趙克非, 吳天岳, 馬 悅, 李子璐, 高玉霞, 杜鳳沛

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，北京 100193)

農(nóng)藥作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，已廣泛應(yīng)用于害蟲(chóng)、雜草及病害等的防治，在促進(jìn)糧食增產(chǎn)中起著不可替代的作用[1-2]。然而，由于傳統(tǒng)農(nóng)藥沉積性差、耐雨水沖刷性差、生物活性低等原因，2020 年我國(guó)的農(nóng)藥利用率僅為40.6%，意味著約60%的農(nóng)藥不能在植物葉面有效沉積，會(huì)通過(guò)彈跳、飛濺、飄移等流失進(jìn)入土壤和溪流中[3-6]，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重的威脅[7]。因此，通過(guò)合理的科學(xué)手段增加農(nóng)藥的葉面沉積效率，對(duì)提高農(nóng)藥利用率和改善農(nóng)藥流失具有重要的意義。

在實(shí)際應(yīng)用中，農(nóng)藥的葉面沉積效率受到多種因素的共同影響，包括氣候條件、藥液性質(zhì)、施藥器械、靶標(biāo)性質(zhì)等。其中，具有獨(dú)特化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)的靶標(biāo)表面是造成農(nóng)藥流失的最主要原因[8]。作為絕大部分莖葉噴霧制劑的靶標(biāo)表面，作物葉片表面覆蓋了一層低表面自由能的蠟質(zhì)，賦予了靶標(biāo)葉面一定程度的疏水性[9-10]；與此同時(shí)，在部分作物葉表面上還可以觀察到復(fù)合的微/納米結(jié)構(gòu)，賦予了葉面較高的粗糙度，最終使靶標(biāo)表面變得更加疏水，甚至于超疏水。這也導(dǎo)致了在實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)藥藥液難以在疏水的經(jīng)濟(jì)、糧食作物葉面上很好地沉積，有時(shí)甚至需要進(jìn)行多次噴霧覆蓋，并且在雨季會(huì)使情況變得更糟[11-12]。因此，結(jié)合靶標(biāo)的表面特性來(lái)改善農(nóng)藥葉面沉積效率的策略受到了農(nóng)藥化學(xué)研究者的廣泛關(guān)注。

隨著農(nóng)業(yè)化學(xué)的迅猛發(fā)展，多種先進(jìn)材料與技術(shù)不斷問(wèn)世，根據(jù)有害生物的發(fā)生規(guī)律、作用特點(diǎn)及環(huán)境條件，越來(lái)越多的功能化農(nóng)藥載體被設(shè)計(jì)、合成與推廣，以達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、安全地防治病蟲(chóng)草害的目的，成為了當(dāng)下農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[13-14]。功能化農(nóng)藥載體不僅可以利用農(nóng)藥分子與載體材料之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥分子的物理保護(hù)和可控釋放[15]，還可以通過(guò)增加載體與靶標(biāo)之間的作用，提高農(nóng)藥在靶標(biāo)表面的沉積，是提高農(nóng)藥有效性與安全性的重要途徑[16-17]。近年來(lái)，針對(duì)靶標(biāo)表面獨(dú)特的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，研究者們?cè)O(shè)計(jì)合成了多種功能化農(nóng)藥載體，利用載體與靶標(biāo)之間的氫鍵、電荷作用、尺寸匹配效應(yīng)等作用，改善了農(nóng)藥的葉面沉積和劑量傳遞效率。本文結(jié)合本課題組近期在高效葉面沉積的功能化農(nóng)藥載體方面的工作，擬在介紹靶標(biāo)作物特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)葉面黏附官能團(tuán)、特殊互補(bǔ)結(jié)構(gòu)與尺寸匹配等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，介紹多種類型的高效葉面沉積功能化農(nóng)藥載體，旨在深入了解其作用規(guī)律，為提高農(nóng)藥葉面沉積效率和農(nóng)藥利用率提供新的思路和研究方向。

1 靶標(biāo)作物葉面特性

在農(nóng)藥施用過(guò)程中，作物是非常重要的靶標(biāo)對(duì)象，包括玉米、小麥、水稻等主要糧食作物，以及黃瓜、棉花、蘋(píng)果等經(jīng)濟(jì)作物。了解清楚靶標(biāo)作物的葉面特性，對(duì)調(diào)控農(nóng)藥在其表面的沉積與傳遞至關(guān)重要。作物地上部分最顯著的特征之一是表皮細(xì)胞的外壁覆蓋著一層疏水性脂類物質(zhì)，稱為角質(zhì)層[18]。其作為作物與外界的第一接觸面，是由共價(jià)連接的角質(zhì)大分子骨架、多糖和脂質(zhì)組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，主要起到保水抗塵、抵御微生物侵襲等作用[19]。如圖1A 所示，通過(guò)掃描電子顯微鏡可以清楚地識(shí)別擬南芥葉片橫截面中的角質(zhì)層結(jié)構(gòu)，并觀察到表面精細(xì)的蠟質(zhì)晶體。經(jīng)過(guò)分析與歸納，根據(jù)角質(zhì)層中化學(xué)組成的差異，作物角質(zhì)層可以被分為3 層 (圖1B)[20]：1) 緊靠表皮細(xì)胞外壁，由嵌入纖維素和果膠的角質(zhì)大分子交聯(lián)而成的角化層 (cuticular layer)；2) 中間層的多糖含量較低，由蠟質(zhì)成分沉積在角質(zhì)大分子中所構(gòu)成，稱為內(nèi)蠟質(zhì)層 (intracuticular wax)；3) 最外面一層則完全由薄膜或晶體狀蠟質(zhì)沉積而成，稱為表面蠟層 (epiculticular wax film)。表面蠟層賦予了作物葉面獨(dú)特的宏觀性質(zhì)，其化學(xué)成分與微觀結(jié)構(gòu)決定著作物葉面的親疏水性，是影響農(nóng)藥葉面沉積的關(guān)鍵因素。

圖1 (A) 擬南芥葉表皮橫截面掃描電子顯微鏡圖[20]；(B) 植物角質(zhì)層主要結(jié)構(gòu)特征示意圖[20]；(C～F) 典型靶標(biāo)作物葉面的宏觀與微觀圖，其中(C, C′)為黃瓜葉片[23]、(D, D′)為玉米葉片、(E, E′)為小麥葉片和(F, F′)為水稻葉片F(xiàn)ig. 1 (A) Scanning electron micrograph image of Arabidopsis leaf epidermis[20]; (B) Schematic diagram of the major structural features of the plant cuticle[20]; (C-F) Macroscopic and microcosmic images of typical target crops: (C, C′)cucumber leaf[23], (D, D′) corn leaf, (E, E′) wheat leaf, and (F, F′) rice leaf

針對(duì)不同種類作物的葉面蠟質(zhì)層，人們發(fā)現(xiàn)其化學(xué)成分以及性質(zhì)存在著明顯的差異[21]。親水葉面蠟質(zhì)層中醇的含量較高，碳鏈長(zhǎng)度較短(C26～C28)；疏水葉片角質(zhì)層中烷烴占比較高，碳鏈較長(zhǎng) (C32～C34)。但總體而言，作物葉面蠟質(zhì)層成分大多包括長(zhǎng)鏈脂肪酸 (C＞18) 和由長(zhǎng)鏈脂肪酸衍生而來(lái)的醛、醇、烷、酮、酯以及三萜類化合物與小分子次生代謝物。此外，長(zhǎng)鏈脂肪酸作為蠟質(zhì)合成的前體物質(zhì)，是一種最普遍的成分，幾乎存在于所有植物的蠟質(zhì)中[22]。

作物葉表面的微觀結(jié)構(gòu)受到表面蠟層和表皮細(xì)胞壁發(fā)育程度的共同調(diào)控，從而出現(xiàn)無(wú)定形、網(wǎng)狀或多級(jí)三維立體的結(jié)構(gòu)類型。一般來(lái)講，較低的葉面蠟質(zhì)密度利于生成非結(jié)晶的無(wú)定形表面蠟層，呈現(xiàn)出較為光滑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如：中等親水黃瓜葉片 (圖1C, C′)[23]、中等疏水玉米葉片(圖1D, D′)。隨著葉面蠟質(zhì)密度的升高，表面蠟層開(kāi)始從光滑的非結(jié)晶型向著精細(xì)的三維立體結(jié)構(gòu)發(fā)生逐步的變化，如：中等疏水小麥葉片 (納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，圖1E, E′)。水稻葉片進(jìn)一步將納米網(wǎng)狀晶體蠟層與平行于葉脈、定向排列的乳突結(jié)構(gòu) (表皮細(xì)胞) 進(jìn)行結(jié)合，得到了多級(jí)三維立體的獨(dú)特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (圖1F, F′)，最終使靶標(biāo)水稻葉面變得更加疏水，表現(xiàn)出了難以潤(rùn)濕與沉積的超疏水性[24]。此外，許多作物葉片也具有類似的多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如西藍(lán)花、玫瑰花、甘藍(lán)葉片等[25-27]，表現(xiàn)出不同程度的超疏水效應(yīng)。

2 基于作物葉面特性設(shè)計(jì)的功能化載體

由上述可知，作物葉面的化學(xué)成分和微納結(jié)構(gòu)對(duì)農(nóng)藥在其表面的潤(rùn)濕與沉積持留起著非常重要的作用，基于靶標(biāo)特性設(shè)計(jì)的功能化農(nóng)藥載體，可以很好地解決農(nóng)藥在葉面沉積的問(wèn)題，有助于提高劑量傳遞效率。

考慮到作物葉面的兩個(gè)典型特征，基于靶標(biāo)特性功能化農(nóng)藥載體的設(shè)計(jì)思路主要有2 個(gè)：1) 植物葉面含有豐富的高級(jí)脂肪酸、醇及其衍生物，如果在農(nóng)藥載體表面修飾可與這些化學(xué)成分形成氫鍵、靜電作用、范德華力等非共價(jià)鍵作用的官能團(tuán)，比如羥基、羧基、氨基等，可以顯著增加農(nóng)藥載體與靶標(biāo)之間的黏附作用，這類載體可以稱為具有靶向親和性的功能化載體；2) 植物葉面的微納米結(jié)構(gòu)形貌各異，如果可以設(shè)計(jì)與這些微納米結(jié)構(gòu)形成良好拓?fù)湫?yīng)或阻礙滯留效應(yīng)的載體，同樣可以有效增加農(nóng)藥在作物葉表面的持留，這類載體稱為具有靶向拓?fù)湫?yīng)的功能化載體。

2.1 具有葉面親和性的功能化載體

2.1.1 多酚類靶向黏附材料 在自然界中，無(wú)脊椎動(dòng)物貽貝可以通過(guò)足絲強(qiáng)勁地吸附在潮濕基底表面，并具有高硬度、高彈性、防水性和自修復(fù)的功能。研究表明，貽貝能分泌一種富含3,4-二羥基-L-苯丙氨酸 (又稱多巴胺，dopamine) 和賴氨酸的黏附蛋白(MAPs)，其中多巴胺的鄰苯二酚基團(tuán)在足絲的交聯(lián)、黏附過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[28]。Lee 等最早把多巴胺作為新型涂層材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)多巴胺分子能夠在弱堿性 (pH=8.5) 的水溶液環(huán)境下氧化自聚合成聚多巴胺 (PDA) 薄膜，并可以通過(guò)改變氧氣的濃度、反應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)控涂層厚度[29]。這樣的涂層材料可以很好地吸附在幾乎所有材料的表面，表現(xiàn)出普適的黏附性與高反應(yīng)活性，在生物醫(yī)學(xué)、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。

基于多巴胺獨(dú)特的黏附性與易加工性，通過(guò)氧化自聚合的方式在農(nóng)藥載體中引入聚多巴胺[30]，可以賦予體系多種功能：1) 聚多巴胺的鄰苯二酚基團(tuán)可以與靶標(biāo)葉面的高級(jí)脂肪醇、酸成分形成分子間氫鍵，大幅度提高農(nóng)藥的葉面沉積能力；2) 具有光、熱、pH 刺激響應(yīng)的聚多巴胺可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥應(yīng)用過(guò)程中的可控、精確釋放[31]；3) 作為一種很好的紫外吸收材料，聚多巴胺可以改善農(nóng)藥對(duì)紫外線的抗降解能力[32]。賈鑫等利用多巴胺在弱堿性水相中氧化自聚合的特性，在正丁醇/水乳液的油水界面處引發(fā)原位聚合反應(yīng)，將溶解有阿維菌素的正丁醇包覆在聚多巴胺囊殼內(nèi)，最終形成了聚多巴胺包覆的阿維菌素微膠囊 (圖2)[33]。微囊外殼上的聚多巴胺顯著地增加了微膠囊在棉花與玉米靶標(biāo)葉面上的沉積與抗沖刷能力。同時(shí)，該微膠囊的載藥量可達(dá)66.5%，且兼具pH 與溫度的雙重刺激響應(yīng)控制釋放能力，可以在堿性和較高溫度下短時(shí)間釋放更多的阿維菌素。此外，該微膠囊還擁有良好的抗紫外降解性與機(jī)械穩(wěn)定性，使其更適用于莖葉噴霧。該工作首次拓展了聚多巴胺作為葉面親和材料在農(nóng)藥葉面沉積方面的應(yīng)用。

圖2 聚多巴胺包覆阿維菌素微膠囊的形成機(jī)理及其莖葉噴霧處理示意圖[33]Fig. 2 Schematic diagram of formation mechanism and leaf spray treatment for polydopamine coated abamectin microcapsules[33]

在此基礎(chǔ)上，周新華研究團(tuán)隊(duì)對(duì)聚多巴胺農(nóng)藥載體進(jìn)行了更深入的探究，在高靶向親和力與pH 刺激響應(yīng)性釋放的基礎(chǔ)上，通過(guò)在聚多巴胺的表面進(jìn)一步引入脲基團(tuán)來(lái)賦予載體酶響應(yīng)的特性，最終實(shí)現(xiàn)利用脲酶對(duì)微膠囊壁材的降解來(lái)調(diào)控活性成分的定向釋放從而控制病蟲(chóng)害[34]。修飾后的聚多巴胺微囊表面帶正電、粒徑為350 nm，其水分散液在靶標(biāo)黃瓜葉面的接觸角低至71.2°，有利于藥液在黃瓜葉面上的潤(rùn)濕與鋪展。與此同時(shí)，修飾后的微囊在模擬雨水沖刷中顯現(xiàn)出較強(qiáng)的葉面親和力。作者認(rèn)為該微囊不僅可以利用鄰苯二酚、異氰酸酯基團(tuán)與黃瓜葉面的高級(jí)脂肪醇、酸形成氫鍵相互作用，而且可以通過(guò)靜電作用在葉表面進(jìn)行黏附，這種多重相互作用提高了其在黃瓜葉面的潤(rùn)濕與持留。曹立冬研究團(tuán)隊(duì)以介孔二氧化硅為基底材料，同時(shí)利用多巴胺的氧化自聚合與鄰苯二酚基團(tuán)對(duì)銅離子的螯合作用，制備了一種銅離子配位聚多巴胺改性的介孔二氧化硅嘧菌酯載體 (圖3)。該載體不僅可以在聚多巴胺的參與下顯著改善載體水分散液在靶標(biāo)黃瓜葉面的潤(rùn)濕與沉積性能 (接觸角降低了近30°)；螯合的銅離子也可以協(xié)同嘧菌酯原藥提高載體針對(duì)稻瘟病原菌與黃瓜白粉病菌的近10%生物活性[35]。

圖3 銅離子配位聚多巴胺改性的介孔二氧化硅納米載體用于調(diào)控農(nóng)藥在靶標(biāo)葉面的沉積與釋放行為[35]Fig. 3 Copper ions chelated mesoporous silica nanoparticles via dopamine chemistry for controlled pesticide release regulated by coordination bonding[35]

此外，除了可以增強(qiáng)葉面黏附作用外，多巴胺修飾的載藥體系還可以通過(guò)供體-受體相互作用實(shí)現(xiàn)載體在害蟲(chóng)體內(nèi)的靶向傳遞，從而進(jìn)一步提高藥物的殺蟲(chóng)活性。曹永松研究團(tuán)隊(duì)將多巴胺接枝到納米二氧化硅顆粒表面，開(kāi)發(fā)了一種低基因毒性、高殺蟲(chóng)功效的高效氯氟氰菊酯新型靶向微囊[36]。該新型靶向微囊粒徑約800 nm，載藥量可達(dá)30.6%，兼具pH 和溫度響應(yīng)控制釋放的特性。該靶向微膠囊可以作為供體與害蟲(chóng)體內(nèi)的多巴胺受體發(fā)生特異性結(jié)合，完成微膠囊的靶向運(yùn)輸。與傳統(tǒng)乳油、懸浮劑制劑相比較，該靶向微囊在96 h 后表現(xiàn)出了更好的殺蟲(chóng)活性，并且在很大程度上降低了高效氯氟氰菊酯對(duì)非靶標(biāo)生物的基因毒性。

除最典型的多巴胺外，其他含多個(gè)酚羥基結(jié)構(gòu)的化合物也受到了研究者們的廣泛關(guān)注，在農(nóng)藥領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[37]。單寧酸 (tannic acid,TA)，又名鞣酸，是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的多酚類化合物，具有良好的黏附性能與抗菌效果，擁有與多巴胺類似的氧化自聚合及自組裝性能，且可以與多種金屬離子發(fā)生配位作用[38-39]。例如，劉峰研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)三價(jià)鐵離子與單寧酸之間的配位絡(luò)合作用制備了功能性吡唑醚菌酯微膠囊，利用單寧酸可以在水中與金屬離子緊密結(jié)合的特性，抑制吡唑醚菌酯在水環(huán)境中的釋放，顯著提高了載體的環(huán)境安全性[40]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究者們常將單寧酸通過(guò)物理混合方式加到聚乙二醇中，利用二者之間的多重氫鍵作用，制備了一類可以在水性環(huán)境下保持良好粘合性的抗菌膠黏劑，兼具有良好的生物降解性與易加工性[41]，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科研工作者們?cè)O(shè)計(jì)高效葉面沉積的功能化載體提供了新思路。崔海信研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)氫鍵自組裝的方式將單寧酸-聚乙二醇膠黏劑修飾到傳統(tǒng)的聚乳酸載藥微球表面，分別制備了阿維菌素與嘧菌酯的功能化載體[42]，粒徑大小為250 nm，并表現(xiàn)出了較好的抗光解性與長(zhǎng)效釋放能力。與未修飾單寧酸-聚乙二醇膠黏劑的農(nóng)藥聚乳酸微球相比，大量氫鍵的引入賦予了功能載體良好的葉面親和力，在黃瓜葉表面的持留量增加近50%。賈鑫研究團(tuán)隊(duì)利用單寧酸的氧化自聚合結(jié)合聚醚酰亞胺來(lái)修飾碳酸鈣微球，開(kāi)發(fā)了一種可以長(zhǎng)效釋放的葉面氣肥[43]。單寧酸的引入賦予了氣肥優(yōu)秀的靶標(biāo)葉面親和力，在氣孔處發(fā)生沉積與持留，最終增強(qiáng)了作物的光合效率。

為了降低多巴胺及單寧酸的應(yīng)用成本，進(jìn)一步增加貽貝靈感黏附材料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，其他一些含多酚基團(tuán)的化合物也被用于高靶向親和功能化農(nóng)藥載體的構(gòu)建。不同于上述氧化自聚合結(jié)合共價(jià)接枝的方法，崔海信研究團(tuán)隊(duì)采用溶劑蒸發(fā)結(jié)合改性接枝的方法，開(kāi)發(fā)了一種低成本的富鄰苯二酚高分子接枝的高靶向親和功能化阿維菌素載體[44]。如圖4A 所示，首先采用溶劑蒸發(fā)法制備得到表面富含羧基的阿維菌素苯乙烯-丙烯酸微球 (P(St-MAA)-Av)，隨后通過(guò)一步酯化反應(yīng)將富含鄰苯二酚官能團(tuán)的聚乙烯醇接枝在微球的表面，得到粒徑為120 nm、載藥量為50%、兼具紫外保護(hù)與長(zhǎng)效釋放功能的微球 (P(St-MAA)-Av-Cat)。將修飾前后的阿維菌素微球噴灑到疏水西藍(lán)花葉面與富含糖苷基團(tuán)的親水黃瓜葉面后(圖4B)，發(fā)現(xiàn)接枝鄰苯二酚基團(tuán)的P(St-MAA)-Av-Cat 可以與葉表面上的羥基、羧基發(fā)生更強(qiáng)的氫鍵作用并且可能存在著配位相互作用，進(jìn)一步的提高了微球的葉面親和力。最終可以有效降低藥液在黃瓜與西藍(lán)花靶標(biāo)葉面的接觸角與雨水沖刷損失。在富含羥基 (糖苷基團(tuán)) 的親水黃瓜葉面上阿維菌素的持留量為72.3% (提高34%)，明顯高于在強(qiáng)疏水的西藍(lán)花葉面持留量36.5% (提高24%)。

圖4 (A) 鄰苯二酚-聚乙烯醇接枝的阿維菌素葉面高親和微球P(St-MAA)-Av-Cat 的合成路線;(B) 模擬雨水沖刷后阿維菌素微球在黃瓜和西藍(lán)花葉面的持留量[44]Fig. 4 (A) Synthesis route of the catechol-g-polyvinyl alcohol grafted avermectin nanoparticles with high foliar affinity;(B) Retention rates of P(St-MAA)-Av, P(St-MAA)-Av-Cat, and commercially available formulations(EW and EC) on the cucumber and broccoli foliage surfaces[44]

木質(zhì)素是一種由三種單體醇 (芥子醇、松柏醇、對(duì)香豆醇) 經(jīng)酶作用脫氫聚合形成的具有三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的無(wú)定形天然酚類聚合物，廣泛存在于具維管束的羊齒類植物以上的高等植物，是植物細(xì)胞壁的主要成分之一。同時(shí)，木質(zhì)素也是植物界中總量?jī)H次于纖維素的第二大生物質(zhì)材料，其來(lái)源甚廣且產(chǎn)量巨大，在樹(shù)木中的含量可以達(dá)到20%～40%，禾本科植物中亦有15%～25%，每年全球源于農(nóng)業(yè)殘留物的木質(zhì)素就近2 000 萬(wàn)噸[45]。作為優(yōu)秀的生物質(zhì)資源，木質(zhì)素也是芳香化合物中少有的可生物降解資源[46]，植保工作者們針對(duì)其酶解特性也開(kāi)發(fā)了諸多具有刺激響應(yīng)性的葉面親和農(nóng)藥載體[47]。王蕾研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)木質(zhì)素納米纖維進(jìn)行簡(jiǎn)單地表面改性來(lái)制備天然環(huán)保的葉面親和載體，可以在多種相互作用的機(jī)制協(xié)同下，提高農(nóng)藥的劑量傳遞效率 (圖5)。所制備的陽(yáng)離子化木質(zhì)素納米纖維載體既可以通過(guò)調(diào)控分散液流變性質(zhì)來(lái)增強(qiáng)液滴在疏水靶標(biāo)葉表面的沉積，又可以通過(guò)靜電相互作用增強(qiáng)液滴與靶標(biāo)作物葉面的黏附力，最終在模擬雨水沖刷測(cè)試中，載體的葉面保留率可達(dá)80%。此外，木質(zhì)素更是賦予了納米載體以紫外保護(hù)性，提高了1.5 倍的光敏農(nóng)藥保留率[48]。

圖5 軟凝聚態(tài)聚合物纖維素納米纖維(CNFs)用于農(nóng)藥遞送的循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)概念示意圖[48]Fig. 5 Engineered soft condensed matter polymer cellulose nanofibers (CNFs) for pesticide delivery as a circular bioeconomy concept[48]

2.1.2 非多酚類靶向黏附材料 除多酚類化合物外，其他一些可以與靶標(biāo)葉面產(chǎn)生非共價(jià)鍵作用的多羥基化合物也被用于靶向親和性功能化載體的構(gòu)建，尤其是一些天然的多羥基化合物，如纖維素、蛋白、淀粉等。這些天然產(chǎn)物憑借其豐富的來(lái)源、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、良好的生物相容性和生物降解性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的藥物遞送系統(tǒng)[49-50]。

趙金浩研究團(tuán)隊(duì)將氟蟲(chóng)腈封裝在乙二胺交聯(lián)的羧甲基纖維素 (ACMC) 網(wǎng)絡(luò)中 (圖6)，制備了一種環(huán)境安全的高靶向親和功能化農(nóng)藥載體 (ACMCF)[51]。其中羧甲基纖維素呈棒狀晶體，長(zhǎng)度約為1 μm，直徑為50 nm，交聯(lián)劑乙二胺的加入使氟蟲(chóng)腈被網(wǎng)絡(luò)狀羧甲基纖維素吸附包裹，最終呈層狀的球型載體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)氟蟲(chóng)腈微膠囊制劑相比，ACMCF在噴灑到疏水花生葉與親水黃瓜葉面上后，受到載體表面羥基與靶標(biāo)葉面上的極性基團(tuán)之間的氫鍵相互作用影響，ACMCF 降低了約40°的黃瓜、花生葉面接觸角，其葉面持留量分別增加0.6 與1.8 倍。此外，ACMCF 可以通過(guò)抑制氟蟲(chóng)腈在土壤中的滲透和遷移，以降低其非靶標(biāo)生物 (蜜蜂與水生生物) 接觸風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 乙二胺交聯(lián)的羧甲基纖維素功能化氟蟲(chóng)腈載體ACMCF 的制備與作用方式示意圖[51]Fig. 6 Schematic illustration of the preparation and action mode for the ethanediamine-linked carboxymethylcellulose fipronil carriers ACMCF[51]

玉米醇溶蛋白 (zein) 是玉米籽粒中的主要貯藏蛋白，分子中含3/4 的親脂性氨基酸與1/4 的親水性氨基酸，具有兩親性，可以在一定的溶劑、pH 條件下發(fā)生自組裝而形成微納米顆粒，常作為載體或涂層材料在食品、醫(yī)藥、化妝品、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[52]。但是在應(yīng)用過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)由于過(guò)強(qiáng)的疏水性，zein 的組裝體顆粒粒徑大，不利于在水溶液中長(zhǎng)期分散，限制了其潤(rùn)濕性與黏附能力。周新華等選用三聚磷酸鈉對(duì)zein進(jìn)行親水化改性，得到磷酸化的玉米醇溶蛋白[53]。該改性蛋白在疏水作用下，可以自組裝形成疏水內(nèi)核，并將阿維菌素包裹在其中，得到功能化農(nóng)藥載體 (圖7A)。將載體分散液噴灑在靶標(biāo)黃瓜葉表面上，藥液潤(rùn)濕性得到顯著提高，接觸角下降36°；與此同時(shí)，由于改性蛋白的包封改善了載體的黏附性，模擬雨水沖刷后的載體持留量仍可以達(dá)到39.1%，高于傳統(tǒng)制劑的33.5%。此外，在堿性條件下，由于載體表面的磷酸基團(tuán)去質(zhì)子化，產(chǎn)生更強(qiáng)的靜電排斥力而擁有更好的穩(wěn)定性，最終限制了阿維菌素從載體內(nèi)核的溢出，釋放速率較酸性環(huán)境下降低。

圖7 (A) 磷酸化玉米醇溶蛋白包裹阿維菌素示意圖[53]；(B) 靜電自組裝制備阿維菌素功能化載體示意圖[54]Fig. 7 (A) Illustration of abamectin encapsulated in phosphorylated zein[53]; (B) Schematic illustration of the preparation for abamectin-loaded carriers through electrostatic self-assembly[54]

為了進(jìn)一步提高上述載體的靶標(biāo)葉面潤(rùn)濕與黏附性能，周新華課題組對(duì)磷酸改性蛋白進(jìn)行了進(jìn)一步的修飾。采用共聚的方法在羧甲基纖維素鈉上接枝了陽(yáng)離子功能單體二烯丙基二甲基氯化銨，以此來(lái)調(diào)控與磷酸改性蛋白之間的靜電相互作用 (圖7B)，最終通過(guò)靜電自組裝完成了阿維菌素功能化載體構(gòu)建[54]。與未修飾的磷酸改性蛋白相比，修飾后的載體通過(guò)引入羥基來(lái)與靶標(biāo)葉面的高級(jí)脂肪酸之間形成氫鍵，增強(qiáng)了與靶標(biāo)黃瓜葉面的親和力，表現(xiàn)出更好的潤(rùn)濕性，靶標(biāo)葉面持留量增加到62%，最終提高了阿維菌素對(duì)小菜蛾的防治效果。

淀粉也是一種由多個(gè)葡萄糖單元通過(guò)糖苷鍵連接形成的高分子長(zhǎng)鏈化合物，具備許多與纖維素類似的優(yōu)點(diǎn)。而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，天然淀粉中大量的分子內(nèi)氫鍵與內(nèi)部穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)使淀粉顆粒不溶于水，在室溫水中只發(fā)生輕微的可逆溶脹，并且天然淀粉糊在酸、熱、剪切作用下不穩(wěn)定、包膜耐藥性差，這些極大地限制了淀粉的應(yīng)用[55]。近年來(lái)，人們根據(jù)淀粉的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行改性，改善其溶解性能，為淀粉在載藥體系中的應(yīng)用拓寬了思路[56]。吳正巖研究團(tuán)隊(duì)采用共沉淀的方法，利用可溶性淀粉、碳酸鈣與農(nóng)藥分子之間的靜電力及氫鍵作用，實(shí)現(xiàn)了載體的異質(zhì)成核與農(nóng)藥負(fù)載，制備得到了粒徑為2 μm的撲草凈 (一種水旱地兩用的選擇性內(nèi)吸型三嗪類除草劑) 淀粉-多孔碳酸鈣功能化載體[57]。與傳統(tǒng)的撲草凈制劑相比，該載體不僅擁有緩釋性所帶來(lái)的長(zhǎng)持效期，多羥基高分子可溶性淀粉也可以通過(guò)與靶標(biāo)表面高級(jí)脂肪醇、酸之間的氫鍵相互作用，很好地調(diào)控了載體的靶標(biāo)親和力，提高了其在雜草狗牙根葉面、種皮與根上的持留能力，從而具有更高的除草劑利用效率與對(duì)雜草的控制能力。此外，不僅可以與靶標(biāo)作物相結(jié)合，在氫鍵作用下載體也可以很好的與土壤顆粒進(jìn)行結(jié)合，顯著降低因溶淋損失所帶來(lái)的撲草凈水體污染。

除上述提到的天然高分子外，其他一些加工性好、粘彈性高、刺激響應(yīng)性的高分子也被用于高靶向親和力農(nóng)藥功能化載體的構(gòu)建。李建洪課題組在該領(lǐng)域開(kāi)展了系列研究，他們以空心介孔二氧化硅微球作為基底，將刺激響應(yīng)性、高靶向親和力聚合物通過(guò)化學(xué)修飾的方法接枝到二氧化硅表面，構(gòu)建了多種具有刺激響應(yīng)釋放的葉面沉積功能化載體[58-60]。最早，他們選取具有良好溫度及pH 響應(yīng)的聚二丙酮丙烯酰胺作為功能基團(tuán)修飾到二氧化硅表面，制備了有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的溴氰蟲(chóng)酰胺 (第二代魚(yú)尼丁受體抑制劑、新型酰胺類殺蟲(chóng)劑) 功能化載體[58]。該載體的載藥量為50%，持效期可達(dá)到25 d，并且在低pH 條件下加速釋放。功能基團(tuán)的引入增強(qiáng)載體與水稻葉面的親和力，有效提高了功能載體在水稻葉面的抗雨水沖刷能力，進(jìn)而顯著地增加了溴氰蟲(chóng)酰胺的劑量傳輸效率與防治效果。在連續(xù)9 次模擬雨水沖刷后，未修飾的載體持留量?jī)H為2%，而功能化載體的葉面持留量高達(dá)85%。此外，與未修飾的二氧化硅微球相比，該載體表現(xiàn)出更好的紫外線與高溫的耐受性，24 h 的紫外光照射下分解率僅為19.4%，60 ℃下貯藏60 d 后分解率僅有6%。

隨后，該課題組選用pH 響應(yīng)性高分子聚甲基丙烯酸縮水甘油酯-丙烯酸共聚物 (P(GMA-AA))對(duì)二氧化硅進(jìn)行修飾，并對(duì)阿維菌素進(jìn)行負(fù)載，最終得到了具有190 nm 粒徑、33%載藥量、優(yōu)異光熱穩(wěn)定性的阿維菌素功能化載體 (圖8)[59]。相比于未修飾的二氧化硅，該載體在靶標(biāo)水稻葉面有著更低接觸角與更高葉面黏附力，表現(xiàn)出更好的潤(rùn)濕與黏附性，顯著增加了阿維菌素在水稻葉面上的持留與持效期 (28 d)。在模擬雨水沖刷后，載體的靶標(biāo)葉面持留量仍可以保持在40%。同時(shí)，該載體表現(xiàn)出酸性環(huán)境下緩慢釋放、堿性條件下快速釋放的pH 刺激響應(yīng)性釋放行為 (可以在稻縱卷葉幼蟲(chóng)的堿性中腸處完成定向釋放)，擁有更好的對(duì)稻縱卷葉幼蟲(chóng)防治效果。

圖8 聚甲基丙烯酸縮水甘油酯-丙烯酸共聚物修飾的二氧化硅阿維菌素功能化農(nóng)藥載體的制備與殺蟲(chóng)機(jī)理示意圖[59]Fig. 8 Schematic illustration of the preparation and insecticidal mechanism for the poly (glycidyl methacrylate-co-acrylic acid) grafted mesoporous silica abamectin carriers[59]

最近，該課題組通過(guò)種子沉淀聚合的方法在二氧化硅表面修飾了熱敏性高分子甲基丙烯酸接枝的聚異丙基丙烯酰胺，制備了噻蟲(chóng)嗪 (第二代煙堿類高效低毒內(nèi)吸型殺蟲(chóng)劑) 功能化載體[60]。該載體顯示出了對(duì)水稻靶標(biāo)葉面的更強(qiáng)的潤(rùn)濕性與親和力，模擬降雨沖刷后在水稻葉面持留量達(dá)到了49%。同時(shí)，熱敏性高分子的引入，賦予了體系溫度刺激響應(yīng)性釋放性能，載體在34 ℃下表現(xiàn)出較28 ℃下2 倍的釋放速率 (可以通過(guò)附著害蟲(chóng)后引起溫度的變化，而加快載體的釋放)，對(duì)褐飛虱的防治效果有所提高。

除上述刺激響應(yīng)性高分子外，一些具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的高分子也逐步應(yīng)用于開(kāi)發(fā)高效葉面沉積的功能化農(nóng)藥載體構(gòu)建，如聚乳酸、星型嵌段聚合物等[61-62]。崔海信研究團(tuán)隊(duì)為了探究功能化載體與靶標(biāo)葉面的作用方式，采用溶劑揮發(fā)法將不同端基的聚乳酸與聚乙烯醇進(jìn)行混合，制備了3 種表面分別富含羥基、羧基與氨基的葉面沉積功能化阿維菌素載體 (圖9)[61]。這些載體的平均粒徑為450 nm，載藥量為50%，并擁有良好的紫外光保護(hù)性，紫外光照射38 h 后分解率小于5%。通過(guò)對(duì)比3 種摻雜不同官能團(tuán)的聚乙烯醇-聚乳酸載體，作者認(rèn)為：表面僅富含羥基的載體CH3COPLA-NS 可以在氫鍵作用下與靶標(biāo)黃瓜葉面相互作用，最終達(dá)到42%的平均靶標(biāo)葉面持留量；而在羥基的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入羧基后 (HOOC-PLANS)，發(fā)現(xiàn)由于葉表面自身的負(fù)電性會(huì)與微球的羧基發(fā)生靜電排斥，因此HOOC-PLA-NS 的平均靶標(biāo)葉面持留量不如CH3CO-PLA-NS，僅能達(dá)到35.5%；而與引入羧基不同的是，作者通過(guò)在聚乳酸端基上引入帶正電的氨基制備了H2N-PLA-NS，而且葉表面少量的高級(jí)脂肪酸醛可以與氨基反應(yīng)生成席夫堿，故在氫鍵、靜電、共價(jià)相互作用的協(xié)同下，H2N-PLA-NS 可以顯著地提高與黃瓜靶標(biāo)葉面之間的親和力，平均靶標(biāo)葉面持留量可達(dá)到59.5%。

圖9 三種不同官能團(tuán)修飾的阿維菌素載體與黃瓜葉面之間的相互作用示意圖[61]Fig. 9 Schematic illustration of the interactions between three functional group modified abamectin carriers and the cucumber foliage[61]

星形聚合物是指多個(gè)線型支鏈通過(guò)化學(xué)鍵連接到同一個(gè)中心支點(diǎn)上的共聚物[62]，與相同分子質(zhì)量的線性聚合物相比，熔融流動(dòng)性與加工性更好，且在溶液中的動(dòng)態(tài)尺寸更小、機(jī)械性能更強(qiáng)、溶液黏度更低。歸因于其獨(dú)特的“放射性”結(jié)構(gòu)，星形聚合物易于在溶液中發(fā)生自組裝成具有獨(dú)特性質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，并可以通過(guò)氫鍵或共價(jià)鍵與藥物分子結(jié)合，是藥物遞送的理想載體[63-64]。沈杰研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種星形聚陽(yáng)離子 (SPc)，將其作為功能載體材料用于對(duì)農(nóng)藥的負(fù)載[65]。在氫鍵和疏水作用下，該SPc 可以與苦參堿 (一種天然植物源廣譜殺蟲(chóng)劑) 相結(jié)合，自組裝形成內(nèi)核疏水、表面親水的功能化納米顆粒，粒徑為10 nm，載藥量37.7%。該納米顆粒制備簡(jiǎn)易并且在擁有良好環(huán)境降解性的同時(shí)，表現(xiàn)出葉面標(biāo)昆蟲(chóng)表皮很強(qiáng)的持留與滲透性，最終提高了苦參堿對(duì)蚜蟲(chóng)、西花薊馬的防治效果與持效期。有關(guān)于載體顆粒與靶標(biāo)表面進(jìn)行結(jié)合的機(jī)理尚不明確，作者認(rèn)為SPc 可以在與靶標(biāo)害蟲(chóng)表皮發(fā)生相互作用完成持留后，進(jìn)一步穿透害蟲(chóng)表皮將苦參堿帶入皮下活細(xì)胞，提高苦參堿在靶標(biāo)害蟲(chóng)上的持留與作用。

綜上所述，研究者們根據(jù)有害生物的發(fā)生規(guī)律、作用特點(diǎn)及環(huán)境條件，并結(jié)合不同靶標(biāo)表面獨(dú)特的化學(xué)成分，設(shè)計(jì)與合成了多種高效、安全、經(jīng)濟(jì)的高靶向親和的功能化農(nóng)藥載體。這些高靶向親和的功能化農(nóng)藥載體可以同時(shí)調(diào)控農(nóng)藥分子與載體材料、載體材料與靶標(biāo)之間的相互作用，在提高功能化農(nóng)藥載體在靶標(biāo)表面的沉積與持留的同時(shí)，也賦予了載體以多種功能使其可以更好地在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮作用，如：熱、pH、酶刺激響應(yīng)性釋放，抗紫外光降解，抗溶淋，高機(jī)械強(qiáng)度等。其中，最常見(jiàn)的被應(yīng)用于高親和材料與靶標(biāo)表面之間的相互作用力為分子間的氫鍵作用，典型的代表為酚類與糖類的多羥基化合物，可以利用氫鍵與靶標(biāo)葉面上的高級(jí)脂肪醇、酸以及糖苷鍵進(jìn)行結(jié)合；其次為靜電相互作用力，歸因于大多數(shù)靶標(biāo)生物均為帶電體，濕潤(rùn)下的作物葉表面為負(fù)電，所以通過(guò)正電高分子來(lái)調(diào)控功能化載體的表面電位也是一種十分有效的調(diào)控農(nóng)藥持留的方式；最后是動(dòng)態(tài)共價(jià)作用，靶標(biāo)葉面上的高級(jí)脂肪酸擁有與載體上伯胺基團(tuán)發(fā)生縮合反應(yīng)生成席夫堿鍵結(jié)合的潛質(zhì)，常被應(yīng)用于與其他相互作用力進(jìn)行協(xié)同來(lái)提高靶向親和力。

2.2 具有靶向拓?fù)湫?yīng)的功能化載體

2.2.1 阻礙滯留效應(yīng) 藥液在靶標(biāo)表面的沉積和傳遞效率，不僅跟靶標(biāo)表面化學(xué)成分密切相關(guān)，還受到靶標(biāo)表面微納米結(jié)構(gòu)的影響。因此，除了上述基于靶標(biāo)成分設(shè)計(jì)的具有親和性的功能化農(nóng)藥載體外，利用靶標(biāo)表面的微納米結(jié)構(gòu)，構(gòu)建與其形成拓?fù)湫?yīng)的農(nóng)藥載體是增加農(nóng)藥葉面沉積的另一種行之有效的策略。

秸稈灰 (BCS) 是生物質(zhì)燃料充分燃燒的產(chǎn)物，主要成分為無(wú)機(jī)的灰分元素、生物質(zhì)碳、生物質(zhì)硅，呈粉末狀并具有多孔結(jié)構(gòu)[66-67]。吳正巖研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在傳統(tǒng)農(nóng)藥中添加粒徑為10 μm 的秸稈灰對(duì)農(nóng)藥分子進(jìn)行吸附，利用其與植物葉面微納米結(jié)構(gòu)間的阻礙滯留效應(yīng)，開(kāi)發(fā)了一種抗流失、抗雨水沖刷的功能化農(nóng)藥[68]。疏水靶標(biāo)紅桎木葉面上不僅擁有許多星形的絨毛 (圖10A)，并且表面密集排布著無(wú)序納米棒狀的蠟質(zhì)結(jié)構(gòu) (圖10B)；吸附了毒死蜱的秸稈灰復(fù)合物 (BCS-CPF，圖10C)可以通過(guò)表面多孔的粗糙結(jié)構(gòu)在靶標(biāo)紅桎木葉面結(jié)構(gòu)上發(fā)生阻礙滯留效應(yīng) (圖10D)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的附著。在隨后對(duì)BCS-CPF 的抗雨水沖刷與揮發(fā)損失測(cè)試中，作者發(fā)現(xiàn)隨著B(niǎo)CS 加入濃度的升高，揮發(fā)與沖刷后的毒死蜱的持留量明顯升高，當(dāng)BCS 的添加量達(dá)到10 g/L 時(shí)，毒死蜱的抗雨水沖刷能力上升了24%、抗揮發(fā)能力提高了1 倍?？梢?jiàn)，BCS-CPF 與紅桎木葉表面的阻礙滯留效應(yīng)可以很好地控制農(nóng)藥的抗雨水沖刷與揮發(fā)流失，秸稈灰的添加可以有效地改善農(nóng)藥的葉面沉積效率。

圖10 (A, B) 紅桎木葉面微觀結(jié)構(gòu)圖[68]；(C) 毒死蜱-秸稈灰復(fù)合物掃描電子顯微鏡圖[68]；(D) 毒死蜱-秸稈灰復(fù)合物沉積紅桎木葉表面的掃描電子顯微鏡圖[68]；(E) 毒死蜱-凹凸棒土復(fù)合物L(fēng)CC 的制備過(guò)程及其在花生葉表面的黏附示意圖[69]Fig. 10 (A, B) The microstructures of red flowered loropetalum leaf[68]; (C) SEM image of the BCS-CPF[68]; (D) SEM image of the retention of BCS-CPF on the red flowered loropetalum leaf surface[68]; (E) Schematic diagram of the preparation of loss control chlorpyrifos (LCC) and its adhesion on peanut leaves[69]

隨后，吳正巖課題組發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)高能電子束轟擊改性分散的凹凸棒土(attapulgite)作為無(wú)機(jī)環(huán)境友好型材料也可以與靶標(biāo)葉面的微納米結(jié)構(gòu)相匹配，通過(guò)阻礙滯留效應(yīng)提高農(nóng)藥的葉面沉積與抗雨水沖刷[69-71]。凹凸棒土又稱坡縷石，是一種具有鏈層狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物，呈針狀、纖維狀或纖維集合狀[72]，常用于涂層材料、吸附劑與脫色劑[73]。經(jīng)過(guò)高能電子束轟擊改性的凹凸棒土呈針狀結(jié)構(gòu)，具有良好的表面粗糙度與更大的比表面積。吳正巖研究團(tuán)隊(duì)將改性后的凹凸棒土(HIA)作為功能化材料引入到傳統(tǒng)農(nóng)藥毒死蜱中，制備了一種高附著、低流失的改性凹凸棒土-毒死蜱復(fù)合物L(fēng)CC (圖10E)[69]。高能電子的轟擊可以使原本團(tuán)簇在一起的凹凸棒土納米簇進(jìn)行分散、彎曲，最終交聯(lián)成新的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有更大的比表面積與更多的裸露羥基，更利于毒死蜱在改性凹凸棒土的表面進(jìn)行吸附。復(fù)合物噴灑到靶標(biāo)花生葉面后，其中三維網(wǎng)絡(luò)狀的凹凸棒土可以與花生葉的納米碎片結(jié)構(gòu)發(fā)生阻礙滯留效應(yīng)，將吸附在其表面的毒死蜱牢牢固定在花生葉面上，從而顯著改善毒死蜱在靶標(biāo)葉面上的沉積與抗沖刷能力。作者發(fā)現(xiàn)，復(fù)合物在花生葉面的附著力隨所使用的高能電子束通量的增大而顯著提高，40 kGy 通量下制備的復(fù)合物較毒死蜱懸浮液在花生葉面的沉積量提高了近50%，在模擬雨水沖刷后，持留量仍可以達(dá)到65%。此外，復(fù)合物還可以控制毒死蜱在土壤中的遷移，將更多的未能在靶標(biāo)表面有效沉積的毒死蜱保留在土壤表層發(fā)生光解或生物降解，與懸浮制劑相比，可以降低15%的溶淋損失。

在此基礎(chǔ)上，該課題組對(duì)改性后的凹凸棒土進(jìn)行了更深一步的探究，將改性凹凸棒土的高效葉面沉積能力與表面羧基化微晶纖維素的刺激響應(yīng)性相結(jié)合，通過(guò)絡(luò)合與氫鍵相互作用制備了一種pH 響應(yīng)釋放的葉面鐵肥[70]。其中，微晶纖維素既可以利用表面氧化形成的羧基與Fe2+離子發(fā)生絡(luò)合作用將Fe2+離子吸附、固定在纖維表面，又可以利用自身羥基與凹凸棒土表面裸露的羥基發(fā)生氫鍵作用而將凹凸棒土緊密的吸附在表面。當(dāng)鐵肥處在酸性環(huán)境中，螯合的Fe2+離子發(fā)生分離的同時(shí)，凹凸棒土包覆層也變得疏松，促進(jìn)了Fe2+離子的釋放。與此同時(shí)，由于凹凸棒土與靶標(biāo)葉面發(fā)生的阻礙滯留效應(yīng)，莖葉施藥后該鐵肥在玉米葉面的沉積量和抗雨水沖刷能力均明顯的高于傳統(tǒng)鐵肥與單純的微晶纖維素鐵肥。隨后，作者在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)改性凹凸棒土的分散性仍有所不足，嘗試著利用氫鍵相互作用將秸稈灰與其摻雜，利用秸稈灰的負(fù)電性與空間位阻來(lái)進(jìn)一步改善凹凸棒土的分散性，最終制備了一種復(fù)合葉面氮肥[71]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合體系多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以與花生葉面的納米碎片狀的蠟質(zhì)相互纏結(jié)，表現(xiàn)出更好的黏附性，最終在花生葉面相比施用傳統(tǒng)氮肥提高了近一倍的沉積量。雖然該研究團(tuán)隊(duì)并未將以上兩種復(fù)合體系應(yīng)用到農(nóng)藥載體中，但相信其葉面沉積效果應(yīng)該是一致的。

2.2.2 拓?fù)浠パa(bǔ)效應(yīng) 不同于上述利用載體材料與靶標(biāo)微納米結(jié)構(gòu)間的阻礙滯留效應(yīng)，本課題組提出能否針對(duì)靶標(biāo)表面獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)，制備與之形貌匹配互補(bǔ)的功能化農(nóng)藥載體，以改善農(nóng)藥在作物葉面的持留與沉積?；谠撛O(shè)計(jì)思路，最近我們采用乳液界面聚合的方法，成功設(shè)計(jì)與合成了一系列的帽子形農(nóng)藥Janus 功能化載體[74]。這些載體都擁有一個(gè)直徑為1.5～2.0 μm、深度為0.7～1.0 μm 的內(nèi)凹，尺寸恰好與靶標(biāo)作物葉面乳突 (直徑1.5～2.5 μm) 相匹配，從而可以通過(guò)“帽子-掛鉤”拓?fù)湔T導(dǎo)效應(yīng) ("hanger-hat" effect) 來(lái)增加農(nóng)藥在靶標(biāo)葉面的沉積 (圖11)。當(dāng)把帽子形載體噴灑在靶標(biāo)水稻、小麥作物葉面時(shí)，載體可以很好的嵌入葉面乳突或納米結(jié)構(gòu)中完成更好的持留。與相同粒徑的圓形農(nóng)藥微球相比，該載體不僅擁有更好的葉面分散性，而且增加了1.8 倍的靶標(biāo)葉面沉積量與3.3 倍的模擬雨水沖刷持留量。此外，經(jīng)過(guò)對(duì)4 種常用殺菌劑苯醚甲環(huán)唑、咪鮮胺、吡唑醚菌酯、戊唑醇及其復(fù)配產(chǎn)物的負(fù)載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該策略對(duì)不含有雙鍵基團(tuán)的殺蟲(chóng)劑、殺菌劑、葉面肥及植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等均有著良好的包封普適性。

圖11 “掛鉤-帽子”拓?fù)湔T導(dǎo)效應(yīng)用于調(diào)控帽子形農(nóng)藥功能化載體(HJCs)與靶標(biāo)葉面微納米結(jié)構(gòu)相互作用示意圖[74]Fig. 11 Schematic of the hanger-hat topology regulation between pesticide-loaded hat-shape carriers (HJCs) and target leaf micro/nano-structures[74]

隨后，結(jié)合上述修飾靶標(biāo)親和力基團(tuán)的策略，我們希望可以開(kāi)發(fā)一種將非共價(jià)鍵作用與拓?fù)湔T導(dǎo)效應(yīng)合二為一的功能化載體，來(lái)進(jìn)一步增加農(nóng)藥的葉面沉積與抗沖刷能力 (圖12)?；诖?，我們將富含鄰苯二酚基團(tuán)的高黏性聚合物通過(guò)酯化反應(yīng)接枝到微球表面，合成了一系列高親和官能團(tuán)修飾的帽子形農(nóng)藥功能化載體[75]。該載體噴灑到靶標(biāo)水稻和小麥葉表面后，由于微球表面鄰苯二酚基團(tuán)與葉蠟質(zhì)高級(jí)脂肪醇、酸之間的非共價(jià)相互作用，以及作為“帽子”的微球與作為“掛鉤”的葉面微納米結(jié)構(gòu)之間的拓?fù)湔T導(dǎo)效應(yīng)，功能化載體在水稻和小麥葉面的黏附、沉積與抗雨水沖刷能力顯著提高。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，靶標(biāo)葉面黏附力、沉積量、抗雨水沖刷分別提高了31%、46%、41%，并具備更好的葉面分散性。該工作首次將拓?fù)湔T導(dǎo)效應(yīng)與靶向高親和改性進(jìn)行結(jié)合，為進(jìn)一步提高農(nóng)藥的劑量傳遞效率提供了新的思路。

圖12 復(fù)合功能化農(nóng)藥載體與靶標(biāo)作物葉面間的多重相互作用示意圖[75]Fig. 12 Schematic of pesticide-loaded Cat-HSCs formation and retention mechanism on plant leaves[75]

3 結(jié)論與展望

發(fā)展環(huán)境友好型農(nóng)藥、提高農(nóng)藥劑量傳遞效率、減施增效成為了農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重點(diǎn)。目前，化學(xué)農(nóng)藥給藥與防治需求之間仍存在不匹配的現(xiàn)象，農(nóng)藥在靶標(biāo)表面的沉積量與有害生物防控需求之間存在著劑量差，不僅造成了人力物力的大量浪費(fèi)，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重的威脅。近年來(lái)，多種功能化農(nóng)藥載體的出現(xiàn)可以在一定程度上有效解決上述問(wèn)題 (圖13)。這些功能化載體不僅可以通過(guò)調(diào)控農(nóng)藥分子與載體材料的作用，賦予載體以多種功能使其可以更好地按照有害生物防控劑量需求實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)釋放，而且可以調(diào)節(jié)載體材料與靶標(biāo)表面之間化學(xué)成分親和或微納結(jié)構(gòu)匹配，來(lái)提高農(nóng)藥在靶標(biāo)表面上的沉積與持留，是提高農(nóng)藥有效性與安全性的重要途徑。

圖13 高效葉面沉積的功能化農(nóng)藥遞送體系匯總示意圖Fig. 13 Schematic of functionalized carriers in improving the pesticide retention on crop leaves

目前，雖然高效葉面沉積的功能化載體方面的研究已取得一定的成果，擁有良好的應(yīng)用前景，但仍不夠全面與深入，尚存在一些需要解決的科學(xué)問(wèn)題及關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高葉面沉積能力、環(huán)境安全性、田間防效仍是未來(lái)功能化農(nóng)藥制劑的重要研究方向。后續(xù)的研究可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

1) 加強(qiáng)葉面沉積能力：通過(guò)對(duì)靶標(biāo)作物葉面特性的深入研究，開(kāi)發(fā)新的相互作用力或?qū)ΜF(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行完善，進(jìn)一步提高功能化制劑的葉面沉積能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥在作物葉面持留的有效調(diào)控，滿足更高的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)需求。

2) 載體材料的生物相容性：傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑的生物毒性和降解速率只與活性成分的濃度相關(guān)，而功能化制劑則還需考慮載體材料的生物相容性、可降解性、降解產(chǎn)物無(wú)毒等，部分高靶向親和的功能材料具有土壤微生物毒性并且在降解方面存在風(fēng)險(xiǎn)。

3) 加工工藝優(yōu)化：現(xiàn)有的絕大部分報(bào)道的功能化制劑均是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加工與檢測(cè)，其加工工藝較為復(fù)雜、生產(chǎn)規(guī)模受限、材料成本昂貴，尤其是對(duì)一些需要進(jìn)行表面化學(xué)修飾的材料。為此，在功能化制劑的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，就對(duì)制劑加工的成本與規(guī)模進(jìn)行考慮和優(yōu)化就非常重要。

4) 結(jié)合智能靶標(biāo)識(shí)別釋放：現(xiàn)有大部分高效葉面沉積的功能化農(nóng)藥制劑體系的釋放仍依賴于載體材料的溶脹或降解，持效期雖長(zhǎng)但是難以與有害生物防控劑量需求相吻合。為此，繼續(xù)對(duì)制劑的外界刺激響應(yīng)性進(jìn)行開(kāi)發(fā)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的高效葉面沉積和智能精準(zhǔn)釋放，進(jìn)一步提高劑量傳遞效率，降低環(huán)境毒性與殘留風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，功能化載體的高效葉面沉積能力仍需要進(jìn)一步的加強(qiáng)，結(jié)合靶標(biāo)表面特性開(kāi)發(fā)來(lái)新的相互作用力或?qū)ΜF(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行完善，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥沉積、持留過(guò)程的有效調(diào)控。深入了解與開(kāi)發(fā)高效葉面沉積的功能化農(nóng)藥載體并進(jìn)一步的應(yīng)用到實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為提高農(nóng)藥的劑量傳遞效率提供新的思路和研究方向。

謹(jǐn)以此文慶賀中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)藥學(xué)學(xué)科成立70 周年。

Dedicated to the 70th Anniversary of Pesticide Science in China Agricultural University.

作者簡(jiǎn)介：

趙克非，男，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系博士后研究員。2017 年7 月獲北京理工大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2022 年7 月獲中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位，師從杜鳳沛教授，主要從事復(fù)合高分子材料、動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵以及天然多糖水凝膠的制備及其在功能化農(nóng)藥制劑方面的應(yīng)用研究工作。博士在讀期間，參與發(fā)表SCI 論文10 篇，其中以第一作者身份發(fā)表SCI 核心期刊論文2 篇，影響因子總和24.2，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利2 項(xiàng)。

高玉霞，女，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。2017年獲清華大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位，同年進(jìn)入中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工作至今。主要從事高效綠色農(nóng)藥助劑和功能化農(nóng)藥遞送體系的設(shè)計(jì)、制備及應(yīng)用研究，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)專項(xiàng)資金、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題等多個(gè)項(xiàng)目。近年來(lái)，以第一和通訊作者在Chem. Eng. J.,ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Sustainable Chem. Eng.等期刊發(fā)表SCI 論文20 余篇，累計(jì)影響因子超過(guò)100，并獲得授權(quán)專利2 項(xiàng)。

杜鳳沛，男，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師。1999 年7 月獲南開(kāi)大學(xué)物理化學(xué)博士學(xué)位，同年進(jìn)入中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工作至今，現(xiàn)任理學(xué)院副院長(zhǎng)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任，兼任教育部大學(xué)化學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員，中國(guó)化學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)農(nóng)藥工業(yè)協(xié)會(huì)農(nóng)藥制劑專家委員會(huì)委員、標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員、中國(guó)農(nóng)藥應(yīng)用與發(fā)展協(xié)會(huì)農(nóng)藥制劑與助劑專業(yè)委員會(huì)副主任委員、《農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)》《現(xiàn)代農(nóng)藥》常務(wù)編委、《大學(xué)化學(xué)》編委等社會(huì)職務(wù)。主要從事綠色農(nóng)藥制劑、綠色功能助劑及化學(xué)農(nóng)藥減施增效方面研究，通過(guò)膠體與界面化學(xué)和農(nóng)藥學(xué)的交叉與融合，為提高農(nóng)藥利用率及實(shí)現(xiàn)病蟲(chóng)草害綠色防控提供新理論、新方法、新產(chǎn)品。近五年主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目20 余項(xiàng)，主持教育部、北京市等教學(xué)研究項(xiàng)目3 項(xiàng)。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文120 篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利12 項(xiàng)，5 項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，主編國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材2 部，以主要完成人獲省部級(jí)及以上教學(xué)、科研成果獎(jiǎng)勵(lì)10 項(xiàng)。