菜籽粕改性光控農(nóng)藥釋放載體的合成及其性能

楊晨曦, 陳田慶, 王 健, 張海歐

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安 710075)

農(nóng)藥因能夠解決農(nóng)作物的病蟲(chóng)害等問(wèn)題而可提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[1]。然而，傳統(tǒng)農(nóng)藥釋放機(jī)制和實(shí)際應(yīng)用方式使得大量農(nóng)藥未能精確作用于生物靶標(biāo)，造成農(nóng)藥浪費(fèi)，并對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，如何在解決農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害的同時(shí)減少農(nóng)藥使用量及其對(duì)環(huán)境的污染是研究的重要方向[2-3]。

農(nóng)藥控制釋放是指在負(fù)載基材上負(fù)載特定藥物，通過(guò)外部控制使釋放系統(tǒng)按需釋放農(nóng)藥。近年來(lái)，已有許多農(nóng)藥控釋制劑 (CRF) 在外部刺激下可針對(duì)性地向土壤和作物釋放農(nóng)藥，有效降低農(nóng)藥使用量，因此CRFs 有望成為農(nóng)藥與環(huán)境領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[4]。通常，農(nóng)藥控釋劑可對(duì)pH 值[5]、近紅外 (NIR)[6]、溫度[7]等刺激具有響應(yīng)，如Gao等[2]以聚甲基丙烯酸縮水甘油酯-丙烯酸 (PGMAAA) 接枝中空介孔二氧化硅，合成出pH 敏感控釋體系，其在pH 值為5 和7 的條件下可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存放，并且在堿性條件下可釋放出負(fù)載的阿維菌素 (abamectin) 分子。Chen 等[8]合成了一種對(duì)pH 敏感的毒死蜱/銅 (II) schiff 介孔二氧化硅，為農(nóng)藥控釋提供了高效的緩釋載體。然而，由于基質(zhì)和制備工藝成本較高，這些緩控制劑在產(chǎn)業(yè)化方面仍存在局限性。此外，CRFs 中的一些基材向土壤中引入的物質(zhì)可能會(huì)損害土壤和作物的安全。基于此，本文提出了一種具有良好生物降解性的新型光控釋農(nóng)藥載體。

菜籽粕 (rapeseed meal, RSM) 是一種豐富的農(nóng)業(yè)廢棄物，其主要由蛋白質(zhì)、木質(zhì)纖維、油脂和礦物組成，富含氮和碳等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，常被用作動(dòng)物飼料中的蛋白質(zhì)補(bǔ)充劑，有時(shí)用作肥料[9]。苯基吡唑啉類(lèi)除草劑唑啉草酯 (pinoxaden, Pxd) 屬于乙酰輔酶A 羧化酶 (ACCase) 抑制劑類(lèi)除草劑，因具有良好的除草性能而備受關(guān)注[10]，然而傳統(tǒng)使用方法可造成Pxd 隨雨水等地表徑流遷移，從而造成乳油Pxd 流失[11]，若將唑啉草酯制備成光控釋制劑，通過(guò)不同條件的光照控制農(nóng)藥的釋放，對(duì)于避免農(nóng)藥流失與污染環(huán)境具有重要意義。基于此，本文利用廉價(jià)的RSM 為基材，通過(guò)在RSM表面附著對(duì)氨基偶氮苯 (AAB) 顆粒和疏水涂層(聚十八烷基硅氧烷，PODS)，制備出可生物降解且具有光響應(yīng)性的RSM-PODS/AAB 農(nóng)藥載體，其可在紫外光 (UV) 與可見(jiàn)光 (Vis) 照射下可進(jìn)行順?lè)串悩?gòu)體轉(zhuǎn)化。將該載體負(fù)載唑啉草酯，光致順-反和反-順異構(gòu)的轉(zhuǎn)化可導(dǎo)致AAB 分子連續(xù)旋轉(zhuǎn)-反轉(zhuǎn)，可促進(jìn)制劑中唑啉草酯的釋放。此外，為了提高RSM 對(duì)油性農(nóng)藥的負(fù)載率，在RSM 表面的疏水涂層PODS 提高了RSM 對(duì)油性農(nóng)藥的吸附率，從而提高了實(shí)用性。

1 材料與方法

1.1 供試材料與儀器

菜籽粕 (rapeseed meal，RSM)，陜西豐兆農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司 (陜西西安)；乙醇 (純度95%)和甲苯 (純度99%)，天津化學(xué)試劑廠；10%唑啉草酯(pinoxaden，以下簡(jiǎn)稱(chēng)Pxd) 乳油，安徽遠(yuǎn)景作物保護(hù)有限公司。對(duì)氨基偶氮苯 (AAB)，上海麥克林生化科技有限公司 (上海)；十八烷基三氯氫硅(OTS)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司 (上海)。

Spectrum 65 傅里葉紅外光譜儀 (FT-IR) (珀金埃爾默股份有限公司)；Hitachi S-4800 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (SEM，日本日立公司)；JCY-001 接觸角測(cè)試儀 (上海方瑞儀器有限公司)；Lambda 650紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) (珀金埃爾默股份有限公司)。

1.2 RSM 預(yù)處理

先在乙醇中超聲清洗原始RSM，再用去離子水超聲清洗；將干燥后的RSM 粉末均勻分散于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氫氧化鈉溶液中，攪拌1.0 h 以去除黏附物；用乙醇和去離子水洗去RSM 中多余的離子并在室溫下干燥。

1.3 光控菜籽粕農(nóng)藥控釋劑制備與表征

RSM-PODS 制備：首先，將50 mL 甲苯和1 mL OTS 的混合物在15 ℃下磁力攪拌10 min，制備前驅(qū)體；然后，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的RSM 浸入前驅(qū)體中，在15 ℃下反應(yīng)1.0 h。將所得產(chǎn)物浸入甲醇中洗滌數(shù)次，室溫下干燥。

RSM-PODS/AAB 的制備：先將50 mL 甲苯、1.0 g AAB 和1 mL OTS 的混合物在15 ℃下磁力攪拌10 min，制備前驅(qū)體，后續(xù)步驟與RSM-PODS制備過(guò)程相同，得到RSM-PODS/AAB。將所得產(chǎn)物置于無(wú)紡布袋中，放入含有10% Pxd 乳油的燒杯中充分吸附30 min。

采用SEM 觀察試樣形貌；采用FT-IR 測(cè)定分析試樣的化學(xué)鍵和官能團(tuán)；采用接觸角測(cè)試儀測(cè)量接觸角；通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)獲得紫外-可見(jiàn)光譜。

1.4 平衡吸附測(cè)量

平衡吸附量為吸附材料的最大穩(wěn)定吸附量。為了測(cè)量RSM-PODS/AAB 的吸附油類(lèi)物質(zhì)的平衡吸附性能，進(jìn)而研究RSM-PODS/AAB 可負(fù)載農(nóng)藥的最大量，采用茶袋稱(chēng)重法測(cè)定了制備材料的平衡吸油性能并根據(jù)公式 (1) 計(jì)算[12]。

式中：Q為吸附平衡狀態(tài)下的吸油性能，g/g；mb和ma分別是吸附前后樣品的質(zhì)量，g。

1.5 控釋試驗(yàn)

取2 g 制備的吸附了Pxd 的RSM-PODS/AAB，吸附平衡后放入含有潮濕土壤的250 mL 燒杯中，其中潮濕土壤由20 mL 水與150 g 過(guò)2 mm篩的干土混合而成；之后，模擬25 ℃下其在不同波長(zhǎng)光照射 (UV、Vis、UV-Vis、陽(yáng)光和黑暗) 下的釋放行為。將光照后的土壤置于離心管中，在800 r/min 下離心2 min。收集2.0 mL 上清液，并在相同時(shí)間間隔內(nèi)用分光光度法測(cè)量釋放農(nóng)藥的含量，測(cè)量后將被測(cè)溶液放回?zé)?，以保持周?chē)斔徒橘|(zhì)的恒定。按式 (2) 計(jì)算累積釋放率 (R)。

式中：me和mt分別為平衡狀態(tài)下負(fù)載在RSMPODS/AAB 上的Pxd 質(zhì)量和在釋放過(guò)程中任意時(shí)間t從負(fù)載有Pxd 的RSM-PODS/AAB 釋放的Pxd 質(zhì)量(單位均為g)。通過(guò)測(cè)定Pxd 在UV、Vis、UV-Vis、日光和黑暗照射下累積釋放率的差異，評(píng)價(jià)光照條件下RSM-PODS/AAB 的控釋效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 載體結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 SEM 分析 圖1 分別為RSM (a)、預(yù)處理后的RSM (b)、RSM-PODS (c) 和RSM-PODS/AAB (d) 的SEM 圖像。圖1a 展示了RSM 的原始結(jié)構(gòu)，較為光滑的表面有許多褶皺，這種粗糙形貌提供了較高的吸油能力。圖1b 為堿處理后RSM 的結(jié)構(gòu)，此時(shí)RSM 表面更加堅(jiān)硬且粗糙，這種形貌變化是由于RSM 表面的天然蠟質(zhì)層去除、纖維素和木質(zhì)素部分破壞，同時(shí)使得大量的羥基、羧基暴露出來(lái)，有利于后續(xù)的表面改性。圖1c 為RSM-PODS 的表面形貌，RSM 基材表面覆蓋的PODS 疏水涂層導(dǎo)致RSM-PODS 的表面形態(tài)特征比RSM 粗糙。圖1d 中的RSM 骨架表面有顆粒，這種新型的RSM-PODS/AAB 雜化結(jié)構(gòu)結(jié)合了AAB 顆粒和PODS 涂層的優(yōu)點(diǎn)，有利于提高疏水性/親脂性，使制備的材料具有光響應(yīng)特性。

圖1 RSM (a)、Pre-RSM (b)、RSM-PODS (c) 和RSM-PODS/AAB (d) 的SEM 圖像Fig.1 SEM micrographs of RSM (a), Pre-RSM (b), RSM-PODS (c) and RSM-PODS/AAB (d)

2.1.2 FT-IR 分析 圖2 為RSM (a)、Pre-RSM(b)、RSM-PODS (c)和 RSM-PODS/AAB (d)的FT-IR 圖。其中，3316 cm–1處的峰值歸因于羥基的拉伸振動(dòng)，RSM 的光譜在2931 和1047 cm–1處顯示出顯著峰值為亞甲基和C–O 拉伸振動(dòng)[13]。此外，1529 cm–1處的吸收峰為RSM 中木質(zhì)素苯環(huán)的拉伸振動(dòng)[14]。圖2 (c、d) 所示，RSM-PODS 和RSM-PODS/AAB 在2980 和2879 cm–1處顯示出CH2的吸收峰，并且在1145 cm–1處出現(xiàn)的吸附峰對(duì)應(yīng)于Si–O–Si 鍵的不對(duì)稱(chēng)拉伸模式，這證明形成了長(zhǎng)鏈聚硅氧烷[15]。此外，在大約1587 cm–1處觀察到平面內(nèi)的N–H 變形，大約1403 cm–1處的譜帶是由于低波數(shù)區(qū)域的移動(dòng)，表明N = N 裝飾在RSM 表面上，因此，成功合成了RSM-PODS/AAB。

圖2 RSM (a)、Pre-RSM (b)、RSM-PODS (c) 和RSMPODS/AAB (d) 的FT-IR 光譜分析Fig.2 FT-IR spectroscopic analysis of RSM (a), Pre-RSM(b), RSM-PODS(c) and RSM-PODS/AAB (d)

2.2 載體性能分析

2.2.1 吸附性能 RSM 由于其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和親油性而具有較強(qiáng)的吸油性能，然而，作為油基農(nóng)藥CRF 的載體，其固有的低吸油性能仍有限。因此，為了獲得優(yōu)異的吸油性能，通過(guò)OTS 改性引入了長(zhǎng)鏈烷基疏水涂層以提高其親油性。SEM 和FT-IR 測(cè)定結(jié)果顯示，RSM 表面修飾了長(zhǎng)鏈烷基和粗糙涂層，而RSM 的水接觸角 (WCA) 和油接觸角 (OCA) 如圖3a 所示?？梢钥闯觯篟SM 的WCA和OCA 分別為12°和10°，說(shuō)明RSM 是一種兩親性材料，此外，Pre-RSM 的WCA 和OCA 沒(méi)有顯著變化，這是由于其表面成分沒(méi)有明顯變化。此外，RSM-PODS 的WCA 和OCA 分別為125°和4°，表明RSM 表面引入了疏水涂層。RSM-PODS/AAB的WCA 和OCA 分別為120°和5°，這可能是由于AAB 表面的 -NH2官能團(tuán)降低了RSM-PODS 的疏水性。然而，由于AAB 含量較低，疏水性/親脂性的降低并不影響制備的RSM-PODS/AAB 的整體潤(rùn)濕性，從而導(dǎo)致相對(duì)較強(qiáng)的疏水性和親脂性。

圖3 不同改性材料的油水接觸角 (a) 以及RSM、Pre-RSM、RSM-PODS 和RSM-PODS/AAB 在不同時(shí)間的吸油能力 (b)Fig.3 (a) The different contact angle of oil and water on different materials; (b) The oil loading capacity of RSM, Pre-RSM,RSM-PODS, and RSM-PODS/AAB at different times

RSM、Pre-RSM、RSM-PODS 和RSM-PODS/AAB 的吸油能力如圖3b 所示，其最佳吸油量分別為16.1、16.4、20.5 和19.5 g/g。Pre-RSM 吸油能力提高是由于堿處理RSM 破壞了材料表面的纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使Pre-RSM 表面粗糙，從而提高了其吸附能力。利用OTS 前驅(qū)液進(jìn)行浸涂處理則賦予了粗糙的結(jié)構(gòu)和理想的疏水長(zhǎng)鏈，從而提高了親油性，因此RSM-PODS 和RSM-PODS/AAB 的吸油性能高于未改性的RSM 和Pre-RSM。此外，RSM-PODS/AAB 的最佳吸附容量低于RSM-PODS，這是由于RSMPODS/AAB 表面存在親水性NH2基團(tuán)，-NH2官能團(tuán)降低了RSM-PODS/AAB 的疏水性，從而降低了吸附有機(jī)溶劑的能力。

2.2.2 光響應(yīng)釋放行為及機(jī)理研究 在眾多光刺激響應(yīng)物質(zhì)中，AAB 具有順?lè)串悩?gòu)體，在不同的光照下可以相互轉(zhuǎn)換(圖式1)[16]，這種具有特殊性質(zhì)的光敏劑在CRFs 中表現(xiàn)出良好的光響應(yīng)控制性，因此，通過(guò)研究AAB 的紫外-可見(jiàn)吸收光譜可證明其具有順?lè)串悩?gòu)性質(zhì)。如圖4 所示，當(dāng)AAB 分子受到UV 照射時(shí)，UV 區(qū)域的峰值減小，同時(shí)，Vis 區(qū)的峰值增加，這種特殊現(xiàn)象表明UV 可以誘導(dǎo)AAB 分子的順-反式轉(zhuǎn)變[17]。此外，在Vis 照射下，UV 區(qū)的峰增加，而Vis 區(qū)的峰減少，表明在Vis 照射下會(huì)出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。結(jié)果表明，不同光照誘導(dǎo)的反-順和順-反異構(gòu)化有助于AAB 單元的連續(xù)旋轉(zhuǎn)-反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)RSM-PODS/AAB 農(nóng)藥的釋放。

圖式1 AAB 在不同光照條件下的順?lè)串悩?gòu)化Scheme 1 Cis- and trans- isomerization of AAB under different light conditions

圖4 AAB 在不同光照時(shí)間下的UV-Vis 光譜Fig.4 UV-Vis spectrum of AAB in ethanol under different light duration

為了闡明RSM-PODS/AAB 的釋放行為，進(jìn)一步研究了RSM-PODS/AAB 的光觸發(fā)農(nóng)藥控釋效應(yīng)。如圖5a 所示，當(dāng)RSM-PODS/AAB 置于黑暗中時(shí)，在72 h 內(nèi)Pxd 的累積釋放率僅為83%，當(dāng)RSM-PODS/AAB 置于UV 光和Vis 下72 h 內(nèi)，Pxd 的累積釋放率均為90%。因此，累積釋放率的結(jié)果表明AAB 部分在UV 或Vis 照射下只能產(chǎn)生單向異構(gòu)化，不能作為促進(jìn)Pxd 釋放的“攪拌器”。為了進(jìn)一步驗(yàn)證AAB 分子在RSM-PODS/AAB 中的“攪拌器”性能，使用UV-Vis 和陽(yáng)光刺激RSM-PODS/AAB，圖5b 分別顯示了UV-Vis和陽(yáng)光照射下的累積釋放率結(jié)果。

圖5 不同光照下RSM-PODS/AAB 的Pxd 累積釋放率Fig.5 The accumulative release ratio of Pxd from RSM-PODS/AAB with different light irradiation

UV-Vis 照射4 h，累積釋放率可達(dá)95%，這是由于AAB 部分在UV-Vis 光的驅(qū)動(dòng)下不斷發(fā)生反向光異構(gòu)化，加速了Pxd 的釋放[18]。此外，在陽(yáng)光照射下6 h 內(nèi)負(fù)載的農(nóng)藥累積釋放率達(dá)92%，累積釋放結(jié)果與通過(guò)UV-Vis 釋放的刺激較為一致，這種現(xiàn)象可能歸因于太陽(yáng)光較寬的光譜 (290～3200 nm)[19]。與UV-Vis 相比，AAB 單元在陽(yáng)光照射下表現(xiàn)出相對(duì)緩慢的光異構(gòu)化，較難完全刺激AAB 分子，因此不能完全促進(jìn)RSM-PODS/AAB 中Pxd 的釋放，然而，根據(jù)Neeraj 理論[20]，升高溫度可提高順式到反式的反應(yīng)速率，因此高溫有利于AAB 發(fā)揮攪拌作用，從而加快累積釋放率，據(jù)此，累積釋放率的增加可能是由于太陽(yáng)光照射下的熱輻射效應(yīng)。

除了UV-Vis 或陽(yáng)光敏感特性外，AAB 分子的熱順-反異構(gòu)化特性也被用于賦予RSM-PODS/AAB 熱響應(yīng)特性[21]。為了研究Pxd 在熱刺激的控制釋放性能，控制釋放實(shí)驗(yàn)的溫度保持在308.15 K，并使用UV-Vis 分光光度計(jì)測(cè)量Pxd 的累積釋放率。如圖5c 所示，在無(wú)UV-Vis 照射的條件下，Pxd 在308.15 K 下72 h 內(nèi)累積釋放率可達(dá)90%，釋放結(jié)果與UV 或Vis 下的釋放速率相似，表明熱刺激可以迅速釋放Pxd 分子。此外，在308.15 K的UV-Vis 輻射下，Pxd 在4 h 內(nèi)的累積釋放率可達(dá)97%，這一結(jié)果高于單純UV-Vis 光照。熱響應(yīng)的Pxd 控制釋放可能均勻分布在RSM-PODS/AAB 中的AAB 部分，這些AAB 部分可以很容易地收集熱量并觸發(fā)順-反異構(gòu)化。綜上所述，UV-vis和熱效應(yīng)之間存在關(guān)聯(lián)，共同促進(jìn)了Pxd 的釋放。

2.2.3 釋放動(dòng)力學(xué) 準(zhǔn)一階、Ritger-Peppas 和Higuchi 3 種數(shù)學(xué)模型被廣泛用于研究藥物的控釋機(jī)理。表1 列出了負(fù)載有Pxd 農(nóng)藥分子的RSMPODS/AAB 的控制釋放行為不同擬合參數(shù)，從3 種不同擬合方程的決定系數(shù) (R2) 可以看出，Pxd從RSM-PODS/AAB 的持續(xù)釋放可以更好地用Higuchi 方程來(lái)解釋?zhuān)@是由于RSM 的溶脹效應(yīng)很小，這與Higuchi 在應(yīng)用公式之前的假設(shè)一致[22]，因此這種光刺激-響應(yīng)釋放機(jī)制適用于Higuchi 模型。Higuchi 方程擬合度高表明擴(kuò)散釋放是主要的釋放行為，即RSM-PODS/AAB 的農(nóng)藥釋放受一個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的物理過(guò)程控制，此物理過(guò)程可歸因于在UV-Vis 光照下AAB 的持續(xù)順?lè)串悩?gòu)而產(chǎn)生的攪拌行為。此外，Higuchi 數(shù)學(xué)模型還表明隨著農(nóng)藥逐漸向外界釋放，RSM-PODS/AAB 的控制釋放邊界向內(nèi)移動(dòng)[23]，即RSM-PODS/AAB 的控制釋放過(guò)程有一個(gè)“移動(dòng)邊界”。然而，Ritger-peppas 的決定系數(shù) (R2) 表明，在黑暗下，RSM-PODS/AAB 的農(nóng)藥釋放過(guò)程可以更好地用Ritger-peppas 方程來(lái)解釋?zhuān)@是由于對(duì)于RSMPODS/AAB 顆粒，n為0.7607 (0.43

表1 三種模型計(jì)算控釋相關(guān)系數(shù)Table 1 The control release coefficients calculated with three models

3 結(jié)論

1) 以菜籽粕為基材，對(duì)氨基偶氮苯與OTS 為改性劑，通過(guò)簡(jiǎn)單的浸涂法合成了一種光刺激-響應(yīng)的可生物降解的RSM-PODS/AAB 載體。

2) RSM-PODS/AAB 載體對(duì)有機(jī)溶劑最大吸附量為19.5 g/g，吸附量比RSM 基材增加21.4%。UVVis 光譜表明，RSM-PODS/AAB 在UV 與Vis 照射下具有順?lè)串悩?gòu)性能。釋放試驗(yàn)表明，負(fù)載有農(nóng)藥的RSM-PODS/AAB 可在4 h 釋放95%。

3) 改性RSM-PODS/AAB 是一種環(huán)境友好的新型農(nóng)藥控制釋放材料，對(duì)于大多數(shù)油性農(nóng)藥有著較強(qiáng)的吸附能力，并且由于AAB 賦予其良好的光致變換性能而具有良好的光刺激釋放能力。利用廢棄的菜籽粕制備高吸附性農(nóng)藥控制釋放載體具有很好的應(yīng)用前景，并且對(duì)于其他農(nóng)業(yè)廢棄物的應(yīng)用也有著很好的參考價(jià)值。