水热合成法制备鱼藤酮纳米颗粒的方法研究

朱龙宝　沈殿晶　赵明　陈小军

摘要：纳米材料作为农药载体是增强农药稳定性和减缓农药释放速率，从而提高农药有效利用率的重要手段;其中介孔二氧化硅（MSN）是一种高比表面积、粒径与孔径可调节和生物相容性良好的纳米载体。鱼藤酮（Rot）作为一种优异的生物农药，在环境中易降解，在植物中无不内吸传导特性。通过水热合成法制备出纳米载体MSN，再通过溶剂挥发法将Rot负载到MSN上制备得到纳米颗粒Rot@MSN，其载药率为33.2%，且具有控制缓释特性。研究表明，所制备的Rot纳米颗粒具有良好的缓释效果，持效期延长。此研究对减少农药的使用量、降低环境污染和保障食品安全具有重要意义。

关键词：水热合成法;介孔二氧化硅;鱼藤酮;纳米颗粒;制备方法;表征

中图分类号：S482.3+9文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2021）04-0074-04

作者简介：朱龙宝（1964—），男，江苏扬州人，高级农艺师，主要从事农作物病虫害防治与推广。E-mail：153207386@qq.com。

通信作者：陈小军，博士，副教授，主要从事植物保护学和农药残留分析研究。E-mail：cxj@yzu.edu.cn。

化学防治是植物防虫治病的重要措施。对生物农药而言，必须解决其在田间施用时的光稳定性和控制其释放特性，提高其有效利用率。鱼藤酮（Rot）对害虫具有良好的杀虫活性，但是Rot在环境中易发生光降解，持效期短[1-6]。纳米技术是当前研究的热点之一[7]，其中介孔二氧化硅纳米粒子（MSN）是一种具有良好形貌和孔隙率的化学和热稳定性纳米载体。MSN具有较大的孔隙空间和比表面积，能够在孔隙结构中负载农药分子[8-12]，同时MSN的表面富含硅醇基，可改善所负载的疏水性农药的溶解性，此外MSN被植物吸收后不具有毒性[13-14]。目前在国内登记的关于Rot的制剂产品有22个，登记的剂型分别为乳油（15个）、微乳剂（5个）、悬浮剂（1个）、可溶液剂（1个）[15]。传统的乳油制剂、微乳剂制剂分别存在过多使用有机溶剂和助剂易造成环境污染等问题。为了开发Rot的新型控释型的环保产品，可以将疏水性的农药与纳米制剂技术有机结合起来，制备Rot的纳米制剂，并通过纳米制剂提高其控释特性和光稳定性。本研究通过水热合成法成功制备出一种比表面积大、孔径可调节、孔道均匀和生物相容性良好的纳米载体MSN，再采用溶剂挥发法制备出具有高载药率、良好缓释性能和热稳定的纳米颗粒，从而提高Rot的有效利用率，减少农药的使用量，降低环境污染，此研究对于生物农药新制剂的研制、保障农产品安全具有重要意义。

1材料与方法

1.1试验材料

Rot标准品（质量含量98.0%），美国Sigma-Aldrich公司;Rot原药（质量含量95.0%），丰顺汤西嘉兴福利化工厂生产;十六烷基三甲基氯化铵、正硅酸四乙酯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2试验方法

1.2.1纳米载体MSN的制备方法根据Zhao等的研究[16]，以十六烷基三甲基氯化铵为模板剂，以正硅酸四乙酯为硅源制备MSN。将1.0g十六烷基三甲基氯化铵完全溶解在0.48L去離子水中。在磁力搅拌下，滴加3.5mL的2mol/LNaOH并水浴将反应物加热至70℃。逐滴加入5.0mL的正硅酸四乙酯，随后，将反应混合物加热至80℃并剧烈搅拌6h，在此期间MSN形成白色沉淀。冷却至室温后，将混合物用去离子水和乙醇分别洗涤3次，然后将样品放入马弗炉中在550℃下煅烧6h。将得到的纳米载体MSN在室温下保存备用。

1.2.2纳米载体MSN的表征方法（1）MSN的形貌。先将MSN镀金，再置于扫描电镜（S-4800Ⅱ场发射扫描电镜，日本日立公司）下观察所制备的MSN的形貌。为进一步探究MSN的形貌，将MSN放入乙醇中超声至完全分散，取少量MSN滴于有碳膜的铜网上，置于红外线灯下干燥，随后将附有MSN的铜网至于透射电镜（Tecnai12透射电镜，荷兰Philips公司）下观察MSN的形貌。（2）MSN粒径大小。使用激光光散射仪分析MSN粒径大小，将MSN分散于去离子水中，超声使其分散均匀，取4mL溶液于比色皿中，放入仪器中对MSN的粒径进行分析。（3）MSN介孔结构特性。使用比表面测定仪进行物理吸附分析，称取MSN0.1g，在脱气温度120℃、脱气时间120min、环境温度30℃、饱和蒸气压1.0149bar和恒温浴温度77.3K的条件下测定MSN的比表面积、孔道直径、孔容量等。根据吸附和脱附等温线分支数据，使用Brunauer-Emmett-Teller（BET）气体吸附法和Barrett-Joyner-Halenda（BJH）分析模型评估介孔结构特性。

1.2.3载鱼藤酮纳米颗粒（Rot@MSN）的制备与表征准确称量100mgRot于圆底烧瓶中，加入适量的乙腈，超声至Rot完全溶解于溶剂中，使其浓度为5mg/mL，于60℃水浴加热使Rot溶解，再加入100mgMSN，同样超声使其完全分散在乙腈中，随后在密封条件下搅拌4h，然后在敞口条件下继续搅拌，使乙腈慢慢挥发至MSN呈湿润状态，再用5mL热乙醇洗涤残留Rot，真空冷冻干燥后，即为纳米颗粒Rot@MSN，待分析表征用。（1）采用傅里叶红外光谱仪（Tensor27，布鲁克光谱仪器公司）分析Rot@MSN的骨架结构和特征官能团，将干燥的Rot@MSN与KBr混合均匀并且充分研磨，采用压片法按1∶10的比例制样，进行傅里叶红外光谱仪分析。（2）采用热重分析仪（Pyris1TGA，美国PerkinElmer公司）对Rot@MSN进行热重分析法，称取1.585mgRot@MSN，在N2氛围下，以10.00℃/min的升温速率，从室温升至800℃，进行热重分析。（3）Rot@MSN的载药率的测定：纳米颗粒Rot@MSN的载药率测定方法参考文献[17];在检测分析时，采用高效液相色谱法检测分析乙醇中Rot的含量[4]。（4）Rot@MSN的缓释特性试验方法：方法参考沈殿晶等的试验方法[17]。

2结果与分析

2.1纳米载体MSN的合成和表征结果

如图1所示，采用水热合成法合成的MSN表面光滑，形状偏椭圆形，部分为球形。通过透射电镜能够清楚地看清MSN的颗粒大小、形状结构和介孔结构（图2），水热合成法所制备的MSN为二维结构，也就是最为常见的MCM-41型介孔二氧化硅[18-19]，其形状为球形或者椭圆形，介孔结构清晰，为高度有序的六边形结构，粒径大小在100nm左右，且具有较好的分散性。

图3为MSN的动态光散射分析所得到的粒径分布图，结果显示MSN的平均粒径在220nm左右，分散系数（PdI）为0.214，说明MSN在水中具有良好的分散性。与透射电镜所观察到的粒径相比，动态光散射分析得到的粒径偏大，这是因为动态光散射所测粒径为MSN的水合粒径，比实际粒径要偏大一些，而透射电镜所观察到的为实际粒径。

从图4可以看到，MSN的等温线为典型的Ⅳ型等温曲线，P/P0在0～0.3之间曲線急速上升，说明氮气分子在这一阶段发生了单层吸附，从A点处开始，气体发生多分子层的吸附，当孔全部被气体分子填满以后，在B点吸附达到饱和，气体液化，吸附量急速上升。

由图5可看出，MSN具有良好的介孔结构，孔径分布主要集中在2.23nm左右。根据吸附等温线脱附分支数据计算出MSN比表面积为856.69m2/g，孔体积为0.63cm3/g，平均孔直径为2.94nm，最可几孔直径为2.11nm。

2.2Rot@MSN的表征结果

如图6所示，在455cm-1、804cm-1处的峰为Si—O键对称伸缩峰，1088cm-1处的强而宽的吸收峰为Si—O—Si反对称伸缩振动，3462cm-1处的弱峰为结构水—OH反对称伸缩振动峰;另外还在1452、1515、1606、1670、2966cm-1处出现了与Rot相同的特征吸收峰。因此也证明了Rot成功负载到纳米载体MSN上得到纳米颗粒Rot@MSN。

图7为MSN和Rot@MSN的热重分析图，由MSN的热重曲线可知，MSN具有良好的热稳定性，并且在所研究的温度范围内几乎保持恒定的质量。计算得到所制备的Rot@MSN中Rot的载药率为33.2%。

水热合成法制备的纳米载药MSN，其释放特征表现为高的初始释放量和随后的缓慢释放，在60h左右时达到最大的释放量，而后释放量基本保持在45%（图8），说明Rot大量存在于MSN的表面，孔道对鱼Rot的约束作用较弱，或者其在孔道中是以非定型状态存在的，但与传统制剂相比较，有一定的缓释作用。

3结论

纳米载体MSN由于其良好的吸附能力、生物相容性和结构稳定等优点，将生物农药分子负载于纳米载体MSN之中，通过载体MSN来提高生物农药Rot的缓释特性。本研究通过水热合成法制备得到纳米载体MSN，通过溶剂挥发法将Rot负载到MSN上得到纳米颗粒Rot@MSN，其载药率达33.2%，研究表明所制备的纳米颗粒中Rot具有较好的缓释特性。

参考文献：

[1]AngioniA，CabizzM，CabrasM，etal.Effectoftheepicuticularwaxesoffruitsandvegetablesonthephotodegradationofrotenone[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry，2004，52（11）：3451-3455.

[2]IsmanMB.Botanicalinsecticides，deterrents，andrepellentsinmodernagricultureandanincreasinglyregulatedworld[J].AnnualReviewofEntomology，2006，51：45-66.

[3]CavoskiI，CaboniP，SaraisG，etal.Photodegradationofrotenoneinsoilsunderenvironmental[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry，2007，55（17）：7069-7074.

[4]ChenXJ，XuHH，YangW，etal.Researchontheeffectofphotoprotectantsonphotostabilizationofrotenone[J].JournalofPhotochemistryandPhotobiologyB：Biology，2009，95（2）：93-100.

[5]BidyaraniN，KumarU.Synthesisofrotenoneloadedzeinnano-formulationforplantprotectionagainstpathogenicmicrobes[J].RSCAdvances，2019，9（70）：40819-40826.

[6]MohdSM，AzlanK，SurianiAB，etal.Chitosan-grapheneoxidenanocompositesaswater-solubilisingagentsforrotenonepesticide[J].JournalofMolecularLiquids，2020，318：114066.

[7]Gomollón-BelF.Tenchemicalinnovationsthatwillchangeourworld：IUPACidentifiesemergingtechnologiesinchemistrywithpotentialtomakeourplanetmoresustainable[J].ChemistryInternational，2019，41（2）：12-17.

[8]KarimiM，MirshekariH，AliakbariM，etal.Smartmesoporoussilicananoparticlesforcontrolled-releasedrugdelivery[J].NanotechnologyReviews，2016，5（2）：195-207.[HJ2mm]

[9]LiGB，WangJ，Kong，XP，etal.Coprecipitation-basedsynchronouspesticideencapsulationwithchitosanforcontrolledspinosadrelease[J].CarbohydratePolymers，2020，249：116865.

[10]HuangL，Yu，SX，LongW，etal.Theutilizationofmultifunctionalorganicdyewithaggregation-inducedemissionfeaturetofabricateluminescentmesoporoussilicananoparticlesbasedpolymericcompositesforcontrolleddrugdelivery[J].MicroporousandMesoporousMaterials，2020，308：110520.

[11]SunJ，FanY，ZhangP，etal.Self-enrichedmesoporoussilicananoparticlecompositemembranewithremarkablephotodynamicantimicrobialperformances[J].JournalofColloidandInterfaceScience，2020，559：197-205.

[12]ThiNTN，NgocTTL，NgocHN，etal.Aminatedhollowmesoporoussilicananoparticlesasanenhancedloadingandsustainedreleasingcarrierfordoxorubicindelivery[J].MicroporousandMesoporousMaterials，2020，309：110543.

[13]WangL，CaiKZ，ChenYT，etal.Silicon-mediatedtomatoresistanceagainstRalstoniasolanacearumisassociatedwithmodificationofsoilmicrobialcommunitystructureandactivity[J].BiologicalTraceElementResearch，2013，152（2）：275-283.

[14]SlombergDL，SchoenfischMH.SilicananoparticlephytotoxicitytoArabidopsisthaliana[J].EnvironmentalScienceandTechnology，2012，46（18）：10247-10254.

[15]中國农药信息网.农药登记数据[DB/OL].[2020-12-01].http：//www.chinapesticide.org.cn/hysj/index.jhtml.

[16]ZhaoPY，CaoLD，MaDK，etal.Translocation，distributionanddegradationofprochloraz-loadedmesoporoussilicananoparticlesincucumberplants[J].Nanoscale，2018，10（4）：1798-1806.

[17]沈殿晶，张铭瑞，陈小军，等.基于介孔二氧化硅的鱼藤酮纳米颗粒的制备及其性能研究[J].农药学学报，2020，22（6）：1061-1068.

[18]ChenHY，LinYS，ZhouHJ，etal.Synthesisandcharacterizationofchlorpyrifos/copper（Ⅱ）SchiffbasemesoporoussilicawithpHsensitivityforpesticidesustainedrelease[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry，2016，64（43）：8095-8102.

[19]ChenHY，HuangGZ，ZhouHJ，etal.Highlyefficienttriazolone/metalion/polydopamine/MCM-41sustainedreleasesystemwithpHsensitivityforpesticidedelivery[J].RoyalSocietyOpenScience，2018，5（7）：180658.