徐鵬, 戴偉, 曹蓉, 石偉山, 邢剛, 王釗貴, 王莎莎, 李群, 游朝群, 郝德君
(1.南京林業(yè)大學 化學工程學院,南京 210037;2.南京市六合區(qū)農業(yè)技術推廣中心 森林植物檢疫站,南京 211500;3.江蘇艾津作物科技集團有限公司,南京 211511;4.南京林業(yè)大學 林學院,南京 210037)
農藥在現(xiàn)代農業(yè)生產中發(fā)揮著重要作用,特別是在控制病蟲害和提高作物產量方面[1],然而,在長期的應用實踐發(fā)現(xiàn),目前市場上流通的絕大多數(shù)農藥劑型都存在葉面沉積率低、粘附性差、有效成分穩(wěn)定性差等問題[2],導致近60%~70%的農藥無法到達靶標葉面,到達靶標病蟲害的更是低于0.1%,這不僅造成農藥和人力的大量浪費,而且給環(huán)境帶來了重大危害[3]。因此,改善農藥在植物葉面上的粘附性、提高農藥利用率是當前農藥領域亟需解決的重要問題。
目前,通過借鑒大自然中存在的強粘附現(xiàn)象可以提高農藥的葉面粘附性[4-5]。Jia等[6]在阿維菌素外層包裹聚多巴胺(PDA),提高了農藥在葉面上的粘附性,減少了農藥的揮發(fā)并提高了農藥作用時間。此外,單寧酸(TA)也是一種富含鄰苯二酚基團的分子,對作物葉面表現(xiàn)出良好的粘附性[7-9]。Xiao等[10]將殺菌劑負載于多孔碳酸鈣中,然后在其外層涂覆單寧酸得到單寧酸或銅修飾的負載咪酰胺的多孔碳酸鈣微球(PC@TA/Cu),PC@TA/Cu對油菜葉片顯示出良好的附著力,并在模擬雨水的沖刷實驗中具有較好的抗沖刷效果。
另外,利用納米材料和技術構建農藥納米載藥系統(tǒng),不但可以利用納米材料的表面效應提高藥物在葉面表面的滯留性,延長接觸時間,而且能夠通過納米載藥系統(tǒng)的小尺寸效應提升藥物分子在植株體內的傳導性,從而提高藥物對靶標的作用效果[11-12]。Zhao等[13]制備了負載咪鮮胺的介孔SiO2納米顆粒,并且與傳統(tǒng)咪鮮胺懸浮液相比,該載藥納米顆粒具有幾乎相同的殺菌活性,而且更容易被黃瓜植株吸收,具有更好的沉積性能。因此,研究構建新型的納米載藥系統(tǒng),對提高農藥作用效率、增加農民經濟效益、保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義[14-16]。
本文先通過一鍋溶膠-凝膠法制備了負載阿維菌素(Aba)的介孔SiO2納米顆粒(Aba/MSNs),再以價格低廉且具有工業(yè)化應用前景的單寧酸(TA)對Aba/MSNs進行包裹,制得具有葉面粘附性的Aba/MSNs@TA納米農藥。通過模擬釋放實驗研究Aba/MSNs@TA釋藥性能的基礎上,進一步研究其抗紫外光降解性能和葉面粘附性能。
阿維菌素(Aba)由江蘇艾津作物科技集團有限公司提供;單寧酸(TA)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)購買自上海凌峰化學試劑有限公司;硅酸四乙酯(TEOS)購買自上海麥克林生化科技股份有限公司;乙醇、三乙胺、乙腈和氨水購買自國藥集團化學試劑有限公司;磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉購買自上海化學試劑有限公司。
首先合成了Aba/MSNs,具體步驟如下:將0.9 g CTAB溶于210 mL去離子水中得到水相溶液;將0.5 g阿維菌素溶解在1.5 mL TEOS和90 mL乙醇的混合液中獲得油相溶液。在500 r/min磁力攪拌下,將油相溶液和水相溶液混合形成均勻的微乳液。將1.5 mL氨水滴加到上述微乳液中并持續(xù)攪拌2 h后室溫下老化過夜。最后,將懸浮液離心,用去離子水洗滌沉淀物3次,并冷凍干燥后得到負載Aba的介孔SiO2納米顆粒(Aba/MSNs)。
然后將0.6 g Aba/MSNs固體分散于單寧酸乙腈溶液中(0.9wt%),超聲分散后于80℃回流0.5 h,滴加0.5 mL三乙胺后繼續(xù)回流24 h。最后,將反應液冷卻至室溫,離心收集固體產物,去離子水洗滌3次,冷凍干燥后得到TA包裹的載Aba的介孔SiO2納米顆粒(Aba/MSNs@TA)。
使用美國Nicolet公司360型傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析所制備樣品的化學結構(測試范圍為4 000~400 cm-1。使用日本電子株式會社JEM-1400型透射電子顯微鏡(TEM)觀測納米顆粒的形貌結構。使用德國耐馳儀器制造有限公司STA 2500 Regulus型熱重分析儀研究所制備材料的熱失重特性(加熱速率為10℃/min,氮氣流量為20 mL/min,測試溫度為25~800℃)。通過美國麥克儀器公司ASAP 2000型氮氣吸脫附等溫線測定樣品的比表面積、孔體積。此外,通過馬爾文儀器有限公司Nano-ZS型激光粒度儀對所制備樣品的粒徑進行測定。
首先繪制Aba的標準曲線:取5 mg Aba原藥用甲醇定容至50 mL,得到濃度為100 mg/L的Aba母液。再將母液進行稀釋,配制成濃度為5、10、15、20、25 mg/L的標準溶液,用島津企業(yè)管理(中國)有限公司UA-2450型紫外分光光度計測試標準溶液在245 nm處的吸光度,繪制Aba的標準曲線。
通過以下方法測定Aba/MSNs@TA及Aba/MSNs中Aba的含量。首先稱取10 mg樣品加入到10 mL甲醇中,超聲處理10 min,離心納米顆粒懸浮液,取上清液,提取過程重復3次,將上清液定容于50 mL容量瓶中,通過紫外分光光度計測試吸光度,根據(jù)標準曲線計算Aba在上清液中的濃度。通過以下公式計算載藥率(LC):
其中:C1表示定容后Aba的濃度(mg/L);V1表示溶液定容后的溶液體積(50 mL);W1表示添加的樣品質量(10 mg)。
通過在乙醇/水混合液中的模擬釋放實驗研究Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA的釋藥性能。分別將20 mg Aba/MSNs與Aba/MSNs@TA分散在2 mL乙醇/水(體積比30/70)混合液中,再轉移至截留量為14 kDa的透析袋中,放入帶蓋樣品瓶中,并將釋放介質補充至100 mL。然后將放有透析袋的樣品瓶置于搖床中,溫度設定為25℃,振蕩速率設定為100 r/min。間隔一定的時間用移液管取4 mL釋放介質,同時補加等量的新介質,用紫外分光光度計測試溶液中Aba的含量。通過以下公式計算Aba的累計釋放率(RC):
其中:M0表示負載在Aba/MSNs@TA中Aba的量;V表示釋放介質的總體積(V=100 mL);v表示在一定時間內提取的釋放介質的體積(v=4 mL);Ct表示從t-1到t時間內釋放介質中Aba的濃度(mg/mL)。
并且,進一步研究了Aba/MSNs@TA在不同pH條件下的釋放性能。同樣基于透析的測定方法研究Aba/MSNs@TA在不同pH條件下Aba的釋放,將20 mg Aba/MSNs@TA分散到2 mL磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中(PBS的pH設定為5、7、9),轉移到截留量為14 kDa的透析袋中。后續(xù)操作、實驗條件及累計釋放率公式如上。
根據(jù)Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在綠蘿葉面上的保留量測定了對應滯留量。各處理重復5次,將去離子水在葉面上的滯留量作為參照組。首先用去離子水對葉面進行清洗,除去表面雜質,以減少實驗誤差,后將葉子自然干燥,再用直徑為1.5 cm的打孔器進行打孔,保證得到的葉面規(guī)則完整。將Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA分別配制成濃度為0.075、0.150、0.300、0.600和1.200 mg/mL的均勻懸浮液。通過電子天平測量葉面干重,隨后將葉面完全浸沒在相應濃度的懸浮液中20 s,將葉面取出,并在葉面沒有液滴滴落時記錄質量。通過如下公式計算各實驗組的滯留量(Rr):
其中:Rr表示液體在葉面上的滯留量(mg/cm2);W2表示葉面的干重(mg);W3表示葉面的濕重(mg);S表示葉面的面積(cm2)。
采集生長旺盛的玉米葉片、綠蘿葉片及馬尾松針葉,用去離子水沖洗干凈,除去葉面上的雜質,然后自然陰干,后將玉米葉片和綠蘿葉片裁剪成合適尺寸,用雙面膠固定在載玻片上,馬尾松松針直接固定在載玻片上,再將制備好的樣品放在載物臺上進行接觸角(上海中晨數(shù)字技術設備有限公司,JC2000D1)測定。將Aba/MSNs、Aba/MSNs@TA及MSNs配制成100 mg/L的溶液,并且以Aba原藥作為對照,后通過加樣注射器將液滴輕滴在葉面上,待液滴滴落5 s后,記錄接觸角,多次測試取平均值。
選取生長旺盛期的綠蘿葉片,用去離子水輕輕沖洗表面浮塵后,自然晾干,用移液器滴1 μL熒光標記納米載藥系統(tǒng)(250 mg/mL)于綠蘿葉片正面,自然晾干后,利用萊卡微系統(tǒng)有限公司LEICA DM2500型熒光成像儀(激發(fā)波長580 nm,發(fā)射波長535 nm)收集葉片上的熒光信號數(shù)據(jù);然后在垂直葉面15 cm處,分別用20 mL的去離子水沖洗標記葉片,自然晾干后,再次于熒光成像儀收集葉面上的熒光信號。
取適量Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA固體粉末放在9 cm的培養(yǎng)皿中,平鋪均勻,放置在距離25 W的紫外燈10 cm處,光照波長為365 nm。間隔一定時間取出10 mg樣品,用甲醇提取并定容于50 mL容量瓶中。用紫外分光光度計在波長為245 nm處檢測,測定樣品中Aba殘留量。
圖1(a)為Aba/MSNs的TEM圖像,可以看出Aba/MSNs呈現(xiàn)規(guī)則的球形,粒徑在210 nm左右,具有良好的分散性,從放大圖(圖1(b))中可以清晰地觀察到顆粒內部具有規(guī)則的孔道結構。圖1(c)為Aba/MSNs@TA的TEM圖像,可以看出Aba/MSNs外部被單寧酸絡合物包裹,由于MSNs表面含有大量的活性硅羥基,可與單寧酸形成多重分子間氫鍵,在三乙胺催化單寧酸絡合時,即可實現(xiàn)單寧酸對Aba/MSNs的包裹。經單寧酸包裹后的Aba/MSNs由原來的淺黃色變?yōu)樯铧S色(圖1(d)),進一步說明了單寧酸絡合物對Aba/MSNs的包裹。
圖1 ((a), (b)) 負載阿維菌素的介孔 SiO2納米顆粒(Aba/MSNs)的TEM圖像;(c) 單寧酸(TA)包覆的阿維菌素/介孔SiO2納米載藥系統(tǒng)(Aba/MSNs@TA)的TEM圖像;(d) Aba/MSNs@TA和Aba/MSNs的實物圖Fig.1 ((a), (b)) TEM images of abamectin-loaded mesoporous silica nanospheres (Aba/MSNs); (c) Tannic acid (TA)-coated abamectin/mesoporous silica nanospheres (Aba/MSNs@TA); (d) Photo of Aba/MSNs@TA and Aba/MSNs
此外,通過馬爾文儀器有限公司Nano-ZS型動態(tài)光散射儀(DLS)分別測試了Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA的粒徑,Aba/MSNs的平均粒徑為221.8 nm,包覆單寧酸之后,其顆粒粒徑增大,并且由于單寧酸包覆后,導致顆粒之間存在相互粘連,導致粒徑均勻性下降,證明單寧酸成功包覆。
圖2(a)給出了Aba、MSNs、Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA的紅外吸收圖譜。其中,對于Aba,在3 448、2 967和1 389 cm-1處的強吸收峰,主要歸因于其分子中的羥基伸縮振動和甲基的不對稱伸縮振動,在1 655 cm-1和1 735 cm-1處的吸收峰分別為芳烴中C=C的拉伸及酯基中C=O的伸縮振動[17]。對于MSNs,463、758和1 088 cm-1都出現(xiàn)了強吸收峰,分別歸屬于Si-O-Si的彎曲振動、對稱拉伸振動和不對稱拉伸振動[18]。相比Aba和MSNs,Aba/MSNs中Aba的吸收峰強度出現(xiàn)了減弱,主要由于硅層對Aba的包裹。Aba/MSNs@TA的紅外圖譜中在1 300~1 600 cm-1之間出現(xiàn)的微小吸收峰歸屬于單寧酸分子中的芳香環(huán)和取代苯環(huán)的伸縮振動,這也證實單寧酸對Aba/MSNs的包裹[19]。
圖2 Aba、MSNs、Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA的FTIR圖譜 (a);Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA的吸脫附等溫線(b)、DTG曲線(c)、TGA曲線(d)Fig.2 FTIR spectra of Aba, MSNs, Aba/MSNs and Aba/MSNs@TA (a) ; N2 adsoprtion-desorption (b), DTG curves (c) and TGA curves (d) of Aba/MSNs and Aba/MSNs@TA
圖2(b)為Aba/MSNs@TA和Aba/MSNs的N2吸脫附曲線。Aba/MSNs的比表面積為40.351 m2/g,經過單寧酸包覆后,比表面積僅為21.322 m2/g,主要歸因于單寧酸對外層的包覆。圖2(c)、圖2(d)分別給出了Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA的TGA和DTG曲線,可以看出Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在120℃之前的總量損失歸因于樣品中水分的蒸發(fā)。而Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在120~800℃之間的損失分別為59.1wt%和72.54wt%,質量損失主要源于樣品中有機基團分解所致,因此,可計算得到Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA的阿維菌素含量分別為47.77%和23.5%。表1給出了Aba/MSNs@TA與文獻[20-24]報道的介孔二氧化硅基農藥系統(tǒng)載藥量的對比,可見,Aba/MSNs@TA具有較高的載藥量,尤其是對阿維菌素的負載量遠高于文獻報道。
表1 文獻中不同載藥系統(tǒng)載藥量的對比Table 1 Comparison of drug loading capacities of different drug loading systems in literature
圖3為不同濃度Aba溶液的紫外-可見吸收光譜圖(圖3(a))和Aba溶液的標準曲線(圖3(b))。根據(jù)標準曲線(y=0.03196x+0.0156 (線性相關系數(shù):R2=0.99995))計算出Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA藥物負載率分別為46.45%±0.34%和22.60%+0.67%,結果同TG測試結果基本一致(誤差主要源于釋放法中存在介孔材料仍可以吸附少量的藥物)。
圖3 (a) Aba的紫外光譜圖;(b) Aba-甲醇標準曲線Fig.3 (a) Ultraviolet spectra of Aba; (b) Aba-methanol standard curve
通過模擬釋放實驗研究了Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在相同條件下的釋藥性能,如圖4所示。Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在40 h內的累計釋放率分別為96.1%和71.4%,而Aba/MSNs@TA載藥系統(tǒng)80 h的累計釋放率仍處在上升趨勢段,表明Aba/MSNs外層包覆單寧酸后,延長了藥物作用時間,可實現(xiàn)藥物的長效釋放。另外,還研究了Aba/MSNs@TA在不同pH條件下的釋藥性能,如圖5所示。當pH=5時,Aba的119 h藥物累計釋放率為80.47%;在pH=7時,累計釋放率為53.10%;而在pH=9時,累計釋放率僅為24.85%。由此可見,Aba/MSNs@TA的釋藥具有明顯的pH值響應功能,低pH值環(huán)境加速了系統(tǒng)中藥物的釋放速度。這主要是由于低pH值條件加速了外層包覆的單寧酸的溶解,從而促進了內層被包裹藥物的釋放。
圖4 在乙醇/水(體積比30/70)混合液中,Aba/MSNs@TA和Aba/MSNs中Aba的釋放曲線Fig.4 Release curves of Aba from Aba/MSNs@TA and Aba/MSNs in ethanol/water (volume ratio 30/70) mixtures
圖5 不同pH的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)條件下,Aba/MSNs@TA中Aba的釋放曲線Fig.5 Release curves of Aba from Aba/MSNs@TA under different pH conditions of phosphate buffer solution (PBS)
此外,通過對不同pH值下Aba/MSNs@TA的釋放曲線進行動力學分析擬合[25-26],如圖6所示,對擬合數(shù)據(jù)進一步分析列出了不同pH值的動力學研究的具體結果,如表2所示。當pH=5和7時,Aba的緩釋數(shù)據(jù)和一階方程模型更加吻合。當pH=9時,Higuchi模型更加適用于此時的Aba釋放曲線,由于低pH下,單寧酸層被破壞,所示藥物的溶出速率更加快速。同時對釋放曲線進行Ritger-Peppas方程擬合時,可以發(fā)現(xiàn),當pH=5和7時,對應n分別為0.488和0.526 (0.45<n<0.89),此時藥物的釋放為Fick擴散和骨架溶蝕的共同作用,而當pH=9時,n為0.396 (n≤0.45),此時藥物的釋放機制為Fick擴散。進一步驗證,在低濃度時,Aba/MSNs@TA中的單寧酸外層發(fā)生了分解,并且由于是在乙腈中實現(xiàn)的單寧酸包覆,此時單寧酸包覆層中也吸附了大量藥物分子。
表2 通過擬合幾個動力學方程計算Aba/MSNs@TA釋放Aba的參數(shù)Table 2 Parameters of Aba released from Aba/MSNs@TA by fitting several kinetic equations
圖6 Ritger-Peppas方程(a)、零級方程(b)、一級方程(c)和Higuchi方程(d)擬合曲線Fig.6 Fitting plots using the Ritger-Peppas equation (a), the Zero-level equation (b), the First-level equation (c), and the Higuchi equation (d)
葉面滯留量是表征藥物葉面粘附性的重要指標。圖7顯示了不同濃度的Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA懸浮液在葉面上的滯留量。可以看出,隨著載藥系統(tǒng)濃度的增加,植物葉面滯留量均在增加,濃度1.2 mg/mL時,Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA懸浮液在葉面上的滯留量分別達到7.25 mg/cm2和8.95 mg/cm2。結果證明,單寧酸包覆載藥納米顆粒增加了藥物在葉面上的滯留量,從而有利于農藥利用率的提高。
圖7 不同濃度的Aba/MSNs@TA和Aba/MSNs在葉面上的滯留量Fig.7 Retention of Aba/MSNs@TA and Aba/MSNs on leaves at different concentrations
通過測量Aba/MSNs@TA、Aba/MSNs、MSNs及Aba原藥顆粒在植物葉面上的接觸角,研究對比不同樣品懸浮液對植物葉面的潤濕性,如圖8所示。Aba/MSNs@TA在不同植物葉面上的接觸角分別為74.0°±0.04° (綠蘿)、100°±0.28° (玉米)及74°±0.45° (馬尾松),明顯小于Aba原藥。液滴在葉片表面的接觸角的大小主要由與液滴接觸面的親疏水性所決定,即當?shù)渭拥膽腋∫褐泻杏H水性顆粒時,顆粒沉積葉面,提高葉面的表面親水性能,進而減少懸浮液滴在葉面的接觸角。Aba/MSNs@TA相比Aba/MSNs、MSNs及Aba原藥在葉面上接觸角的顯著減小,主要原因為單寧酸表面的鄰苯二酚基團與葉面表面蠟質層含有的醛基、羧基等極性基團之間的氫鍵、靜電吸引和配位結合作用,使Aba/MSNs@TA快速粘附在葉面表面,進而提高了葉面的親水性,降低了葉面接觸角數(shù)值。
圖8 Aba、MSNs、Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在不同葉面上的接觸角:(a) 綠蘿;(b) 玉米;(c) 馬尾松Fig.8 Contact angle of Aba, MSNs, Aba/MSNs and Aba/MSNs@TA on different leaves: (a) Epipremnum aureum; (b) Corn; (c) Masson pine
通過熒光標記可以快速、準確直觀地對沉積在植物葉面上的納米載藥系統(tǒng)進行成像分析。本文通過共孵育法利用異硫氰酸熒光素(FITC)對納米載藥系統(tǒng)進行標記。圖9為Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在綠蘿葉面的熒光成像,可以看出,滴藥的綠蘿葉片,經水模擬沖刷后,MSNs@TA和Aba/MSNs@TA在葉面的熒光強度均有所減少。分別將沖刷前的熒光強度設定為100%,經相同體積水沖刷的Aba/MSNs@TA的覆蓋率明顯高于MSNs@TA的覆蓋率,表明Aba/MSNs@TA在綠蘿葉片具有更強的抗水沖刷性能。
圖9 Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在綠蘿葉面熒光成像Fig.9 Fluorescence images of Aba/MSNs and Aba/MSNs@TA on the surface of Epipremnum aureum foliage
由于Aba易發(fā)生紫外光解,因此,提高Aba的抗光降解性能對提高其實際應用具有重要意義。紫外照射后Aba殘留率如圖10所示。可以看出,輻射48 h,Aba/MSNs中藥物剩余率為27.98%,而Aba/MSNs@TA中藥物的剩余率為53.45%。對其進行線性擬合,Aba/MSNs降解曲線的線性擬合方程為:y=-1.12x+98.89,Aba/MSNs@TA的線性擬合方程為:y=-0.58x+100.07。其中,Aba/MSNs@TA降解曲線的斜率絕對值(k1)為0.58,Aba/MSNs 降解曲線的斜率絕對值(k2)為1.12,表明包覆單寧酸后,進一步減緩了藥物的降解速率,和文獻報道[6]一致。載體對Aba進行包封后形成微球結構,避免Aba和外界接觸,減緩了其氧化和光降解。
圖10 Aba/MSNs和Aba/MSNs@TA在不同紫外照射時間下的Aba剩余率Fig.10 Retention rate of Aba/MSNs and Aba/MSNs@TA under different UV irraditation time
(1) 在一鍋溶膠-凝膠法制備的Aba/MSNs的基礎上,通過單寧酸在其表面凝聚沉積制得單寧酸包覆的阿維菌素/介孔SiO2納米載藥系統(tǒng)(Aba/MSNs@TA)。TEM圖像中可以觀察到Aba/MSNs外部單寧酸絡合物包裹層。BET測試結果顯示,單寧酸包裹后降低了Aba/MSNs的比表面積。以上測試結果均驗證了Aba/MSNs@TA的多層復合結構。
(2) 在模擬釋放研究中,相較于Aba/MSNs,Aba/MSNs@TA具有更長的藥物釋放時間。并且Aba/MSNs@TA具有pH值響應性釋放功能,低pH值環(huán)境促進載藥系統(tǒng)中Aba的快速釋放,提高了藥物的控釋性能。
(3) 接觸角實驗和植物葉面滯留量均驗證了Aba/MSNs@TA具有較好的葉面粘附性??棺贤夤饨到鈱嶒炞C實了Aba/MSNs@TA提高了藥物的抗光解性能。