金属有机框架纳米农药控释剂的制备方法及其应用

本发明属于农药制剂领域，特别涉及一种金属有机框架纳米农药控释剂的制备方法及应用。

背景技术：

1、粮食安全和食品安全是人类赖以生存和健康生活的基本保障。只有不断提高现有耕地面积的农作物产量，才能满足全球人口不断增长的粮食和农产品需求。只要有农作物，就存在有害生物（如病原体和害虫等），就需要使用农药防控。农药的使用在提高农作物和农产品产量方面发挥着不可替代的作用。然而，由于农药喷雾液滴漂移、作物叶面药液滚落、雨水冲刷、紫外光解等，靶标生物对传统农药制剂的实际利用率低于0.1%。为了应对极低的农药利用率，必须使用过量的农药防控病虫害，这不可避免地导致生态环境污染、农产品中的农药残留，并最终对人类公众健康造成严重威胁。农药脱靶损失是传统农药制剂使用效率极低的关键问题。为了减少农药用量，提高农药药效，具有小尺寸和高比表面积的水基纳米农药控释剂，有望解决传统农药制剂的关键问题。纳米农药是利用纳米材料与制备技术，将原药、载体与辅剂进行有效高效配伍创制的农药制剂产品。2019年，国际纯粹与应用化学联合会（iupac）首次发布年度改变世界的十大化学新兴技术，纳米农药排在首位。水基纳米农药制剂可以显著改善农药在水中的表观分散度，增加农药在作物叶面的沉积和持留，实现农药的控制释放，提高农药的生物利用度，减少农药的用量。

2、近年来，基于金属有机框架（mof）的纳米农药引起了人们极大的关注。mof是由金属离子/金属氧簇和各种有机配体通过配位作用形成的一种多孔的晶体材料。目前，mof纳米农药研究工作主要基于两种广泛使用的mof材料（例如，zif-8和uio-66）。zif-8（由zn2+和2-甲基咪唑配位而成）具有1.16 nm的笼，通过0.34 nm的小窗口连接。由于zif-8的小的窗口孔径，农药分子不能装载在合成的zif-8材料中。只能在农药活性成分存在的情况下，通过一锅法制备zif-8的过程中，把农药分子夹杂在zif-8材料中。uio-66（由zriv氧簇和对苯二甲酸配位而成）具有1.1 nm的八面体笼和0.8 nm的四面体笼，二者比例为1:2，通过0.6nm的三角形窗口连接。小尺寸的笼和三角形窗口很难将农药分子装载在uio-66较小微孔中，农药分子主要吸附在uio-66材料表面。这些研究体系没有充分利用mof材料的孔结构，此外，也很难利用zif-8和uio-66等类似的mof材料制备智能控释纳米农药。通过选择具有大的微孔（<2 nm）或介孔（2～50 nm）尺寸、良好的生物相容性、高的热、机械和化学稳定性的合适mof材料，这些mof纳米材料能够将农药分子装载在大的微孔或介孔中，然后将其表面包封，制备mof纳米农药控释剂。

3、阿维菌素（avm）是一种生物类农药，由链霉菌中灰色链霉菌发酵产生，通过刺激释放对节肢动物的神经传导有抑制作用的γ-氨基丁酸等，干扰神经生理活动，麻痹和杀死害虫。然而，具有16元大环内酯结构的阿维菌素存在水溶性差和容易紫外光降解等缺点，导致阿维菌素的杀虫效果受到影响。甲氨基阿维菌素苯甲酸盐（甲维盐）是从阿维菌素开始合成的一种新型的高效半合成抗生素杀虫剂，其作用机理与阿维菌素基本一样。甲维盐具有超高效、低毒、低残留、无公害等生物农药的特点，已经广泛应用于蔬菜、果树、烟草、茶叶、棉花、大豆等农作物上多种害虫的防治，与阿维菌素比较，杀虫活性提高了3个数量级，而且在防治害虫的过程中对益虫没有伤害。但是，甲维盐仍然存在水溶性差和容易紫外光降解的缺点。高效氯氰菊酯是一种广谱杀虫剂，非内吸性，但具备触杀和胃毒作用，通过与害虫钠通道相互作用，破坏其神经系统功能。由于阿维菌素和甲维盐属于生物类农药，杀虫过程缓慢，对于已经发生大量虫害的作物，阿维菌素或者甲维盐与高效氯氰菊酯一起复配使用，速效性好，杀虫更广谱，价格便宜，持效期长。吡唑醚菌酯是一种广谱杀菌剂，通过抑制线粒体呼吸作用，最终导致细胞死亡，具有保护、治疗、渗透、内吸传导性和耐雨水冲刷性能，持效期较长，应用范围较广。吡唑醚菌酯除对病原菌有直接作用外，还能提高作物对氮的吸收，从而促进作物快速生长，提高作物产量，从而达到作物高产的目的，但是，如果吡唑醚菌酯使用量过大，会导致作物生长过旺和晚熟。值得指出的是，阿维菌素、甲维盐、高效氯氰菊酯、吡唑醚菌酯都具有相对较大的分子尺寸，只有较大介孔的mof纳米载体才能将它们有效装载进孔道以制备纳米制剂，这同时也带来较大介孔mof表面包封和农药提前渗漏的难题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种特别适合大尺寸的农药分子，制备简单、成本低、农药载药量高，阻抗农药紫外光降解，可促进农药减施增效的金属有机框架纳米农药控释剂的制备方法及其应用。

2、为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

3、一种金属有机框架纳米农药控释剂的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1：将金属有机框架纳米材料分散在有机溶剂a中，再加入农药活性成分，室温搅拌，将农药活性成分装入所述金属有机框架纳米材料的孔道中，离心分离，得到载药金属有机框架纳米材料；

5、步骤2：将步骤1得到的载药金属有机框架纳米材料分散在含有木质素磺酸盐的水溶液中，室温搅拌，离心分离，得到木质素磺酸盐包封的金属有机框架纳米农药控释剂；

6、步骤3：将步骤2得到的木质素磺酸盐包封的金属有机框架纳米农药分散在含有壳聚糖的水溶液中，室温搅拌，离心、分离、洗涤、干燥，得到目的产物木质素磺酸盐和壳聚糖双重包封的金属有机框架纳米农药控释剂。

7、进一步地，所述步骤1中金属有机框架纳米材料为pcn-777纳米颗粒或者nu-1000纳米颗粒。

8、进一步地，所述pcn-777纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：将zrocl2·8h2o和有机配体2,4,6-三(4′-羧基苯基)-1,3,5-三嗪按照摩尔比为10～2:1溶解在有机溶剂b中，加入有机配体的10～55摩尔当量的三氟乙酸，混合均匀，置于反应釜中，110～160°c反应5～24 h，冷至室温，离心分离，分别用有机溶剂b和有机溶剂a洗涤，干燥后得到pcn-777纳米颗粒。

9、进一步地，所述的nu-1000纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：将zrcl4和有机配体1,3,6,8-四(4′-羧基苯基)芘按照摩尔比为20～5:1溶解在有机溶剂b中，加入有机配体的1000～4000摩尔当量的乙酸，按照乙酸与水的体积比为5:0～3再加入水，混合均匀，置于反应釜中，70～120°c反应0.3～3 h，冷至室温，离心分离，分别用有机溶剂b和有机溶剂a进行溶剂交换，干燥后得到nu-1000纳米颗粒。

10、进一步地，所述的有机溶剂a为乙醇、丙酮中的至少一种.

11、进一步地，所述的有机溶剂b为二甲基甲酰胺或者二乙基甲酰胺中的至少一种。

12、进一步地，所述的农药活性成分为阿维菌素、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐、高效氯氰菊酯、吡唑醚菌酯中的一种或者两种以上的混合物。

13、进一步地，所述步骤1中的金属有机框架纳米材料与农药活性成分的质量比为1:0.5～10；所述的农药活性成分在有机溶剂a中的浓度为4～100 g/l。

14、进一步地，所述的木质素磺酸盐为木质素磺酸钠或者木质素磺酸钙中的至少一种；所述的木质素磺酸盐与壳聚糖的质量比为1:0～5；所述的金属有机框架纳米材料与木质素磺酸盐的质量比为1:0.2～5。

15、上述金属有机框架纳米农药控释剂的制备方法所得产物在农药控制方面的应用，通过环境因子控制农药释放；所述的环境因子为ph值、漆酶、磷酸盐、植酸中的一种或者两种以上的组合。

16、本发明公开了一种特别适合大尺寸的农药分子，制备简单、成本低、农药载药量高、阻抗农药紫外光降解的mof纳米农药控释剂的制备方法和农药控制释放方法。高度稳定的沸石型介孔pcn-777（由zriv氧簇和2,4,6-三(4′-羧基苯基)-1,3,5-三嗪配位而成）具有3.5 nm的较大的介孔笼，nu-1000（由zriv氧簇和1,3,6,8-四(4′-羧基苯基)芘配位而成）具有3 nm的较大的介孔笼。这些具有较大介孔的mof材料能够装载较大尺寸的农药分子，制备纳米农药控释剂，防止农药紫外光降解，提高对靶标生物的防控效果，降低对非靶标生物的毒性。到目前为止，还没有关于pcn-777材料作为药物或农药纳米载体的报道，也没有关于nu-1000材料作为农药纳米载体的报道。木质素是一种天然聚合物，是构成植物细胞壁的成分之一，其含量仅次于纤维素和甲壳素。木质素的分子结构中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、共扼双键等活性基团。木质素的应用大都以木质素磺酸盐的形式加以利用。木质素磺酸钠和木质素磺酸钙，无毒，溶于水，分散能力强，成本低，环境友好。通过强的配位作用（mof表面配位不饱和zriv位点与木质素磺酸盐的酚羟基）和静电作用（mof表面正电荷与木质素磺酸盐的磺酸根负离子）等，木质素磺酸盐包封在载药的pcn-777或者nu-1000纳米颗粒表面，由此制备了木质素磺酸盐包封的mof纳米农药控释剂。进一步，通过壳聚糖与木质素磺酸盐之间的静电作用和氢键作用，壳聚糖包封在木质素磺酸盐包封的载药的mof纳米颗粒表面，由此制备了木质素磺酸盐和壳聚糖双重包封的mof纳米农药控释剂，双重包封能够获得更好的农药封装性能，阻止农药提前渗漏。mof纳米材料的有机配体和木质素磺酸盐对紫外光具有明显吸收，能够抵抗装载在mof孔道中的农药的紫外光降解。根据病虫害的特点、木质素磺酸盐的性质、mof材料的性质、以及作物的生理环境，本发明公开了几种刺激响应的农药控制释放方法：ph（作物、病原菌、害虫）、漆酶（多酚氧化酶；植物的细胞壁、病原菌、害虫）、磷酸盐（植物）、植酸（六磷酸肌醇；植物）。本发明的mof纳米农药控释剂的制备方法，特别适合大尺寸的农药分子（包括尺寸小于介孔孔道的药物分子），制备简单、成本低、农药载药量高、阻抗农药紫外光降解等优点，促进农药减施增效，解决传统农药制剂面临的关键问题。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

18、1、pcn-777具有3.5 nm的较大的介孔笼，nu-1000具有3 nm的较大的介孔笼。制备这些具有较大介孔的mof纳米材料，特别适合装载较大尺寸的农药分子（阿维菌素、甲维盐、高效氯氰菊酯、吡唑醚菌酯等），制备mof纳米农药控释剂，提高对靶标生物的防控效果，降低对非靶标生物的毒性，达到农药减量增效的目的。

19、2、木质素磺酸盐的酚羟基与mof表面配位不饱和zriv位点之间强的多重配位作用，木质素磺酸盐的磺酸根离子与带正电荷的mof表面之间的静电作用等，使木质素磺酸盐牢固地包封在载药的pcn-777或者nu-1000纳米颗粒表面，制备的木质素磺酸盐包封的mof纳米农药控释剂即能实现农药控制释放用途。进一步，制备了木质素磺酸盐和壳聚糖双重包封的mof纳米农药控释剂，能够获得更好的农药封装性能，阻止农药提前渗漏，满足农药控制释放用途。木质素磺酸盐和壳聚糖均是源自天然的聚合物，无毒，成本低，环境友好。

20、3、农药在木质素磺酸盐和壳聚糖双重包封的mof纳米农药控释剂中的载药量为25%（质量百分比），农药载药量高，致使低浓度的mof纳米农药控释剂型就能达到防治病虫害的效果，降低了使用者的生产成本，也减小了剂型在配制、喷洒等方面的难度。

21、4、mof纳米材料的有机配体和木质素磺酸盐对紫外光具有明显吸收，能够抵抗装载在mof孔道中的农药的紫外光降解，提高农药有效利用率。

22、5、根据病虫害的特点、木质素磺酸盐的性质、mof材料的性质、以及作物的生理环境，本发明公开了几种刺激响应的农药控制释放方法：ph（酸性、碱性）、漆酶、磷酸盐、植酸，实现mof纳米农药控释剂的农药控制释放用途，提高对靶标生物的防控效果，同时降低对非靶标生物的毒性。

23、6、本发明的mof纳米农药控释剂的制备方法，特别适合大尺寸的农药分子，制备简单、成本低、农药载药量高、阻抗农药紫外光降解等优点，促进农药减施增效，解决传统农药制剂面临的关键问题。