专利名称：纳米二氧化硅在农药控释中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米二氧化硅在农药控释中的应用，尤其是多孔纳米二氧化硅在农药控释中的应用。
背景技术：
农药是防御重大生物灾害、保障国家粮食安全的重要物质基础。但传统的农药剂型在喷施时会因风吹、日晒、雨淋而损失比例高达50-60%，农药的光解、水解、生物降解、挥发和流失等问题严重，利用率普遍偏低，一般只有20-30%，持效期较短，因此农药的大量施用和残留不仅加剧了农产品污染和对人类健康的威胁，也对生态系统的结构和功能产生了严重破坏。因此，提高农药利用率，增加农药使用安全性，延长农药持效期等受到研究者的广泛关注。特别是阿维菌素等高效、广谱生物源农药品种，其杀虫活性高、防治效果好；但价格偏高、持效期短、药效慢、稳定性差、生物利用度较低、残效性和对土壤生态环境影响大等 限制了这种农药的大面积推广使用。有效地控制农药的释放速度，使农药按照需要的剂量、特定的时间、持续稳定地释放，可以提高农药的利用率，延长持效期，降低农药的急性毒性，减轻残留及刺激性气味，达到最经济、安全、有效地控制病虫的目的，避免引起环境和农产品的污染。因此农药的控释技术已受到研究者广泛的关注。农药控释技术的发展也由目前简单的、定性的缓慢释放，向着未来精确的、定量的可控释放方向发展，即应按照需要在一定时间、一定部位释放适当的量。近年来，纳米科技的迅猛发展，为农药控释技术的发展提供了新的思路。利用纳米载体材料通过吸附、偶联、包裹、镶嵌等方式负载农药，可以不同程度的实现农药的缓释。同时，纳米级农药载体具有粒径小、比表面积大等特性，可以与农作物叶面充分地接触，更容易与农作物叶面微纳结构特征相匹配，可以增加载药粒子在作物叶面的粘附性与渗透性，增强叶面沉积与滞留效率，进而提高农药药效和利用率。研究显示纳米载体农药会随着载药粒子的粒径减小而显示出良好的水分散性和药效。若将阿维菌素等生物源农药用纳米载体高效负载后，可改善农药有效成分的粒径细度及稳定性等，提高其速效性和防治效果。特别是利用纳米载体有效地控制生物农药的释放速度，可以有效地提高农药的利用率，延长持效期。农药在载体上的负载方式可以分为两种，一种是在载体制备的过程中将农药负载，另一种是通过吸附作用将农药负载在已制备好的载体粒子中。两种负载方式都能够减少农药的使用剂量，有利于控制药物的释放速度。但是第一种方法大多会使用相分离和乳液等技术，常会使用有毒溶剂，且反应需要高温条件，容易引起农药的分解。第二种方式将载体制备和农药负载分步进行，通过物理或化学作用进行负载，避免了上述问题的发生，且方法简单，便于操作，具有实现宏量制备及应用的优势。纳米二氧化硅因比表面积大，表面羟基数量多，具有较高的反应活性位且安全无毒，造价低，制备简单等优点，作为药物载体有着潜在的应用前景。近年来，国内外学者对经典的Sttiber方法进行改进，能够合成不同粒径和较大比表面积的二氧化硅纳米材料(NanoLett.，2008, 8，2867-2871)。近几年来，纳米二氧化硅用作药物载体的报道逐渐增多。应用纳米二氧化硅吸附杀虫剂、杀菌剂，可以起到很好的缓释效果，并且纳米二氧化硅对紫外线的反射率高达7(Γ80%，稳定性好，对于遇光容易分解的药物可以起到很好的保护作用。利用纳米载体负载农药引起了研究者的广泛关注，CN1343520A号专利公开了一种以Ti02、Si02_x纳米粒子控制药物缓释速度的方法，通过控制药物的浓度和包覆层的厚度可以达到控制药物缓释的目的。CN1444946A号专利公开了一种用生物降解聚乳酸-聚乙醇共聚物为载体材料制备阿维菌素类药物纳米微球的制备方法。CN101142913A专利公开了利用平均粒径是100-500nm的二氧化娃制备阿维菌素纳米载药体系的方法。A. L. Doadrio等(J. Controlled Release, 2004, 97:125-132)提出了一种用 SBA-15 型介孔二氧化硅作药物载体的方法。专利CN101214965A公开了一种大孔-介孔二氧化娃空心微球制备方法和应用。虽然目前关于纳米二氧化硅农药载体的缓释有了一定的研究，但目前报道的多孔二氧化硅纳米农药载体的表面性质、多孔结构及载体粒径均未显示出可控性，载药系统大 多是通过控制载药浓度或者控制包覆层的厚度来控制农药的释放速度，使农药释放速度的调节范围比较小，具有一定的局限性。申请人通过详细检索，目前还没有关于二氧化硅纳米载体的形貌及可控性多孔结构对农药载药量及缓释速度影响的研究。且部分现有技术中二氧化硅载体的制备工艺复杂，制备过程中不可避免地使用有机溶剂。另外，现有技术中二氧化硅纳米农药载体的单分散性、粒径均匀性也有待进一步提高，粒径较大影响使用过程中对作物靶标的附着性和渗透性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述弊端，采用安全、无毒、孔状结构可控的多孔纳米二氧化硅作为农药载体控制农药缓释速度。所制备的二氧化硅载药粒子主要用于防治农作物病虫害，此类载药粒子经济安全，可以有效地控制释放速度，延长药效，提高稳定性，减少施药次数和农药用量，不易被环境破坏和流失，从而提高农药的生物利用度；例如可以防治蔬菜、棉花、果树、花卉等植物上的害螨、小菜蛾、棉铃虫和菜青虫等多种害虫。本发明提供纳米二氧化硅在农药控释中的应用，其中所述纳米二氧化硅为孔状结构可控的多孔纳米二氧化硅。所述多孔纳米二氧化硅为粒子内部具有孔道结构的二氧化硅。在本发明中，所述农药例如为阿维菌素。在本发明中，优选所述孔状结构可控包括纳米二氧化硅载体的总孔体积可控、表面积可控、孔径可控和孔道数量可控中的一种或多种。在本发明中，优选所述纳米二氧化硅还能粒径可控。在农药控释中应用的纳米二氧化硅不仅孔状结构可控、而且粒径可控时，不仅可以宽范围调节农药控释速度，且可以调节农药成分附着于目标物如植物叶片上进行杀虫杀菌时的附着百分率；从而使农药的应用效果能在更大范围上得到调控。在本发明中，所述纳米二氧化硅的制备方法例如为，其包括如下步骤，步骤A :制备纳米二氧化硅颗粒；步骤B :将步骤A得到的纳米二氧化硅与聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、吡咯烷酮类聚合物和含羟基的聚合物中的一种或多种反应；和步骤C :往步骤B的反应液中加入氢氧化钠和/或氢氧化钾溶液反应，得到多孔纳米二氧化硅。在所述步骤A中，此时的纳米二氧化硅并不能形成多孔结构，可将其视为不带孔道结构的纳米二氧化硅颗粒；上述步骤B的意义是在二氧化硅颗粒表面形成一层例如PVP保护层，以至于在下一步载体颗粒用氢氧化钠腐蚀时，在保护层的保护下，二氧化硅随着时间有规律地被腐蚀；所述步骤C中的温度例如为25 30°C。其中，更优选的是，所述步骤A中纳米二氧化硅颗粒由氨水、乙醇、水及正硅酸乙酯(TEOS)反应制备得到。调节所述氨水、乙醇、水及TEOS的比例可以使得步骤A中得到不同粒径的纳米二氧化硅，另外，调节步骤A的反应时间同样可以得到不同粒径的纳米二氧化硅，步骤A的反应时间例如为l-2h。其中，更优选的是，所述步骤C中氢氧化钠溶液的浓度为O. 05-0. 15g/mL,反应时间为O. 5-2h。例如调节步骤C中氢氧化钠溶液浓度，可使得产物多孔纳米二氧化硅的孔状结构可控；调节步骤C中的反应时间，同样可以使得产物多孔纳米二氧化硅的孔状结构可 控。当调控制备方法中的步骤A和步骤C中的上述任选的两个参数时，可使得多孔纳米二氧化硅在孔状结构可控的同时，粒径可调。在所述步骤C中反应时间更优选为l_2h。当反应时间较长时，多孔纳米二氧化硅粒子内部形成的孔状结构更为丰富，这样的粒子在农药控释中能得到更为广泛的应用。本发明还提供一种纳米二氧化硅在农药控释中的应用，其中所述纳米二氧化硅为多孔纳米二氧化硅，所述多孔纳米二氧化硅的制备方法包括，步骤A :制备纳米二氧化硅颗粒；步骤B :将步骤A得到的纳米二氧化硅与聚乙烯基吡咯烷酮、吡咯烷酮类聚合物和含羟基的聚合物中的一种或多种反应；和步骤C :往步骤B的反应液中加入氢氧化钠和/或氢氧化钾溶液反应，得到多孔纳米二氧化硅。在本发明的技术方案中，所述纳米二氧化硅的孔状结构可以不进行调控，而在使用上述方法制备得到某种孔状结构的多孔纳米二氧化硅后应用于农药释放速度的控制中。本发明还提供一种用纳米二氧化硅控制农药释放速度的方法，其中所述纳米二氧化硅为孔状结构可控的多孔纳米二氧化硅，具体方法包括调控纳米二氧化硅的总孔体积、表面积、孔径和孔道数量中的一种或多种参数来控制农药缓释速度。通过调控纳米二氧化硅的总孔体积、表面积、孔径和孔道数量中的一种或多种参数，进而调控纳米二氧化硅载体上的农药负载量，从而达到控制农药缓释速度的目的。其中，也优选所述多孔纳米二氧化硅的制备方法包括，步骤A :制备纳米二氧化硅颗粒；步骤B :将步骤A得到的纳米二氧化硅与聚乙烯基吡咯烷酮、吡咯烷酮类聚合物和含羟基的聚合物中的一种或多种反应；和步骤C 往步骤B的反应液中加入氢氧化钠和/或氢氧化钾溶液反应,得到多孔纳米二氧化硅。本发明中载体二氧化硅为纳米级球形颗粒，单分散性好，其孔状结构可调。使用本发明中孔状结构可控的多孔纳米二氧化硅用于农药释放速度的控制，使得农药控释速度能在更大的范围内进行调节，进一步拓展了纳米粒子在农药控释中的应用；例如在提高农药药效及利用率，减少农药的施药次数，降低对环境的压力方面具有重要意义。
图I为实施例I中的可控二氧化硅纳米载体的TEM图2为实施例2中的可控二氧化硅纳米载体吸附农药阿维菌素后的TEM图；图3为图2中可控二氧化硅纳米载体负载农药后的单个粒子TEM放大图；图4为实施例3中阿维菌素原药和不同孔状结构的载药二氧化硅的阿维菌素释放曲线图。
具体实施例方式实施例I :多孔纳米二氧化硅的制备步骤一，用Stdbei.方法制备纳米二氧化硅球将9mL氨水、16. 25mL乙醇和24. 75mL水混合后得到溶液A，4. 5mL的正硅酸乙酯(TEOS)和45. 5mL的乙醇混合后得到溶液B。在搅拌下将A溶液注入到B溶液中，搅拌反应2小时。最终溶液离心后得到的样品分别用乙醇和水洗涤2次，洗涤后的样品分散在水中备用。
步骤二，步骤一中得到的二氧化硅纳米粒子用去离子水洗两遍后，与6g聚乙烯基吡咯烷酮(PVP-K15)混合后加入适量的去离子水，将混合溶液转移到250mL的三口烧瓶中在100°C下反应3小时。步骤三，制备孔道可控的纳米二氧化硅将步骤二中反应得到的溶液取适量转移到IOOmL的三口烧瓶中加入O. lg/mL的氢氧化钠溶液在30°C下反应O. 5-2小时，产物用水洗涤2-3遍后分散在水中或乙醇中备用。其中，反应时间分别为45min，75min，105min和120min的样品分别命名为样品a, b，c和d。图I为步骤三中不同反应时间的多孔二氧化硅纳米载体的TEM图。从图中可见，二氧化硅纳米载体颗粒粒径为300nm左右；其单分散性好且粒径均匀；另外，随着反应时间的增加，纳米二氧化硅的孔状结构逐渐变得丰富。在上述纳米二氧化硅的制备过程中，所得到的纳米二氧化硅载体的粒径可以通过调节步骤一中的氨水、乙醇、水及TEOS的比例，以及反应时间的长短来实现。另外，所得到的多孔纳米二氧化硅载体的孔状结构可以通过调节氢氧化钠溶液的浓度或者反应时间来调节。实施例2 :纳米二氧化硅的载药量将IOOOmg阿维菌素溶于IOOmL无水乙醇中配成10mg/mL的阿维菌素溶液，于4°C避光条件下保存。分别称取O. Ig实施例I中制备得到的二氧化硅纳米载体样品a，b，c和d，加入到IOOmL的带塞三角瓶中，再加入上述保存的IOmL阿维菌素溶液，室温下混匀后置于摇床中震荡吸附24h。四种二氧化硅纳米载体a，b，c和d吸附农药阿维菌素后的TEM图见图2。如图2所示，吸附阿维菌素后，二氧化硅纳米粒子的表面变得粗糙，可以观察到纳米载体表面的“吸附物”，此即农药阿维菌素；且随着二氧化硅纳米载体孔状结构的增加，“吸附物”的量也逐渐增加。图3为吸附阿维菌素后的四种二氧化硅纳米载药粒子的单个粒子TEM放大图，从图3中更可清楚地观察到纳米载体粒子表面的吸附物量逐渐增加。另外，四种二氧化硅纳米载体a，b，c和d吸附农药阿维菌素后的载药量通过分光光度法进行检测。分别取ImL上述a,b, c和d样液于离心管中，于13000r/min下离心15min,吸取一定体积上清液，用无水乙醇稀释适当倍数，以无水乙醇为参比，在Xmax=245nm下测定吸光度，由标准曲线计算相应的阿维菌素浓度C ;用同样的稀释方法处理阿维菌素标液，计算出初始浓度Cci (mg/mL)。用下述公式计算出上述四种不同二氧化娃纳米载体的吸附量、即载药量列于表I。每个样品平行测定3次，取平均值。其中，V为溶液体积10mL，m为载体材料质量IOOmg,即O. lg。载药量(mg/g)=[ (Ctl-C) *V]/m表I中结果进一步验证随着样品a，b，c和d的孔状结构变丰富，多孔二氧化硅纳米载体的载药量逐渐增大。表I
样品阿维菌素浓度C (mg/mL) 载药量(mg/g)
a7. 11581.0
b7.09583.0
c6.96596.0
d6.815111. O实施例3 :不同孔状结构的多孔纳米二氧化硅所载农药的释放速度本实施例为不同孔状结构的纳米二氧化硅所载农药释放速度的研究，具体为阿维菌素释放速度的研究。在实施例2中的吸附反应结束后，将样品放入离心机中于13000r/min下离心15min,倾掉上清液,置于干燥箱中40°C干燥24h,得到纳米二氧化娃载药粒子。称取O. Ig载药二氧化硅，分散至20mL无水乙醇中，将悬浮液全部转移到经过处理的透析袋中，封口后放入IOOmL无水乙醇外液中搅拌,定时取样测定外液中阿维菌素浓度，取样时间分别为处、811、2411、4811、7211、10011、15511和20011。图4为阿维菌素原药和不同孔状结构的载药纳米二氧化硅的阿维菌素释放曲线。其中将原药对照组分散至20mL无水乙醇中，并将其全部转移到经过处理的透析袋中后与样品a、b、c和d进行相同处理。在图4中每个时间点测定分析外液中阿维菌素的吸光度，每个时间点重复3次取平均值。由标准曲线计算相应的外液中释放的阿维菌素的浓度X，其单位为ug/mL，其中y为样品的吸光度。由图4可见，阿维菌素原药在24h内释放速度非常快，外液中的阿维菌素浓度迅速增加；24h之后，阿维菌素原药的浓度还稍有增加，但是增幅不大。而载药纳米二氧化硅样品a d的释药速率比原药缓慢，在IOOh之内，载药二氧化硅释药速率相对较快；100h后，曲线较为平缓，释药速率相对变慢，但外液中阿维菌素的浓度仍在缓慢增加，药物继续溶出。溶出200h后，样品a d载药纳米二氧化硅释药量分别达到载药量的31. 73%，27. 82%, 20. 92%和12.14%。因此，随着载药二氧化硅孔状结构的增加，载体的缓释效果更好一些。我们对图4中样品的释药速度与载体孔状结构间的关系分析如下在载药二氧化硅的内部孔状结构较少时(如样品a)，载药二氧化硅负载的阿维菌素大部分集中在二氧化硅表面层的纳米级结构中，它会比内层吸附药物更容易释放出来，释放速度会比较快，即图示样品a的释放 速度比样品b、c和d要快。而另一方面，内部孔状结构较少时(如样品a)的载药二氧化硅样品，其总载药量较少，较低的阿维菌素含量会相应地减慢药物的初始释放速度。两方面相互作用引起如样品b在前72个小时内的不规则的变化。另外，如样品c和样品d，二氧化硅内部孔状结构较丰富，吸附的药物阿维菌素大部分集中在纳米粒子内层的孔状结构中，释放较缓慢平稳，可以维持较久的释放时间。
在现有技术中，例如使用不同农药浓度来控制多孔纳米二氧化硅负载的农药释放速度，其使用的是特定的某种纳米二氧化硅粒子，通过浸溃不同浓度的农药使得粒子上的农药载药量不同，进而可在应用中对农药释放速度进行控制；而本发明还通过对多孔纳米二氧化硅粒子本身的孔状结构进行调节，在结合不同农药浓度对农药释放速度进行控制时，可使得农药控释速度的可调节空间更大，在更大范围和幅度上对农药的释放速度进行调节，从而进一步拓展了纳米粒子在农药控释中的应用。
权利要求
1.纳米二氧化硅在农药控释中的应用，其中所述纳米二氧化硅为孔状结构可控的多孔纳米二氧化硅。
2.根据权利要求I所述的应用，其特征在于，所述孔状结构可控包括纳米二氧化硅载体的总孔体积可控、表面积可控、孔径可控和孔道数量可控中的一种或多种。
3.根据权利要求I或2所述的应用，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径可控。
4.根据权利要求I或2所述的应用，其特征在于，所述纳米二氧化硅的制备方法包括如下步骤，步骤A :制备纳米二氧化娃颗粒；步骤B :将步骤A得到的纳米二氧化娃与聚乙烯基吡咯烷酮、吡咯烷酮类聚合物和含羟基的聚合物中的一种或多种反应；和步骤C :往步骤B的反应液中加入氢氧化钠和/或氢氧化钾溶液反应，得到多孔纳米二氧化硅。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤A中纳米二氧化硅颗粒由氨水、乙醇、水及TEOS反应制备得到。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤C中氢氧化钠溶液的浓度为O.05-0. 15g/mL,反应时间为 O. 5_2h。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述步骤C中反应时间为l-2h。
8.纳米二氧化硅在农药控释中的应用，其中所述纳米二氧化硅为多孔纳米二氧化硅，所述多孔纳米二氧化硅的制备方法包括，步骤A :制备纳米二氧化硅颗粒；步骤B :将步骤A得到的纳米二氧化硅与聚乙烯基吡咯烷酮、吡咯烷酮类聚合物和含羟基的聚合物中的一种或多种反应；和步骤C :往步骤B的反应液中加入氢氧化钠和/或氢氧化钾溶液反应,得到多孔纳米二氧化硅。
9.用纳米二氧化硅控制农药释放速度的方法，其中所述纳米二氧化硅为孔状结构可控的多孔纳米二氧化硅，具体方法包括调控纳米二氧化硅的总孔体积、表面积、孔径和孔道数量中的一种或多种参数来控制农药缓释速度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多孔纳米二氧化硅的制备方法包括，步骤A :制备纳米二氧化硅颗粒；步骤B :将步骤A得到的纳米二氧化硅与聚乙烯基吡咯烷酮、吡咯烷酮类聚合物和含羟基的聚合物中的一种或多种反应；和步骤C :往步骤B的反应液中加入氢氧化钠和/或氢氧化钾溶液反应，得到多孔纳米二氧化硅。
全文摘要
本发明提供纳米二氧化硅在农药控释中的应用。所述纳米二氧化硅的制备方法例如包括，步骤A制备纳米二氧化硅颗粒；步骤B将步骤A得到的纳米二氧化硅与聚乙烯基吡咯烷酮、吡咯烷酮类聚合物和含羟基的聚合物中的一种或多种反应；和步骤C往步骤B的反应液中加入氢氧化钠和/或氢氧化钾溶液反应，得到多孔纳米二氧化硅。本发明中载体二氧化硅为纳米级球形颗粒，单分散性好，其孔状结构可调。使用本发明中孔状结构可控的多孔纳米二氧化硅用于农药释放速度的控制，使得农药控释速度能在更大的范围内进行调节，进一步拓展了纳米粒子在农药控释中的应用；例如在提高农药药效及利用率，减少农药的施药次数，降低对环境的压力方面具有重要意义。
文档编号A01N25/08GK102919221SQ20121044880
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者王琰, 崔海信, 孙长娇 申请人:中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所