 mL懸濁液，逐滴加入30 mL 0.5%（質(zhì)量分數(shù)）FeCl3，由于Fe3+與CMC的交聯(lián)作用，在溶液中形成直徑約為1.5 mm的PCRPH凝膠球，將小球在FeCl3溶液中孵育30 min，取出，用去離子水沖洗3次。待小球表面自然風干后， 稱量，得每個PCRPH凝膠球質(zhì)量約為20 mg。

2.2.2?IM釋放行為分析?取約0.2 g PCRPH凝膠球，分別置于25 mL不同pH值的水溶液（pH分別為5、7、9，分別用1 mol/L的HCl或NaOH溶液配制而成）、Na3PO4溶液（濃度分別為1、2和5 mmol/L，調(diào)節(jié)pH值均為7）、NaCl溶液（濃度分別為1、2和5 mmol/L），將上述系統(tǒng)放入恒溫搖床中（30℃， 120 r/min），每隔一段時間取出1 mL 上清液， 測定溶液在268 nm處的吸光度，根據(jù)朗伯比爾定律計算溶液中IM的濃度，之后向系統(tǒng)中加入1 mL水，保持系統(tǒng)中釋放溶液總體積不變。最后根據(jù)公式（1）計算IM的累積釋放率（Cumulative release rate， CRR）[18]：

式中，Ct和 Vt分別表示t時刻的IM濃度（mg/L）和取出溶液的體積（mL），m0和Vtotal分別為PCRPH凝膠球的質(zhì)量和溶液總體積。按此方法測定環(huán)境溫度為40℃時PCRPH中IM的累積釋放率。

利用ICP-OES測定在給定時間段5 mmol/L Na3PO4、5 mmol/L NaCl及水中Fe3+的釋放量，以確定凝膠的溶解情況。

2.2.3?溶脹率測定?將約0.2 g PCRPH凝膠球分別浸入2 mmol/L NaCl、2 mmol/L Na3PO4溶液以及水中，保持系統(tǒng)溫度為30℃，浸泡2 h后， 取出凝膠球，用濾紙將球表面水分吸干并稱重。根據(jù)公式（2）計算不同溶液中對應凝膠球的溶脹率（Swelling ratio， SR）：

式中，mt表示浸泡時間t后凝膠球質(zhì)量，m0為凝膠球初始重量。

3?結果與討論

3.1?樣品表征

3.3.1?材料形貌分析?圖2為PCRPH經(jīng)Na3PO4水溶液處理前后的形貌圖。由圖2A可見，采用離子交聯(lián)法制備的水凝膠球大小約為1.5 mm，表面光滑且包覆了一層薄膜。在PCRPH內(nèi)部，CMC具有網(wǎng)狀結構，棒狀的ATP吸附在其表面并聚集成束（圖2B中白色箭頭所示）。同時，CMC及ATP中有些地方可明顯看出增厚的情況（圖2B中紅色箭頭所示），即為吸附的農(nóng)藥分子IM。經(jīng)Na3PO4溶液處理2 h后，PCRPH表面開始出現(xiàn)龜裂，表明在PO34作用下，凝膠將產(chǎn)生溶脹并逐漸裂解（圖2C和2D）。

3.3.2?XRD分析?利用XRD分析了 Na3PO4處理前后PCRPH的晶體結構和成分的變化。如圖3a所示，譜圖中分別出現(xiàn)了明顯的IM （23.8°， 26.4°， 29.7°）[24]、ATP （13.9°， 19.8°， 20.8°， 34.9°） [17]和CMC-Fe （26.7°， 37.1°， 39.7°） [22]特征峰，表明PCRPH中成功引入了ATP和IM分子，同時也形成了Fe和CMC的交聯(lián)凝膠。經(jīng)過Na3PO4處理后，PCRPH中IM特征峰相對強度下降，甚至消失，這是因為凝膠溶脹導致配體間縫隙增大，引發(fā)大量IM分子向溶液中擴散。圖2b中ATP峰強減弱表明， 凝膠溶脹對ATP也有促進釋放的作用。值得注意的是，經(jīng)Na3PO4處理后，在衍射角20°附近出現(xiàn)了一個包絡峰，為減弱的ATP雙峰位（19.8°， 20.8°）和CMC標準峰位復合的結果，表明在凝膠內(nèi)部Fe3+發(fā)生了與CMC的解離[22]。CMC-Fe位于37.1°及39.7°的特征峰相對峰強降低，也證明CMC-Fe凝膠的解離，二者半峰寬的增大說明CMC-Fe中部分分子間距加大，導致峰位更寬，即CMC-Fe產(chǎn)生溶脹。上述結果表明，Na3PO4溶液能引起水凝膠的溶脹及解體。凝膠解離的主要原因可能是PO34、HPO24等與Fe3+存在平衡反應，可促進Fe3+的解離[18]。作為陰離子型水凝膠，PCRPH溶脹的原因可能是由于PO34、

HPO24與分子鏈上羧基中H+的相互作用，導致鏈上羧基解離，分子間靜電排斥力增強，引起水凝膠溶脹度增加[18]。

3.2?IM釋放行為分析

3.2.1?陰離子對IM釋放的影響?Na3PO4溶液濃度對IM釋放的影響如圖4A所示，隨著PO34濃度升高，PCRPH中IM的累積釋放率逐步增加，當Na3PO4濃度為5 mmol/L時，IM釋放量在12 h接近平臺。此時，通過裸眼觀察即可發(fā)現(xiàn)， 凝膠已經(jīng)完全溶解，表明凝膠完全解離。因此，溶液中Fe3+含量增加很快（圖4C），說明PO34可引發(fā)PCRPH的解離，這與XRD結果一致。如圖4B所示， NaCl溶液均不能促進PCRPH中的IM釋放，這是因為Cl無法引發(fā)Fe3+或者羧基的解離。在水和NaCl溶液中，F(xiàn)e3+幾乎不從PCRPH中釋放（圖4D），說明凝膠在水和NaCl溶液中較穩(wěn)定，不發(fā)生解離。

PO34、Cl及水作用下， PCRPH的溶脹情況如圖5所示，Na3PO4引起PCRPH的溶脹率為182%，表明PO34對PCRPH的溶脹有促進作用，這與圖3中XRD的結果一致。另一方面，在NaCl溶液中，PCRPH的溶脹率為91%，而水中PCRPH的溶脹率為98%，二者大小未發(fā)生明顯變化，表明PCRPH在NaCl溶液及水中具有良好的穩(wěn)定性。

3.2.2?溫度和pH值對IM釋放的影響?在中國長江流域，夏季土壤溫度一般較高，地表晝夜溫度在27～43℃范圍內(nèi)波動[25]?；谏鲜鰷囟确秶狙芯糠謩e考察了環(huán)境溫度為30和40℃時IM在水溶液中的釋放，結果如圖6A所示。隨著溫度從30℃升至40℃，分子運動加快，PO34與凝膠中CMC的羧基及Fe3+的反應更加劇烈，因此IM的釋放更快。相比于30℃，在40℃時IM釋放量更早達到平衡。同時，隨著時間延長到12 h以上，溶液中IM濃度下降。考慮到PCRPH凝膠球在此時已經(jīng)完全溶解，IM濃度下降可能是因為在溶液中釋放的ATP對部分農(nóng)藥分子進行了二次吸附。pH值對IM釋放的影響如圖6B所示，當水溶液的pH值分別為5、7和9時， PCRPH未發(fā)生明顯溶脹，IM累積釋放率并未發(fā)生明顯變化，表明PCRPH具有良好的pH穩(wěn)定性。

3.2.3?釋放動力學?為了進一步研究IM的釋放機理，采用First-order[26]、Ritger-peppas[26]及Parabolic Diffusion[27]3個模型擬合PO34作用下， PCRPH在水相中IM的釋放動力學過程，擬合公式分別為：

其中， Mt/M∞為IM在t時刻的累積釋放率; k為釋放動力學常數(shù)，與釋放系統(tǒng)的幾何結構特征相關; n為釋放指數(shù)， 其大小反映了不同的釋放機制： n<0.4時，釋放屬于Fickian擴散; 0.43

IM的釋放動力學擬合參數(shù)（k， n， b）和相關系數(shù)（R2）見表1（釋放條件： ?0.2 g PCRPH凝膠球置于25 mL 5 mmol/L Na3PO4溶液中進行IM釋放）。由表1可知，以Ritger-Peppas模型擬合的IM釋放動力學方程得到的相關系數(shù)R2=0.9334，數(shù)值接近1，且在3個模型中最高; 同時，釋放指數(shù)n<0.4。因此， IM在水相中從PCRPH的釋放過程符合Ritger-Peppas模型，屬于Fickian擴散。

4?結 論

構建了一種對PO34響應的控釋農(nóng)藥體系 （PCRPH），以凹凸棒土為載體，吡蟲啉（IM）為目標農(nóng)藥，羧甲基纖維素鈉與Fe3+交聯(lián)構建凝膠的框架。在PO34刺激下，水凝膠發(fā)生溶脹及解離，促進了內(nèi)部農(nóng)藥分子釋放。分析結果表明，水溶液中IM的釋放與PO34濃度正相關，且屬于Fickian擴散。另一方面，共存的Cl及溶液pH值對IM的釋放無影響，說明PCRPH對PO34的響應具有特異性。此外，溫度升高可促進IM從PCRPH中釋放。

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