基于陰/陽離子原位沉淀的高黏附農(nóng)藥助劑研制

柳 永,黃遠(yuǎn)勝,單苗娟,陳興江,劉士旺

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江省農(nóng)業(yè)生物資源生化制造協(xié)同創(chuàng)新中心,杭州 310023;3.浙江貝得藥業(yè)有限公司,浙江 紹興 312071;4.貴州省煙草科學(xué)研究院,貴陽 550001)

陸生植物莖葉表面普遍存在疏水蠟質(zhì)層[1],具有保持表面干燥、增強(qiáng)抗逆性[2]及降低病蟲危害和侵染風(fēng)險(xiǎn)的作用[3]。但恰是這一植物(包括作物)固有的防御結(jié)構(gòu),是造成水系農(nóng)藥液滴在莖葉表面高效回彈的主要原因[4-5],甚至能達(dá)到葉片自清潔的程度[6]。不同陸生植物和表面活性劑會表現(xiàn)出差異化的葉表噴霧駐留特性[7],一些能消減藥滴表面張力的助劑,以及可將藥液微滴轉(zhuǎn)變成非牛頓流體的添加劑被成功研發(fā)并應(yīng)用[8]。常見的農(nóng)藥助劑包括海藻酸鈉、明膠、淀粉、有機(jī)硅高分子、高分子羧酸、磺酸鹽、植物油脂等。中國年均農(nóng)藥助劑用量約在2～3萬t[9],在農(nóng)藥減量增效方面發(fā)揮著積極的作用。即便如此,目前農(nóng)藥利用率仍較為低下,粉劑和液體農(nóng)藥的利用率分別為10%和20%左右。在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效需求不斷提高及環(huán)境保護(hù)措施日益加強(qiáng)的背景之下,開發(fā)高黏附農(nóng)藥助劑以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減量增效的需求顯得十分迫切。

在各種農(nóng)藥助劑體系中,可構(gòu)建界面疏水缺陷的藥液體系表現(xiàn)出十分出眾的水系農(nóng)藥高黏附潛力。該體系最初與早期出現(xiàn)的層疊高分子定向納米組裝研究有關(guān)[10],隨后引入陰陽離子連續(xù)噴涂形成超薄膜的思路[11],最終形成親水缺陷界面介導(dǎo)的液滴捕獲和累積方法[12]。2016年,Maher等[13]報(bào)道了借助高分子陰陽離子原位沉淀反應(yīng)建立的高效藥滴葉面附著方法,可將水劑在玻璃表面的附著率提高10倍以上。類似Maher等采用離子共聚方法制備高分子材料的研究并不鮮見,LPEI、PAA、殼聚糖(chitosan,CS)和海藻酸(alginate,AlgA)等天然和人工合成帶電高分子材料被廣泛用于納米載體[14-15]和水凝膠[16]的研制中,但具體到陰/陽離子組合與農(nóng)藥及植物種類間的適用關(guān)系研究尚未見報(bào)道。因此,我們以疏水聚四氟乙烯膜、煙草和枇杷葉片表面為試驗(yàn)對象,以市售多聚陰、陽離子和陰、陽離子表面活性劑等為試驗(yàn)助劑,開展了基于兩相噴霧方法與原位沉淀反應(yīng)原理的高黏附農(nóng)藥助劑研究,最終采用廉價(jià)易得的市售大宗陰陽離子化合物,建立了農(nóng)業(yè)應(yīng)用可行性良好的新型高黏附農(nóng)藥助劑配方。

1 材料與方法

1.1 試劑與生物材料

聚乙烯亞胺(polyethyleneimine,PEI,純度為99%)、六偏磷酸鈉(sodium hexametaphosphate,SHP,AR級)、聚丙烯酸(polyacrylic acid,PAA,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%)和十二烷基苯磺酸鈉(sodium dodecyl benzene sulfonate,LAS,AR級)均為上海麥克林生化科技有限公司產(chǎn)品;辛烯基琥珀酸淀粉鈉(starch sodium octenyl succinate,SSOS,純度為95%)為佛山市德中化工科技有限公司產(chǎn)品;羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖(hydroxypropyl trimethylammonium chloride chitosan,HACC,黏度40～80 mPa·s,純度為95%)為酷爾化學(xué)科技北京有限公司產(chǎn)品;殼聚糖(chitosan,CS,黏度小于200 mPa·s,AR級)為上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)品;十二烷基二苯醚二磺酸鈉(disodium 4-dodecyl-2,4′-oxydibenzenesulfonate,MADs,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%)、雙十二烷基二甲基一多胺一雙季銨鹽(bis dodecyl dimethyl-polyaminebis quaternary ammonium salt,SS2,純度為95%)和十六烷基磺酸鈉(1-hexadecanesulfonic acid sodium salt,SAS,AR級)均為浙江上虞斯莫有機(jī)化學(xué)研究所產(chǎn)品。試驗(yàn)藥劑-嘧菌酯(azoxystrobin,AZOB,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%)為市售產(chǎn)品阿米西達(dá),梔子藍(lán)色素為武漢拉那白醫(yī)藥化工有限公司產(chǎn)品,乙腈(HPLC級)為美國天地公司(Tedia)產(chǎn)品,乙酸乙酯(AR級)為上海凌峰化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。其他試劑均為國產(chǎn)分析純。C18色譜柱為美國沃特世公司(WATERS)產(chǎn)品,型號為sunfireTMC18(250 mm×4.6 mm,5 μm)。疏水聚四氟乙烯膜(PTFE)為海寧德濾新材料科技有限公司光面濾膜,濾紙為杭州新興紙業(yè)有限公司快速定性濾紙。供試煙草和枇杷品種分別為云煙85和塘棲平頭大紅袍,試驗(yàn)樣品為新鮮成熟葉。

1.2 陰/陽離子助劑組合篩選

1.2.1 酸堿度與噴霧方式對黏附效果的影響

配制2組質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1.0%,pH值分別為自然及調(diào)節(jié)為5.0的10種陰陽離子單組分水溶液,其中陽離子4種(PEI、HACC、CS、SS2),陰離子6種(SHP、PAA、SSOS、MADs、LAS、SAS)。同時(shí)在陽離子溶液中額外溶解梔子藍(lán)色素,達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。PEI、SHP、PAA、SSOS、LAS和SAS水溶液的自然pH值依次為:9.6、6.5、2.8、5.7、8.0、7.5。對4種陽離子溶液分別單獨(dú)噴霧,測量2種酸堿度溶液單相噴霧條件下的黏附效果,并對pH值為5.0的陽離子溶液組與陰離子溶液組做正交組合噴霧,測量黏附效果,初篩優(yōu)選組合。各試驗(yàn)組均獨(dú)立重復(fù)3次,并采用鄧肯氏多重比較法分析試驗(yàn)組間差異顯著性。

黏附效果評價(jià)采用相對附著率測定法進(jìn)行,即以相同尺寸(2 cm×2 cm)PTFE膜與濾紙上梔子藍(lán)色素附著量的比值大小(按等體積浸提液590 nm下吸光值計(jì)算)為評判黏附性能高低的標(biāo)準(zhǔn),相對附著率大即為黏附性能強(qiáng)。計(jì)算公式為:相對附著率=PTFE膜浸提液吸光度/濾紙片浸提液吸光度。噴霧方式采用兩相噴霧法,陰離子SHP、PAA、SSOS、LAS和SAS分別為A相,陽離子PEI、HACC、CS、SS2分別為B相。A、B兩相的噴霧按先后噴霧(標(biāo)記為ST)和45°夾角同時(shí)噴霧(標(biāo)記為BS)2種方式進(jìn)行試驗(yàn),B相單噴對照組標(biāo)記為SN,相對附著率測定與噴霧方法示意如圖1所示。

圖1 相對附著率測定與噴霧方法示意

1.2.2 A、B兩相助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其比例優(yōu)化

配制2組質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%,pH值均為5.0的PEI、HACC、CS、SS2、MADs、LAS、SAS、PAA的單組分水溶液。參照1.2.1節(jié)方法測定ST和BS 2種噴霧模式下的相對附著率,評價(jià)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)助劑的促黏附性能。并按照B相、A相質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為1∶3、1∶1、3∶1,同上述方法進(jìn)行相對附著率測定,篩選pH值為5.0情況下,優(yōu)選高黏附助劑組合與對應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比。

1.2.3 助劑溶液pH對相對附著率的影響

對前述4個(gè)陽離子組中的優(yōu)選助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與噴霧組合開展進(jìn)一步適宜pH篩選,pH值梯度為4.0、5.0、6.0。由于CS在pH值為6.0的水溶液中溶解性差,故該組僅有4.0和5.0兩個(gè)酸堿度處理組。進(jìn)一步開展pH條件篩選的助劑配方見表1。以“ST-0.3% MADs-0.1% PEI”為例說明表1中優(yōu)選組合含義為:ST表示先后噴霧,0.3% MADs表示MADs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,0.1% PEI表示PEI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,其余組合表示方法以此類推。

表1 開展pH條件篩選的助劑配方

1.2.4 優(yōu)選助劑配方的農(nóng)藥黏附率測試

經(jīng)上述優(yōu)化后,優(yōu)選8個(gè)助劑配方開展嘧菌酯葉片表面噴霧黏附效果測試,即無助劑對照CK,1 000倍稀釋的嘧菌酯水溶液對照;Taz1,SN-pH6-0.3% SS2;Taz2,SN-pH5-0.3% HACC;Taz3,SN-pH5-0.3% CS;Taz4,BS-pH5-0.1% MADs-0.1% PEI;Taz5,BS-pH5-0.1% MADs-0.1% CS;Taz6,BS-pH4-0.1% PAA-0.1% SS2;Taz7,ST-pH6-0.1% SAS-0.3% HACC;Taz8,BS-pH5-0.3% SAS-0.1% HACC。將優(yōu)選助劑應(yīng)用到1 000倍嘧菌酯水溶液中開展黏附性能測試,兩相噴霧助劑組合中A相為含A陰離子助劑的無農(nóng)藥水溶液,B相為含B陽離子助劑的1 000倍嘧菌酯水溶液。試驗(yàn)方法與1.2.1節(jié)中相對附著率測定相同,測試樣片分別為PTFE膜、新鮮煙草和枇杷葉片。嘧菌酯含量采用HPLC法測定,HPLC主機(jī)為Waters e2695,檢測器為Waters 2489紫外檢測器,流動(dòng)相為乙腈∶0.1%磷酸水溶液=50∶50,柱溫35 ℃,流速1 mL/min,檢測波長245 nm,色譜柱規(guī)格為sunfireTMC18(250 mm×4.6 mm,5 μm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH自然和pH值為5.0情況下幾種陰/陽離子組合的相對附著率

水溶液pH自然及pH值為5.0條件下,PEI與LAS等6種陰離子采用先后噴霧(ST噴霧)和BS夾角同時(shí)噴霧(BS噴霧)測得的相對附著率見表2,并對同配方組合在2種pH情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析,標(biāo)記不同字母a或b代表差異顯著,標(biāo)記字母相同則表示差異不顯著。從表2可以看出,在pH值調(diào)整為5.0后,7個(gè)配方組合的相對附著率得到顯著升高,3個(gè)配方組合出現(xiàn)下降,二者相差2.3倍。對比各組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)LAS-PEI組合相對附著率整體上低于其他試驗(yàn)組;SAS-PEI組合在pH值為5.0情況下,BS噴霧較ST噴霧相對附著率相差最大達(dá)到0.41;MADs-PEI組4個(gè)相對附著率平均值為1.0,為全部處理組中最高。考慮到不同廠家產(chǎn)品可能存在差異及同一廠家不同產(chǎn)品批次間可能存在差異,后續(xù)試驗(yàn)選擇調(diào)整溶液酸堿度。

表2 pH自然與pH值為5.0情況下PEI噴霧組的相對附著率

CS、SS2、HACC等陽離子與陰離子的組合篩選均在pH值為5.0情況下進(jìn)行,相關(guān)結(jié)果見表3,并對按陽離子種類分組的數(shù)據(jù)進(jìn)行組內(nèi)鄧肯氏多重比較,標(biāo)記字母方式與表2一致,字母不同代表差異顯著。從表3可以看出,在pH值為5.0情況下,單噴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的CS和SS2即可獲得較高相對附著率,附著率最高的兩相噴霧組數(shù)據(jù)并未顯著高于單噴對照組;HACC組中相對附著率最高的3個(gè)組分別出現(xiàn)在LAS、SAS、MADs與HACC的組合之中,其中BS-MADs-HACC組顯著高于同組其他處理。由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%(相當(dāng)于100倍稀釋)在農(nóng)藥施用實(shí)際中稀釋比不夠高,因此后續(xù)提高稀釋倍數(shù)后進(jìn)一步開展黏附效果測試。

表3 pH值為5.0情況下CS、SS2、HACC噴霧組的相對附著率

2.2 A、B兩相的優(yōu)選助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比

對低質(zhì)量分?jǐn)?shù)助劑提高水劑黏附率的效果進(jìn)行測試,得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的陽離子PEI、CS、SS2、HACC單相噴霧相對附著率分別為0.82±0.04、1.05±0.05、0.67±0.03、0.96±0.04。與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的同種助劑相比,平均值分別增減了-10.87%、-3.67%、-50.69%、29.73%。A、B兩相助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%情況下的相對附著率如圖2所示,標(biāo)記字母不同代表差異顯著。從圖2可以看出,最高相對附著率1.41出現(xiàn)于MADs-PEI組合的BS噴霧條件下;SAS-PEI組合不論在ST噴霧或BS噴霧下,均獲得高于1.1的相對附著率,但明顯低于BS-MADs-PEI組;CS則在與MADs和LAS組合的BS噴霧條件下,獲得2個(gè)高相對附著率1.22和1.18,二者差異不顯著但明顯高于同組其他處理;SS2與PAA的組合最高相對附著率為1.08;HACC與SAS組合獲得ST和BS噴霧條件下分別為1.31和1.21的相對附著率;HACC與MADs組合在ST和BS噴霧條件下分別獲得了1.06和1.07兩個(gè)近似的相對附著率。

圖2 助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%情況下的相對附著率

不同陰陽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比下的相對附著率結(jié)果如圖3所示,標(biāo)記字母不同代表差異顯著。從圖3可以看出,MADs-PEI組合在ST噴霧條件下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為3∶1時(shí)相對附著率最高;BS噴霧條件下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1∶1時(shí),相對附著率最高,后者顯著高于前者;SAS-PEI組合,在2種噴霧模式下,均是質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1∶1時(shí)相對附著率最高。CS組中,MADs與CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1∶1時(shí),2種噴霧模式下均獲得高相對附著率,明顯高于ST噴霧模式下3∶1和1∶3組合;LAS-CS組合的BS噴霧模式整體明顯高于ST模式。PAA-SS2組合在質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1∶1和1∶3條件下,分別于ST和BS 2種模式中獲得同噴霧組最高相對附著率。HACC則在與LAS和SAS質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1∶1和1∶3條件下獲得較高相對附著率。

圖3 不同陰陽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比情況下的相對附著率

2.3 優(yōu)選助劑的適宜pH優(yōu)化

優(yōu)選噴霧組合在不同pH情況下的相對附著率如圖4所示。從圖4(a)可以看出,PEI組優(yōu)選試驗(yàn)組依次為BS-0.1% MADs-0.1%PEI-pH5.0、ST-0.3%MADs-0.1%PEI-pH4.0、BS-0.1%SAS-0.1%PEI-pH6.0、ST-0.1%SAS-0.1%PEI-pH5.0,其相對附著率較單獨(dú)噴霧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的PEI分別提高了45.36%、35.05%、24.74%、18.56%,差異顯著。從圖4(b)可以看出,CS組最高相對附著率為BS-0.1% MADs-0.3%CS-pH5.0試驗(yàn)組獲得的1.23,比相同pH下單獨(dú)噴霧質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的CS溶液(相對附著率1.05)提高了17.14%。從圖4(c)可以看出,SS2組最高相對附著率為1.14,由BS-0.1% PAA-0.1%SS2-pH4.0試驗(yàn)組產(chǎn)生,比相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SS2單獨(dú)噴霧(相對附著率0.67)提高了70.15%。從圖4(d)可以看出,HACC組最高相對附著率為1.31,產(chǎn)生于ST-0.1% SAS-0.1%HACC-pH5.0試驗(yàn)組,比相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)HACC的單獨(dú)噴霧對照提高了36.46%;BS-0.3% SAS-0.1%HACC-pH5.0試驗(yàn)組獲得了第2高的相對附著率,比單噴霧對照組提高了33.33%。溶液酸堿度高低影響助劑電性強(qiáng)弱,不同pH條件可影響正負(fù)電性化合物靜電共聚的速度和程度,并導(dǎo)致疏水官能團(tuán)暴露數(shù)量和比例的不同,最終影響農(nóng)藥黏附效果。

圖4 優(yōu)選噴霧組合在不同pH情況下的相對附著率

2.4 終選助劑對嘧菌酯相對附著率的提高效應(yīng)

終選助劑與嘧菌酯組合噴霧的相對附著率如圖5所示。圖5中,CK為空白對照-1 000倍嘧菌酯水溶液,Taz1～Taz8與1.2.4節(jié)相同。從圖5可以看出,PTFE膜、煙草葉片和枇杷葉片上嘧菌酯的相對附著率,均在添加試驗(yàn)助劑后獲得不同程度的提高。多數(shù)試驗(yàn)組中,嘧菌酯在PTFE膜上相對附著率高于煙草葉片和枇杷葉片,這與前期以PTFE膜為對象開展配方篩選有關(guān)。PTFE膜與葉片之間的表面結(jié)構(gòu)差異,造成了葉片組與PTFE組間的數(shù)值差異。此外,枇杷葉片上測得的相對附著率普遍低于煙草葉片,這可能與枇杷葉表絨毛較多,反彈水滴能力更強(qiáng)有關(guān)。綜合對比發(fā)現(xiàn),煙草和枇杷葉片上獲得高相對附著率的前3組均依次為Taz7、Taz4、Taz8,分別比嘧菌酯對照CK(0.29)提高了2.27、1.96、1.68倍和1.17、0.82、0.58倍,且均差異顯著。本研究基于市售PAA和PEI產(chǎn)品并未如Maher等[13]一樣獲得10倍以上的相對黏附率提升,更高的促黏附性能出現(xiàn)在陰離子表面活性劑與多聚陽離子組合(如Taz7、Taz4、Taz8)上。這一方面可能與試驗(yàn)試劑的純度不高,以及試驗(yàn)中采用的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低有關(guān);另一方面也表明基于中國現(xiàn)有的市售助劑供應(yīng)情況,開展PEI與MADs和HACC與SAS構(gòu)成的兩相噴霧助劑研發(fā),可以獲得更好的黏附效果,生產(chǎn)原料也更容易獲得。

圖5 終選助劑與嘧菌酯組合噴霧的相對附著率

3 結(jié) 論

本研究最終獲得了3組優(yōu)選配方:Taz7:ST-pH6-0.1%SAS-0.3%HACC、Taz4:BS-pH5-0.1%MADs-0.1%PEI和Taz8:BS-pH5-0.3%SAS-0.1%HACC。嘧菌酯在煙草葉片和枇杷葉片上的相對附著率分別較對照組提高了2.27、1.96、1.68倍和1.17、0.82、0.58倍。溶液酸堿度及助劑種類、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)比等對農(nóng)藥黏附效果影響顯著。具體到大田應(yīng)用配方、施用方式與作用機(jī)理方面仍有待進(jìn)一步研究。

按目前常規(guī)農(nóng)藥的利用率10%～20%計(jì)算[17],農(nóng)藥利用率尚有80%～90%的可提升空間。農(nóng)藥助劑/增效劑研發(fā)與應(yīng)用的目標(biāo)和意義就存在于這80%～90%可提升空間之中。農(nóng)藥面源污染具有范圍廣和不能集中處理的特征,助劑和增效劑可有效減少農(nóng)藥的源頭排放,因此是最直接有效的治理手段。當(dāng)前市場主流的磺酸鹽類、有機(jī)硅類和精油類單相噴霧助劑,已經(jīng)在大田應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室評價(jià)中體現(xiàn)出增效作用[18]。兩相噴霧體系作為一種新型高黏附農(nóng)藥助劑體系,能夠有效減少因植物表面疏水結(jié)構(gòu)造成的液滴反彈,且可以單相加藥兩相噴霧,在同等噴水總量的情況下,大幅減少農(nóng)藥用量。伴隨兩相噴霧體系的完善和應(yīng)用拓展,會出現(xiàn)更多高黏附和促內(nèi)吸配方,為農(nóng)藥減量施用技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供支撐。