溶劑蒸發(fā)法制備辛酰溴苯腈微膠囊及其性能研究

陳元輝，余海濤，趙 峰，冀欽隴，王玉靈，胡冠芳，李惠霞，牛樹君*，劉永剛*

（1.甘肅農業(yè)大學植物保護學院，蘭州 730070；2.甘肅省農業(yè)科學院植物保護研究所，蘭州 730070）

辛酰溴苯腈（Bromoxynil octanoate）是一種廣譜、選擇性苗后莖葉處理觸殺型除草劑，由于該產品具有顯著的除草性能，可用于防除一年生和多年生闊葉雜草，被廣泛運用于防治玉米、小麥、大蒜、胡麻等作物田闊葉類雜草[1-2]。我國辛酰溴苯腈登記的劑型主要為乳油及可分散油懸浮劑等，傳統(tǒng)劑型具有釋放迅速、持效期短等缺點，在田間實際應用過程中常常會增加用量和施用頻率，這會導致防治成本增加，限制其進一步發(fā)展和應用[3-4]。通過微膠囊化技術將農藥活性物質包覆在特定的天然或合成高分子材料中形成微膠囊，能夠有效保護農藥活性物質，降低環(huán)境因素的影響；降低農藥對非靶標生物的毒害風險，提高對人、畜、作物等的安全性；延長有效期，減少施藥次數(shù)[5-7]，因此受到農藥生產企業(yè)及科研學者的廣泛關注。目前，農藥微膠囊領域常用的制備方法有溶劑蒸發(fā)法、界面聚合法、原位聚合法、復凝聚法等[8-9]。其中溶劑蒸發(fā)法因反應條件溫和，工藝簡便，不需要特殊試劑和設備等優(yōu)點而被廣泛用于農藥微膠囊的制備[10]。

目前辛酰溴苯腈微膠囊化劑型鮮有報道，本研究以聚羥基丁酸酯（PHB）為壁材，辛酰溴苯腈為芯材，通過溶劑蒸發(fā)法制備辛酰溴苯腈微膠囊，篩選最佳制備工藝，測定目標產物釋放性能及生物活性，以達到減少辛酰溴苯腈使用量，提高利用率的目的。

1 材料與方法

1.1 試劑

97%辛酰溴苯腈原藥，江蘇禾本生化有限公司；聚乙烯醇（PVA）、聚羥基丁酸酯（PHB），上海麥克林生化科技有限公司；三氯甲烷、透析袋，北京索萊寶科技有限公司；無水乙醇（AR），天津市富宇精細化工有限公司；30%辛酰溴苯腈乳油，浙江禾本科技有限公司；吐溫-80（Tween-80），麥克林試劑公司。

1.2 儀器

CPA 224S 電 子 天 平，德 國Sartorius 公 司；KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山舒美超聲儀器有限公司；RCT basic磁力攪拌器，德國IKA公司；SAII-2-X高剪切乳化機，上海壹維機電設備有限公司；BX53正置顯微鏡，奧林巴斯工業(yè)有限公司；Bettersize 2000激光粒度儀，丹東百特儀器有限公司；UV-4800型紫外可見分光光度計，上海優(yōu)尼科儀器有限公司；FD-1A-50真空冷凍干燥機，博醫(yī)康（北京）儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 辛酰溴苯腈微膠囊的制備

準確稱取0.500 g的辛酰溴苯腈原藥和2.500 g PHB，分別用三氯甲烷溶解，并按芯壁比為1∶5的比例混合為油相；準確稱取20.0 g PVA于去離子水中加熱溶解，待其冷卻后配制成2% PVA水溶液作為水相。按油水相比1∶5的比例將油相和水相混合倒入燒杯中，高速剪切5 min得均質乳液；將乳液加熱攪拌揮發(fā)有機溶劑，待溶劑蒸發(fā)完全，離心洗滌并冷凍干燥，即得辛酰溴苯腈微膠囊粉末，干燥儲存。

1.3.2 單因素試驗設計

以載藥量、包封率和粒徑大小為微膠囊性能指標，通過單因素試驗來探究微膠囊制備過程中芯壁比、油水比、乳化劑質量分數(shù)以及剪切速率等因素對微膠囊性能的影響（表1）。以芯壁材質量比1∶5、油水體積比1∶5、乳化劑PVA質量分數(shù)1%和剪切速率12 000 r/min為基準，確定單個因素對微膠囊性能的影響。

表1 辛酰溴苯腈微膠囊制備單因素試驗水平表

1.3.3 正交試驗篩選最佳制備工藝

在單因素試驗基礎上，采用正交試驗設計，確定辛酰溴苯腈微膠囊制備最佳工藝，具體包括芯壁質量比、油水體積比、PVA質量分數(shù)和剪切速率4個因素作為考察對象，每因素設置3個水平（表2），采用L9（34）正交表，實施方案見表3。以載藥量和粒徑為考察辛酰溴苯腈配方的評價指標。使用極差分析法對正交試驗因素進行分析，通過SPSS計算總響應值（K）和平均響應值（K），并根據(jù)平均響應值求因素極差值（R），依據(jù)R值的大小判斷因素的優(yōu)劣情況和某因素的最佳水平情況，從而得到最佳組合[11]。

表2 辛酰溴苯腈微膠囊制備正交試驗因素和水平

表3 辛酰溴苯腈微膠囊制備正交試驗設計結果表

1.4 微膠囊理化性能表征

1.4.1 微膠囊形貌表征

稱取0.020 g微膠囊干粉加入盛有40 mL蒸餾水的燒杯中，超聲后在光學顯微鏡下選取典型區(qū)域拍照。

1.4.2 平均粒徑測定

使用激光粒度分布儀對微膠囊粒度進行測定，3次重復，取其平均值。

1.4.3 包封率和載藥量的測定

準確稱取0.020 g的微膠囊干粉，置于50 mL的容量瓶中，用無水乙醇溶解并定容至50 mL，室溫下超聲破碎，使其中所包封的辛酰溴苯腈完全溶于無水乙醇中，在10 000 r/min離心5 min，得到上清液，用紫外分光光度計測量上清液的吸光值，根據(jù)辛酰溴苯腈標準曲線求出微膠囊辛酰溴苯腈的質量。按式（1）（2）分別計算包封率和載藥率。

式中：EE為包封率，%；Lc為載藥率，%；Ma為微膠囊中辛酰溴苯腈的質量，g；M1為制備微膠囊時投入的辛酰溴苯腈的總質量，g；M2為辛酰溴苯腈微膠囊干粉的總質量，g。

1.4.4 微膠囊緩釋性能

采用透析袋法[12]研究辛酰溴苯腈原藥與辛酰溴苯腈微膠囊的釋放性能。準確稱取0.024 g原藥和0.100 g微膠囊樣品分別浸入含200 mL 50%無水乙醇溶液的密封容器中，室溫以轉速200 r/min振蕩，每隔一段時間取1 mL上清液，每次取樣后立即補充相同體積50%無水乙醇溶液，通過紫外可見分光光度計測定辛酰溴苯腈的釋放量。按公式（3）計算辛酰溴苯腈累積釋放量并繪制累積釋放曲線。

式中：Q為累積釋放百分率，%；Cn為釋放時間下釋放介質中藥物的質量濃度，mg/mL；V0為釋放介質的體積，mL；Ci為第i個取樣時間點中釋放介質中的藥物質量濃度，mg/mL；V為每次取樣的釋放介質的體積，mL；m為微膠囊中藥物的質量，mg。

1.5 除草活性測定

采用莖葉噴霧法[12]測試辛酰溴苯腈微膠囊的除草活性，對照藥劑為97%辛酰溴苯腈原藥和30%辛酰溴苯腈乳油，于藜2～4葉期進行施藥處理，詳情見表4。使用小型噴壺按照順序依次施藥，待到藥液風干后，移入溫室常規(guī)培養(yǎng)。藥劑處理后每天觀察藜的生長狀態(tài)，14 d后通過目測法以及絕對值（數(shù)測）調查法調查藜存活株數(shù)，根據(jù)公式（4）計算株防效。

表4 辛酰溴苯腈除草活性測定試驗設計

2 試驗結果

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 芯壁材質量比對辛酰溴苯腈微膠囊性能的影響

從表5可以看出，當芯壁材質量比從1∶5減小到1∶15，微膠囊的載藥量從14.73%減小到6.20%，包封率從73.68%增加到93.01%，粒徑在29.16～37.98 μm之間，由單因素方差分析可以得知，芯壁材質量比對載藥量和粒徑具有顯著影響，對包封率的影響不顯著。

表5 芯壁材質量比對辛酰溴苯腈微膠囊性能的影響

2.1.2 油水體積比對辛酰溴苯腈微膠囊性能的影響

從表6可知，油水體積比從1∶5減小到1∶20，微膠囊載藥量為14.74%～16.57%，包封率為73.68%～82.84%，粒徑從30.37 μm減至26.80 μm。方差分析可知，不同油水體積比的微膠囊粒徑間具有顯著性差異。

表6 油水體積比對辛酰溴苯腈微膠囊性能的影響

2.1.3 PVA質量分數(shù)對辛酰溴苯腈微膠囊性能的影響

由表7可知，當PVA質量分數(shù)從0.5%增加到2%時，微膠囊載藥量從12.47%增加至17.12%；微膠囊包封率從62.35%提高到80.62%；而粒徑則由51.88 μm減至30.37 μm。由單因素方差分析可以得知，PVA質量分數(shù)對微膠囊包封率、載藥量、粒徑大小具有顯著影響。

表7 PVA質量分數(shù)對辛酰溴苯腈微膠囊性能的影響

2.1.4 剪切速率對微膠囊性能的影響

由表8可以得知，當剪切速度從6 000 r/min增大為12 000 r/min時，微膠囊的載藥量為14.49%～15.46%；包封率由72.49%增至73.68%；粒徑從49.07 μm減至30.37 μm。通過單因素方差分析可知，剪切速度對微膠囊載藥量和包封率的影響不顯著，對微膠囊的粒徑影響顯著。

表8 剪切速率對辛酰溴苯腈微膠囊性能的影響

2.2 正交試驗結果

正交試驗法適用于多因素多水平的農藥制劑配方篩選。本試驗采用L9（34）正交試驗設計，而后通過極差法和綜合平衡法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，正交試驗結果見表9，綜合載藥量和粒徑2項關鍵指標確定最佳制備工藝。

表9 辛酰溴苯腈微膠囊制備正交試驗結果

通過比較表10極差R可知，各因素對辛酰溴苯腈微膠囊載藥量的影響程度依次為芯壁材質量比＞油水體積比＞剪切速率＞PVA質量分數(shù)；根據(jù)表11中極R可知，對微膠囊粒徑影響大小為剪切速率＞油水體積比＞芯壁材質量比＞PVA質量分數(shù)。結合載藥量最大和粒徑最小2項標準確定辛酰溴苯腈微膠囊最佳制備工藝條件為A3B3C3D3，即芯壁材質量比為1∶5，油水體積比為1∶5，PVA質量分數(shù)為2%，剪切速率為12 000 r/min。

表10 基于辛酰溴苯腈微膠囊載藥量的正交試驗極差分析

表11 基于辛酰溴苯腈微膠囊粒徑的正交試驗極差分析

2.3 微膠囊形貌觀察

通過光學顯微鏡對最佳工藝條件下（芯壁材質量比1∶5，油水體積比1∶5，PVA質量分數(shù)2%，轉速12 000 r/min）制備的辛酰溴苯腈微膠囊進行觀察。由圖1可以看出，淡黃色的辛酰溴苯腈原藥被包裹在微膠囊之中，且微膠囊形態(tài)大小比較均勻，分散較好，有利于微膠囊在靶標植物表面均勻沉積。

圖1 辛酰溴苯腈微膠囊光學顯微鏡照片

2.4 微膠囊粒徑及其分布

采用激光粒度分布儀測定最優(yōu)工藝條件下制備的辛酰溴苯腈微膠囊粒徑大小及其分布情況，測定膠囊粒徑D50值為24.82 μm，跨度為3.307，微膠囊粒主要分布在1～100 μm之間（圖2）。

圖2 辛酰溴苯腈微膠囊粒徑分布圖

2.5 微膠囊包封率和載藥量

在最佳工藝條件下制備3次辛酰溴苯腈微膠囊，對其包封率和載藥量進行了測定，其平均包封率為91.90%，載藥量為18.38%。

2.6 微膠囊的釋放性能

圖3為辛酰溴苯腈微膠囊和原藥在50%乙醇中的釋放曲線，由此可以看出，辛酰溴苯腈原藥在24 h后釋放完全，而辛酰溴苯腈微膠囊釋放則分為2個部分，前48 h內快速釋放，之后緩慢釋放，釋放時長超過148 h，累積釋放率達83%。微膠囊前期釋放為快速釋放，該釋放方式能快速發(fā)揮防治效果，釋放后期為緩慢釋放，這種釋放方式能保證辛酰溴苯腈藥效的持效期。

圖3 辛酰溴苯腈微膠囊和原藥釋放曲線

2.7 微膠囊除草性能

本研究采用除草劑室內生物測定試驗——莖葉噴霧法，測定辛酰溴苯腈微膠囊化后的除草活性。施藥7 d后，97%辛酰溴苯腈原藥及30%辛酰溴苯腈乳油用藥量為450 g/hm2時，對藜的株防效分別為92.50%、95.00%；辛酰溴苯腈微膠囊的施藥量在225、360 g/hm2和450 g/hm2情況下株防效分別為91.67%、95.83%和98.33%（表12）。方差分析結果表明，97%辛酰溴苯腈原藥450 g/hm2、30%辛酰溴苯腈乳油450 g/hm2、辛酰溴苯腈微膠囊360 g/hm2和450 g/hm2之間的株防效無顯著差異（圖4），結合用藥成本以及對環(huán)境影響考量，選用360 g/hm2辛酰溴苯腈微膠囊，能達到和商用乳油制劑相當?shù)某菪Ч?，微膠囊制劑較常規(guī)劑型乳油藥量減少了20%，此時辛酰溴苯腈微膠囊能起到減少施藥量，提高利用率的作用。

表12 辛酰溴苯腈原藥、乳油及微膠囊制劑藥后7 d對藜的除草效果

圖4 辛酰溴苯腈原藥、乳油及微膠囊不同處理7 d 后藜的生長情況

3 討論與結論

農藥微膠囊的制備工藝會影響農藥產品載藥量、包封率、粒徑、形貌和緩釋效果等，本研究以PHB為壁材，辛酰溴苯腈為芯材，通過溶劑蒸發(fā)法制備了辛酰溴苯腈微膠囊。通過單因素試驗探討了芯壁比、油水比、乳化劑質量分數(shù)以及剪切速率等因素對微膠囊性能的影響。通過方差分析可知，芯壁材質量比對載藥量和粒徑的影響顯著，對包封率的影響不顯著；油水比對微膠囊粒徑的影響顯著，油水體積比主要影響制備過程中乳液的穩(wěn)定性，當油水比過小，乳液不穩(wěn)定，蒸發(fā)時會導致微膠囊容易發(fā)生團聚[14]；PVA質量分數(shù)對微膠囊包封率、載藥量、粒徑大小的影響都顯著，PVA既可作為穩(wěn)定劑也可作為乳化劑提升水相黏度，穩(wěn)定體系，提高微膠囊的包封率，當PVA的含量較低時，乳液體系穩(wěn)定性會降低，因此導致微膠囊成囊率下降[15]；剪切速度對微膠囊載藥量和包封率的影響不顯著，對微膠囊的粒徑影響顯著，剪切速度對微膠囊性能影響主要體現(xiàn)在微膠囊的粒徑上，這與他人研究結果相符[16]。

在單因素試驗基礎上，通過正交試驗優(yōu)化確定了最佳制備工藝條件為芯壁材質量比為1∶5，油水體積比為1∶5，PVA質量分數(shù)為2%，剪切速率為12 000 r/min，此條件下制備的微膠囊載藥量為18.38%，包封率為91.90%，中位粒徑D50值為24.82 μm。

通過透析袋法測定表明，微膠囊具有良好的緩釋性能。以藜為靶標進行生物活性試驗結果表明，與商用乳油制劑相比，辛酰溴苯腈微膠囊能夠有效減少辛酰溴苯腈使用量，提高其利用率，因而具有一定應用前景。