一种响应型纳米农药递送系统及其制备方法和应用

1.本发明属于农药技术领域，涉及一种响应型纳米农药递送系统及其制备方法和应用。


背景技术：

2.农药广泛用于控制现代农业中植物病害、害虫和杂草的发生和传播，有效提高了作物的产量和品质。然而，只有0.1％的活性成分达到了有害的生物目标，而90-99.9％的活性成分由于液滴漂移，生物降解，地表径流，光解和蒸发而损失到周围环境中。农药的低使用效率对环境造成了一些不利影响，例如水和土壤污染、目标生物抗性增加和生物多样性减少。将农药封装在聚合物载体中提供了一种新方法，通过最大限度地减少农药对环境的风险来提高其利用效率，这可以减少降解，增强稳定性，降低非靶向毒性，并有效延长农药的持久性。构建酶、ph、温度、光照等刺激反应释放农药输送系统，可以最大限度地发挥农药释放特性和害虫防治剂量要求的协同作用。不幸的是，农药微胶囊中有效成分的释放速度难以控制，大多数用于制备农药微胶囊的聚合物外壳会在环境中诱发二次污染。
3.单宁酸是植物次生代谢产物之一，广泛分布在许多植物组织中，在植物防御有害害虫方面起着重要作用。作为一种水溶性天然多酚化合物，单宁酸中的邻苯二酚基团可以与铜离子配位形成金属-酚类网络，在弱碱性条件下可以沉积到纳米材料表面。此外，金属-酚类的配位键可以在酸性条件下分解并表现出ph响应性能。更重要的是，通过液体化学方法，单宁酸和铜离子之间的络合过程非常快，并且不含污染物或有毒物质，这是一种简单而绿色的涂层材料。
4.吡唑醚菌酯是杂脲类杀菌剂之一，已被广泛用于控制谷物和其他作物中的主要植物病原体，包括水稻纹枯病、小麦白粉病、黄瓜镰刀菌枯萎病、番茄灰霉病。吡唑醚菌酯常用的制剂有乳油、水分散粒剂和悬浮浓缩物。然而，吡唑醚菌酯在阳光下的不稳定性使得长期难以控制植物病害的发生和传播。此外，吡唑醚菌酯对水生生物的高毒性限制了其实际应用。
5.cn202110185073.2、cn201610788850.1和cn201010170358.0描述了吡唑醚菌酯和甲基托布津的杀菌剂组合物或胶囊，但其光稳定性与单剂基本没有差别，容易光解，且不具有控释性能，半衰期短；cn201510220325.5和cn201110191806.x公布了具有吡唑醚菌酯和甲基托布津的控释颗粒药肥，但粒度较大，且只适用于土壤施用，叶面黏附性差易被雨水冲刷污染环境，且含有沥青、石蜡、聚氨酯树脂、石墨烯等难生物降解材料，环境污染大，也不经济。
6.因此，开发一种工艺简单、环境友好、成本低、反应条件温和、药效持久的智能农药输送系统迫在眉睫。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种响应型纳米农药递送系统及
其制备方法和应用，以铜离子和单宁酸配位络合物为壳层结构，制备ph响应型农药递送响应型纳米农药递送系统，用于控制甲基托布津和吡唑醚菌酯的释放。本研究中的响应型纳米农药递送系统具有显著提高的光稳定性，耐雨水冲刷性能，生物活性和非靶标生物安全性。
8.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种响应型纳米农药递送系统，所述响应型纳米农药递送系统为核壳结构，所述核壳结构的核为纳米晶，壳为金属-酚醛壳层；
9.所述纳米晶为吡唑醚菌酯和甲基托布津的共晶；
10.所述金属-酚醛壳层为铜离子与单宁酸的配位络合物。
11.优选地，所述纳米晶中，吡唑醚菌酯和甲基托布津的摩尔比为1:(1-2)。
12.优选地，所述纳米晶的制备方法包括：将吡唑醚菌酯和甲基托布津分散到含有十二烷基苯磺酸钠的去离子水中形成混悬液，然后研磨-超声循环，用水洗涤三次后得到纳米晶；
13.优选地，所述研磨是在研磨机中进行的；
14.优选地，所述辅助研磨法是采用溶剂进行助磨，所述溶剂为水，吡唑醚菌酯和甲基托布津的质量之和与水的质量比为1:(100-500)；
15.优选地，所述研磨-超声循环包括：将混悬液先研磨15-30min，之后停止研磨，超声10-30min，重复此过程3-5次；
16.优选地，所述含有十二烷基苯磺酸钠的去离子水中，十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.1-0.5％。
17.优选地，所述纳米晶的制备方法还包括将研磨超声后得到的混合物依次进行清洗和固液分离；
18.优选地，所述清洗用溶剂为水，清洗的次数为3-5次；
19.优选地，所述固液分离的方式为离心，所述离心的转速为10000-12000转/分，离心的时间为5-10min。
20.优选地，使用cu-kα辐射，响应型纳米农药递送系统x射线粉末衍射谱具有明显区别于吡唑醚菌酯和甲基托布津的尖锐新衍射峰。
21.本发明中响应型纳米农药递送系统的制备方法包括：
22.在单宁酸溶液加入纳米晶分散液涡旋，而后加入氯化铜溶液和碱性缓冲液，得到响应型纳米农药递送系统。
23.优选地，所述纳米晶分散液是通过将纳米晶分散到去离子水中震荡得到的；
24.优选地，所述纳米晶分散液中，纳米晶的质量浓度为1-5％；
25.优选地，所述涡旋的时间为10-60s；
26.优选地，所述涡旋的速率为100-300rpm。
27.优选地，所述单宁酸溶液的溶剂为水，单宁酸溶液的浓度为12-24mm；
28.优选地，所述单宁酸溶液的添加体积为纳米晶分散液体积的0.1-2.4％；
29.优选地，所述铜离子溶液包括氯化铜溶液；
30.优选地，所述铜离子溶液中，铜离子的浓度为12-24mm；
31.优选地，所述铜离子溶液的添加体积为单宁酸溶液体积的3-5倍。
32.优选地，所述碱性缓冲液为mops缓冲液，所述加入mops缓冲液后的混悬液的ph为7.8-9.2。
33.优选地，所述制备方法还包括将加入单宁酸溶液、氯化铜溶液和碱性缓冲液得到的混合溶液依次进行固液分离和清洗；
34.优选地，所述固液分离的方式为离心，所述离心的转速为10000-12000转/分，离心的时间为5-10min。
35.本发明所述的响应型纳米农药递送系统在制备农业杀菌剂和植物疾病防治中的应用；
36.优选地，所述植物包括谷物、柑橘、棉花、葡萄、香蕉、花生、大豆、甜菜、蔬菜、向日葵或草坪；
37.优选地，所述疾病包括霜霉病、晚疫病、疫病、猝倒病、白粉病、锈病或炭疽病中的任意一种。
38.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
39.1、通过吡唑醚菌酯和甲基托布津共结晶，得到的双药纳米晶具有完全不用于现有技术物理混合物的性质，显著提高了吡唑醚菌酯的光热稳定性。
40.2、本发明中的响应型纳米农药递送系统载药量更高，稳定性更好，叶面黏附性得到大大提高，此外，具有刺激响应型释放，可实现杀菌剂的靶向定点释放，半衰期长，可避免重复施药，减少环境污染，显著提高农药利用效率。生物利用度大大增加，相较于市售农药组合物杀菌性能提升显著提升，生物活性更高。
41.3、制备响应型纳米农药递送系统的制备属于绿色制备工艺，在水中即可组装响应型纳米农药递送系统，工艺简单，成本低廉，条件温和，可进一步开发适用于大规模生产。原料中单宁酸和铜离子在植物防御中具有重要作用，且环境友好，价格低廉。
附图说明
42.图1是响应型纳米农药递送系统的sem图；
43.图2是响应型纳米农药递送系统的粉末x射线衍射图；
44.图3是响应型纳米农药递送系统的红外光谱图；
45.图4是响应型纳米农药递送系统的dsc和tg图；
46.图5是响应型纳米农药递送系统的ph响应性测试结果图；
47.图6是响应型纳米农药递送系统的光稳定性测试结果图；
48.图7是响应型纳米农药递送系统的耐雨水冲刷性测试结果图。
具体实施方式
49.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
50.实施例1
51.采用机械化学方法在球磨机中制备吡唑醚菌酯(pyr)-甲基托布津(tm)纳米晶
(minicer,netzsch,germany)。将pyr(0.5mmol)和tm(1mmol)分散到含有0.1％(w/v)十二烷基苯磺酸钠(sds)的53.6ml去离子水中，将得到的10个直径为5mm的氧化锆球混悬液加入不锈钢罐中，将混悬液先研磨20min，之后停止研磨，超声20min，研磨-超声的过程循环三次。用去离子水洗涤三次，在10000转/分下离心5分钟，得到纳米晶。
52.将20mg pyr-tm纳米晶分散到2g去离子水中，100rpm震荡10s，然后将20μl单宁酸溶液(12mm)注入悬浮液中，100rpm涡旋10s。在快速涡旋过程中，加入60μl氯化铜溶液(12mm)。100rpm涡旋10s后，加入mops缓冲液(0.1m,ph 8.0)，提高ph至7.8。10000转/分钟离心5min，水洗3次，去除多余的氯化铜和单宁酸，得到响应型纳米农药递送系统。
53.实施例2
54.采用机械化学方法在球磨机中制备吡唑醚菌酯(pyr)-甲基托布津(tm)纳米晶(minicer,netzsch,germany)。将pyr(0.5mmol)和tm(1mmol)分散到含有0.3％(w/v)十二烷基苯磺酸钠(sds)的160.77g去离子水中，将得到的10个直径为5mm的氧化锆球混悬液加入不锈钢罐中，将混悬液先研磨20min，之后停止研磨，超声20min，研磨-超声的过程循环三次。用去离子水洗涤4次，在11000转/分下离心8分钟，得到纳米晶。
55.将20mg pyr-tm纳米晶分散到0.8g去离子水中，300rpm震荡10s，然后将24μl单宁酸溶液(18mm)注入悬浮液中，300rpm涡旋10s。在快速涡旋过程中，加入60μl氯化铜溶液(72mm)。350rpm涡旋30s后，加入mops缓冲液(0.1m,ph 8.0)，提高ph至8.5。11000转/分钟离心8min，水洗4次，去除多余的氯化铜和单宁酸，得到响应型纳米农药递送系统。
56.实施例3
57.采用机械化学方法在球磨机中制备吡唑醚菌酯(pyr)-甲基托布津(tm)纳米晶(minicer,netzsch,germany)。将pyr(0.5mmol)和tm(1mmol)分散到含有0.5％(w/v)十二烷基苯磺酸钠(sds)的267.95g去离子水中，将得到的10个直径为5mm的氧化锆球混悬液加入不锈钢罐中，将混悬液先研磨20min，之后停止研磨，超声20min，研磨-超声的过程循环三次。用去离子水洗涤5次，在12000转/分下离心10分钟，得到纳米晶。
58.将20mg pyr-tm纳米晶分散到10g去离子水中，100rpm震荡60s，然后将500μl单宁酸溶液(24mm)注入悬浮液中，300rpm涡旋10s。在快速涡旋过程中，加入3000μl氯化铜溶液(24mm)。300rpm涡旋10s后，加入mops缓冲液(0.1m,ph 8.0)，提高ph至9.2。12000转/分钟离心10min，水洗3次，去除多余的氯化铜和单宁酸，得到响应型纳米农药递送系统。
59.对得到的响应型纳米农药递送系统进行如下表征：
60.(1)采用扫描电子显微镜(g300,zeiss,germany)观察响应型纳米农药递送系统的微观形貌，结果如图1所示，响应型纳米农药递送系统粒度分布均匀，形貌规则。
61.(2)采用的粉末衍射仪为日本理学株式会社生产的d/max2500型，测试条件为：采用cu kα靶测试，电压40kv，电流100ma，扫描波长采用连续扫描测试，扫描速度为8
°
/min。收集完数据后采用jade 7.0软件进行数据分析。响应型纳米农药递送系统的粉末衍射图谱结果如图2所示，说明响应型纳米农药递送系统具有完全不同于吡唑醚菌酯和甲基托布津的衍射峰。
62.(3)采用傅里叶变换红外光谱(ft-ir,bruker,germany)检测样品的官能团。结果如图3所示，响应型纳米农药递送系统的ft-ir光谱表明在纳米晶表面涂上金属酚醛网络薄膜后，在～3210～3689cm-1
范围内出现了新的宽峰，这是由于单宁酸的-oh拉伸振动造成的。
此外，在1400～1600cm-1
之间的振动带与单宁酸芳香族化合物的拉伸振动相对应，证实了响应型纳米农药递送系统的成功制备。
63.(4)采用梅特勒托利多公司的dsc 1/500型仪器测试，将20mg左右样品加入40μl的标准铝坩埚中，密封坩埚，放入炉体。炉体内用高纯氮气做保护气(气速为50ml/min)和反应气(气速为200ml/min)。测量温度范围25～300℃，升温速率5～10℃
·
min-1。测定加热过程中样品的温度和热量变化，结果如图4所示，响应型纳米农药递送系统起熔点为149.2℃,显著高于吡唑醚菌酯62.4℃和吡唑醚菌酯-甲基托布津纳米晶的145.8℃，故响应型纳米农药递送系统具有明显提高的热稳定性。
64.对得到的响应型纳米农药智能系统进行如下性能表征：
65.(1)ph响应释放性能：
66.采用透析袋法研究了响应型纳米农药递送系统的ph响应释放性能。将大约2ml的响应型纳米农药递送系统悬浮液(15mg/ml)置于浸入100ml乙醇-柠檬酸缓冲液(15：85，v/v；ph 4.0，5.3，6.2，7.9)的透析袋中。每隔一段时间，取出1ml悬浮液，并在校准曲线的帮助下通过0.45μm滤膜过滤以进行hplc测试，得到在不同ph条件下的释放速率，结果如图5所示，吡唑醚菌酯和甲基托布津的释放速率随ph值的降低而增加，表现出良好的ph响应特性，说明本技术制备的响应型纳米农药递送系统具有显著的控释性能。
67.(2)光稳定性：
68.为了确定样品的光稳定性，将约50mg吡唑醚菌酯原药和响应型纳米农药递送系统分散在水中，得到悬浮液。随后，每种悬浮液0.5ml放置在φ10mm的玻璃片上。在干燥后，用紫外灯(36w,254nm，垂直距离15cm)照射表面。每隔一段时间取下玻璃片，用甲醇清洗并转移到离心管中，用高效液相色谱法测定杀菌剂浓度。结果如图6所示，响应型纳米农药递送系统的光降解半衰期分别是吡唑醚菌酯和甲基托布津悬浮剂的混合物，吡唑醚菌酯市售悬浮剂的85倍和76倍，具有明显提高的光稳定性。
69.(3)耐雨水冲刷性：
70.采用浸渍法，将玉米叶片切成圆盘，浸泡在200mg/l的吡唑醚菌酯悬浮制剂(pyr sc)、吡唑醚菌酯和甲基托布津悬浮剂的混合物(pyr-tm)和响应型纳米农药递送系统(pyr-tm@ta-cu)悬浮液中15s。自然干燥后，将圆盘倾斜至30
°
，用50ml去离子水进行雨水洗涤。收集并浓缩浸出液，用乙醇重溶，用高效液相色谱法分析。结果如图7所示，用50ml去离子水模拟雨水淋滤后玉米叶片上吡唑醚菌酯悬浮制剂(pyr sc)、吡唑醚菌酯和甲基托布津悬浮剂的混合物(pyr-tm)和响应型纳米农药递送系统(pyr-tm@ta-cu)的残留率。在相同条件下，pyr sc、pyr-tm和pyr-tm@ta-cu的损失率分别为32.34％、48.74％和20.12％，表明pyr-tm@ta-cu较商用pyr显著提高了农药的持久性。
71.(4)杀菌剂对菠菜叶片的防治效果：
72.用pyr-tm@ta-cu响应型纳米农药递送系统(300mg/l，由pyr质量决定)、pyr sc(300mg/l)或pyr sc和tm sc的混合物(pyr 300mg/l,tm 264.85mg/l)喷施5周龄左右的健康菠菜叶。处理后的植株在25℃，昼夜培养16h/8h。用清水处理过的菠菜作为对照。分别于0、3、7d切下叶片，置于90mm圆盘中，然后在叶片背面接种5mm灰葡萄孢菌盘，28℃潮湿环境下孵育5天，测量感染部位直径。结果显示，喷施7d后，响应型纳米农药递送系统仍保持较好的抑菌活性，抑菌效率为70.7％，明显高于市售pyr sc和tm sc混合物的12％，具有显著提
高的抑菌率和稳定性。
73.对比例1
74.采用机械化学方法在球磨机中制备吡唑醚菌酯(pyr)-甲基托布津(tm)纳米晶(minicer,netzsch,germany)。将pyr(0.5mmol)和tm(1mmol)分散到含有0.3％(w/v)十二烷基苯磺酸钠(sds)的160.77g去离子水中，将得到的10个直径为5mm的氧化锆球混悬液加入不锈钢罐中，将混悬液先研磨20min，之后停止研磨，超声20min，研磨-超声的过程循环三次。用去离子水洗涤4次，在11000转/分下离心8分钟，得到纳米晶。
75.将20mg pyr-tm纳米晶分散到0.8g去离子水中，得到不含金属-酚醛薄膜的纳米晶悬浮液。重复以上测试，耐雨水冲刷实验表面叶面损失率为48.74％，高于响应型纳米农药递送系统的20.12％，表明响应型纳米农药递送系统较纳米晶具有更优的持久性。
76.对比例2
77.采用机械化学方法分别制备吡唑醚菌酯(pyr)和甲基托布津(tm)的纳米晶。将10mg pyr纳米晶和10mg tm纳米晶分散到0.8g去离子水中，300rpm震荡10s，然后将24μl单宁酸溶液(18mm)注入悬浮液中，300rpm涡旋10s。在快速涡旋过程中，加入60μl氯化铜溶液(72mm)。350rpm涡旋30s后，加入mops缓冲液(0.1m,ph 8.0)，提高ph至8.5。11000转/分钟离心8min，水洗4次，去除多余的氯化铜和单宁酸，得到吡唑醚菌酯(pyr)和甲基托布津(tm)混合物的载药系统。
78.经测试，在相同光稳定测试条件下，12h光照后，吡唑醚菌酯(pyr)和甲基托布津(tm)混合物的载药系统降解率为98.25％，吡唑醚菌酯商用悬浮剂为98.98％，响应型纳米农药递送系统为20.45％，证明响应型纳米农药递送系统具有更优的光稳定性。
79.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种响应型纳米农药递送系统，其特征在于：所述响应型纳米农药递送系统为核壳结构，所述核壳结构的核为纳米晶，壳为金属-酚醛壳层；所述纳米晶为吡唑醚菌酯和甲基托布津的共晶；所述金属-酚醛壳层为铜离子与单宁酸的配位络合物。2.根据权利要求1所述的响应型纳米农药递送系统，其特征在于，所述纳米晶中，吡唑醚菌酯和甲基托布津的摩尔比为1:(1-2)。3.根据权利要求1所述的响应型纳米农药递送系统，其特征在于，所述纳米晶的制备方法包括：将吡唑醚菌酯和甲基托布津分散到含有十二烷基苯磺酸钠的去离子水中形成混悬液，然后研磨-超声循环，用水洗涤三次后得到纳米晶；优选地，所述研磨是在研磨机中进行的；优选地，所述辅助研磨法是采用溶剂进行助磨，所述溶剂为水，吡唑醚菌酯和甲基托布津的质量之和与水的质量比为1:(100-500)；优选地，所述研磨-超声循环包括：将混悬液先研磨15-30min，之后停止研磨，超声10-30min，重复此过程3-5次；优选地，所述含有十二烷基苯磺酸钠的去离子水中，十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.1-0.5％。4.根据权利要求3所述的响应型纳米农药递送系统，其特征在于，所述纳米晶的制备方法还包括将研磨超声后得到的混合物依次进行清洗和固液分离；优选地，所述清洗用溶剂为水，清洗的次数为3-5次；优选地，所述固液分离的方式为离心，所述离心的转速为10000-12000转/分，离心的时间为5-10min。5.根据权利要求1所述的响应型纳米农药递送系统，其特征在于，使用cu-kα辐射，响应型纳米农药递送系统x射线粉末衍射谱具有明显区别于吡唑醚菌酯和甲基托布津的尖锐新衍射峰。6.根据权利要求1-5任一项所述的响应型纳米农药递送系统的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：在单宁酸溶液加入纳米晶分散液涡旋，而后加入氯化铜溶液和碱性缓冲液，得到响应型纳米农药递送系统。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述纳米晶分散液是通过将纳米晶分散到去离子水中震荡得到的；优选地，所述纳米晶分散液中，纳米晶的质量浓度为1-5％；优选地，所述涡旋的时间为10-60s；优选地，所述涡旋的速率为100-300rpm。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述单宁酸溶液的溶剂为水，单宁酸溶液的浓度为12-24mm；优选地，所述单宁酸溶液的添加体积为纳米晶分散液体积的0.1-2.4％；优选地，所述铜离子溶液包括氯化铜溶液；优选地，所述铜离子溶液中，铜离子的浓度为12-24mm；优选地，所述铜离子溶液的添加体积为单宁酸溶液体积的3-5倍。
优选地，所述碱性缓冲液为mops缓冲液，所述加入mops缓冲液后的混悬液的ph为7.8-9.2。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括将加入单宁酸溶液、氯化铜溶液和碱性缓冲液得到的混合溶液依次进行固液分离和清洗；优选地，所述固液分离的方式为离心，所述离心的转速为10000-12000转/分，离心的时间为5-10min。10.根据权利要求1-5任一项所述的响应型纳米农药递送系统在制备农业杀菌剂和植物疾病防治中的应用；优选地，所述植物包括谷物、柑橘、棉花、葡萄、香蕉、花生、大豆、甜菜、蔬菜、向日葵或草坪；优选地，所述疾病包括霜霉病、晚疫病、疫病、猝倒病、白粉病、锈病或炭疽病中的任意一种。

技术总结
本发明建立了以铜离子和天然产物单宁酸配位络合物包封的吡唑醚菌酯-甲基托布津双药pH响应型纳米农药递送体系，用于控制吡唑醚菌酯和甲基托布津的释放。本发明所述的纳米递送系统对杀菌剂的负载能力达到92％以上，具有明显提高的光稳定性，为市售吡唑醚菌酯的85倍。响应型纳米农药递送系统可以提高对作物叶片的沉积效率和粘附能力。自然条件下，长期控制效率是市售悬浮剂的5.9倍，且具有控释作用，实现杀菌剂的定点靶向释放。因此，本发明中的响应型纳米农药递送系统在增强活性成分的靶向性和持久性方面具有巨大的潜力，制备工艺简单，绿色可控，适合工业大规模生产。适合工业大规模生产。适合工业大规模生产。


技术研发人员：龚俊波 屈海彬 吴送姑 靳沙沙 侯宝红 贾丽娜
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/14