纳米农药研究进展

        2023年中央一号文件明确，将加快农业投入品减量增效技术推广应用写入规划要求。从目前农药剂型技术和应用实践来看，提高有效成分的利用率是减少农药用量有效的手段之一。纳米农药在农业中的应用越来越受到广泛关注，其具有提高药物的生物利用度、雾滴覆盖效率、药物沉积量及药物传递效率等优点。国内众多科研学者围绕纳米农药及相关制备技术的研发工作做了总结。郭勇飞、曹立冬、谢锦珊等对纳米农药的概念、主要制剂类型、纳米载体材料、制备技术和纳米农药在植物病虫害防治上的应用进行了整理与归纳，为纳米农药深入研究与规模化生产提供了指导意义。

       纳米农药已成为农药剂型研发的前沿领域，本文结合国内外研究进展，分别从农药分散、空间、界面和体内4个全生命周期传递过程，阐述了纳米农药的增效机理，综述了直接将有效成分加工成纳米农药和通过载体体系构建纳米农药相关的技术研究进展，对纳米农药未来产业化发展进行了展望，提出加强新型功能助剂的开发应用研究，推动纳米农药的创新发展。

1  纳米农药发展的必要性

       国内外政策导向大力支持纳米农药的发展。2019年纳米农药被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评为将改变世界的十大化学新兴技术之一。国内近几年大力推进纳米农药的发展，2017年2月，中国农科院发布《“跨越2030”农业科技发展战略》指出，争取在纳米农药技术方面取得重大突破。2018年7月，农业农村部印发的《农业绿色发展导则（2018—2030）》指出，重点发展纳米智能化控释肥料、绿色环保型纳米农药。2022年1月，农业农村部会同国家发展改革委、工业和信息化部等八部门联合印发的《“十四·五”全国农药产业发展规划》明确指出，倡导纳米技术在农药剂型上的创新应用，鼓励企业大力发展纳米化制剂。2022年7月，农业农村部在对十三届全国人大五次会议第5084号建议答复中表示，大力发展推广应用纳米化农药多元复配技术，推动产业化发展。2023年6月5日，农业农村部发文《农业农村部办公厅关于推介发布2023年农业主导品种主推技术的通知》将善思生态公司的“纳米农药预混技术”列为2023年农业主推技术“植保类”首位。

       目前国际社会对纳米农药的定义尚未有统一的标准，根据《纳米产品的定义、分类与命名》（GB/T 39855—2021）对纳米尺度的定义为：颗粒尺寸为1～100 nm。对纳米技术产品的定义为：由纳米材料组成或具有纳米结构的产品，添加纳米材料，或使用纳米技术处理后主要性能显著变化的产品。根据中国农业科学院植物保护研究所、农业农村部农药检定所和南京善思生态科技有限公司等单位起草行业标准《农药纳米制剂产品质量标准制订规范》：对纳米农药的定义为通过纳米制备技术，使农药有效成分在制剂体系或/和使用分散体系中以纳米尺度（1～300 nm）分散状态稳定存在的农药。

       目前，在纳米农药制备、表征及有效性方面已有大量的研究报道，符合农业可持续发展的要求。农药制剂发展经历了的4个阶段，每个阶段都代表了制剂的不同技术和方法：1.0阶段，主要关注制剂的分散、乳化等基础性能；2.0阶段，优选制剂的配方和工艺，更加关注制剂的理化性能；3.0阶段，关注不同维度的分散稳定性能、稀释液的界面性能、制剂的应用效果；而4.0阶段，需要深入研究分散、空间、界面、吸收传递效率，使制备的制剂更加安全、精准、智能和高效，这也是对未来农药制剂的期望和要求，其中纳米农药制剂是4.0阶段科研人员重点关注和努力研究发展、并推向产业化的方向之一。

2  纳米农药的增效机理

       农药从制备到田间应用包含4个过程，即分散传递、空间传递、界面传递和体内传递，纳米农药在药液的不同传递阶段均发挥出独特的优势。

2.1  分散传递阶段

       与传统的药物制剂相比，纳米农药制剂颗粒粒径为纳米级，分散度更高，制剂稳定性和药液稳定性更优；纳米农药制剂颗粒比表面积增大，有效成分在水中溶出度提升，提高药物在药液中的溶解浓度，提高在靶标表面的沉积量进而提高药物生物活性。有研究利用微沉淀和冻干技术开发了一种平均粒径为188 nm的阿维菌素固体纳米分散体，其在水中的悬浮率和润湿时间分别为99.8%和13 s，优于传统的水分散颗粒和可湿性粉剂，对小菜蛾的生物活性是常规固体制剂的1.5倍以上。有报道研究微乳液和增溶体系的表面活性剂最佳用量，得到粒径为可见光波长的1/4的毒死蜱微乳液，兑水稀释液在很长时间内保持稳定。

2.2  空间传递阶段

       虽然大部分研究结果表明，用植保无人机喷施，纳米农药比常规农药制剂有更好的防效，但药效结果仍取决于纳米制剂更高的分散度、在靶标上的沉积量等。与喷雾过程中雾滴粒径本身的大小无必然联系。其空间传递阶段雾滴粒径等主要取决于施药器械、喷雾助剂等对药液理化性能的影响。

2.3  界面传递阶段

       纳米农药能够一定程度上提高了药物沉积量，这可能与载体或助剂种类、特性有关联。研究发现，带有羧基（-COOH）、羟基（-OH）、醛基（-CHO）的纳米载体与植物表面蜡质层中的脂肪酸、醛以及醇等物质产生氢键作用，从而提高农药的沉积量，这些载体还包括单宁酸、多巴胺、壳聚糖等。有研究以星型多胺（SPc）为载体，构建了一种高效的阿维菌素B1a（AVM）纳米递送体系。AVM的羟基可以通过氢键和范德华力与SPc的羰基结合，AVM与SPc的自组装形成了纳米尺度的AVM/SPc配合物的近球形颗粒，AVM/SPc复合物更容易分布和扩散，同时AVM/SPc复合物也增强了植物体内的系统运输，扩大了与害虫的接触面积，增强了昆虫角质层的渗透性。因此，可根据生物体的特性，设计合成出带有正电荷的纳米载体，使负载上的纳米农药带上正电荷，提高沉积。如壳聚糖、星型聚合阳离子等。

2.4  体内传递阶段

       纳米农药能一定程度地提高药物体内传递效率。闫硕等综述了纳米农药的小尺寸、表面可修饰等特性可以促进植物对药剂的吸收和转运，进而提升药剂的植物内渗作用，尤其对于疏水性药剂而言，可以促进其随水分吸收并转运进入到植物体内。

       总体来讲，随着粒径的减小，纳米农药的比表面积会呈现出指数级的增长趋势。纳米农药的小尺寸效应导致其易于在水介质中分散，形成稳定的药液，同时能更好地兼容其他药物，形成稳定的混合液；小粒径也使得纳米农药能更充分地与靶标接触，且更深入地渗透到植物的各个部位，能够显著提高农药在靶标上的沉积量。另外，纳米悬浮剂粒径从3 µm降低至300 nm，如果按均匀微球计算比表面积增加100倍，纳米乳剂粒径降低到30 nm，比表面积增加10,000倍，比表面积增加可大大增加溶出度，提高传输剂量，进而提升生物利用率。

       此外，通过修饰载体或助剂，纳米农药的作用力可以得到进一步提高。例如，通过引入具有特定性质的载体或助剂，纳米农药可以与靶标之间产生氢键作用或静电作用等，进一步加强与靶标的结合力。

3  纳米农药种类及制备技术研究进展

       纳米农药主要类型有微乳剂、纳米乳、纳米分散体、纳米囊、纳米球、纳米胶束、纳米凝胶、静电纺丝纳米纤维、金属及氧化物纳米粒子等。其加工工艺总体上分为2类：（1）将农药活性物质直接加工成纳米尺度的粒子，如微乳剂、纳米乳液、纳米悬浮剂等；（2）以纳米材料为载体，通过吸附、偶联、包裹等方式负载农药，构建尺度为100～1,000 nm的纳米载药体系，如纳米球、纳米笼、纳米孔等。

3.1  将有效成分直接加工成纳米农药

       将有效成分直接加工成的纳米农药，其典型代表有纳米悬浮剂，也称为纳米分散体，是将晶体或无定型的农药有效成分经过湿磨制备成纳米晶粒或无定型颗粒并将其分散在水中，粒子尺寸目前国际上仍没有统一的标准，中国农业科学院植物保护研究所牵头制定的《农药纳米制剂产品质量标准制订规范》中对纳米悬浮剂的尺寸规定为Z-均粒径＜300 nm，D₅₀＜300 nm，D₉₀＜600 nm。张小兵等采用两级湿法研磨技术，使用MiniZeat 03E型实验室砂磨机与Mini Cer型实验室砂磨机分级研磨，筛选助剂配方得到粒径D₉₀＜200 nm的螺虫乙酯纳米悬浮剂，和常规尺寸螺虫乙酯悬浮剂相比，对烟粉虱若虫的防效显著提升，纳米颗粒有助于减少农药用量。谭葵等研究发明了一种含有吡唑醚菌酯和代森联的纳米干悬浮剂及其制备方法，制备的纳米干悬浮剂粒径小、粒径稳定性好、悬浮率高。目前，对纳米悬浮剂的报道更多仍集中于传统助剂和棒销式纳米砂磨机，D₉₀＜1 µm，粒径易长大、磨效低（8～10遍）。因此，新型纳米分散剂的开发调控纳米悬浮剂的粒径、生产纳米砂磨机等设备的优化对推动其产业化非常重要。

       纳米乳剂也可直接通过乳化剂、增溶助剂的增溶作用来实现。增溶共聚物表现出更高的装载效率和装载能力，能有效防止纳米颗粒聚集，稳定存在溶液中。关文勋等利用阿维菌素具有的2个活性羟基，连续与丙烯酰氯、四乙烯五胺和琥珀酸酐反应，制备了带有酯键并对药物亲和的乳化剂前体，该乳化剂前体经中和后，可以与阿维菌素在水中自发形成稳定的纳米农药乳液，其粒径可以通过改变乳液载药量或乳化剂中和程度来调节。该纳米乳液显示出一系列优良性能，包括高载药量、高稳定性、耐光解、低表面张力和高的叶面亲和性。在酯酶存在或强碱性条件下，乳化剂的酯键发生水解，致使乳化剂亲水部分与亲油部分分离，从而促进阿维菌素从颗粒中的释放，故该纳米农药具有比市售阿维菌素乳油更好的杀虫效果。有研究以两亲性嵌段共聚物聚环氧乙烷-b-聚己内酯（PEO-PCL）为胶束载体，制备了水不溶性植物源农药蓖麻碱的制剂。与由小分子表面活性剂制成的制剂（例如吐温-80）相比，聚合物制剂对朱砂叶螨[Tetranychus cinnabarinus（B.）]螨体被膜和豇豆[Vigna unguiculata（L.）Walp]叶面具有更低的接触角。

3.2  通过纳米载药体系构建纳米农药

3.2.1  纳米缓释载药体系

       纳米农药体系中，纳米载体的装载方式有很多：将活性物质封装在纳米颗粒聚合物壳内；活性物质吸附于纳米颗粒表面；药物通过偶联的方式，通过配体附着在纳米颗粒核心上；药物通过镶嵌的方式，截留（包埋）在聚合物基质中。纳米载体材料也是多种多样的，无机纳米载体材料有氧化石墨烯、多孔碳酸钙、磁性硅藻土、凹凸棒土、介孔二氧化硅等；天然纳米载体材料有乳糖、木质素、羧甲基纤维素、壳聚糖、聚乳酸等；有机合成的纳米载体材料有脂质体、树脂、超分子聚合物、高分子聚合物、纳米胶束/凝胶等。上述纳米载体材料可有效防止所载农药发生降解（光解、水解、氧化、挥发、酸碱、温度等），提高溶解度、生物活性、靶向性，控制释放（高毒性、长期持效性），安全环保等。

3.2.2  智能响应纳米载药体系

       响应性能够减少农药在环境中的扩散、消解和流失，是一种环境友好型的农药制剂。崔海信等利用N-异丙基丙烯酰胺NIPAM，N,N-亚甲基双丙烯酰胺BIS，十二烷基硫酸钠SDS和甲基丙烯酸丁酯BMA制备出温度响应型的纳米凝胶载体（NIPAM-co-BMA），该纳米载体载药量高、释控性能好。何涛等将疏水性农药载入具有微酸响应的两亲性聚合物胶束中，其粒径为10～500 nm，该微酸响应负载农药的聚合物胶束缓释制剂具有良好的水溶性和在酸性环境中的缓释效果，实现在微酸环境下缓慢释放，并在中性或碱性环境中保持良好的稳定性。该农药缓释制剂能够提高农药的稳定性，减少农药的用量，且表现出的微酸目前文献所报道的高分子载体，大多是对光、热、pH、电、压力响应的纳米载体。

       控制释放型纳米载体农药系统也是研究的热点。有研究通过多巴胺化学作用螯合铜离子（Cu²⁺）的介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）（AZOX@MSNs-PDA-Cu），用于控制嘧菌酯（AZOX）的释放。铜离子与AZOX之间的配位键相互作用减缓了AZOX向周围环境的释放。此外，由于质子与多巴胺（PDA）层或氢氧根离子与Cu²⁺之间的竞争性配位会破坏“PDA-Cu²⁺-AZOX”的配位键结构，铜螯合作用可使递送分子具有pH响应的释放特性。在活性成分剂量相同的情况下，AZOX@MSNs-PDA-Cu对稻瘟病的杀菌活性优于单独的AZOX。动态接触角测量表明，PDA涂层可提高对作物叶片的附着能力和沉积效率。有研究采用原子转移自由基聚合（ATRP）和后聚合法合成了一种荧光氨基聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGOHMA），得到的纳米载体的内部空腔结构和高密度官能团结构有利于农药分子的装载，形成稳定复合体，氨基功能化提高所载物质与昆虫表皮和细胞膜的亲和力，促进植物源农药分子穿透昆虫表皮屏障，进入体腔和各个器官组织的细胞内，实现高效杀虫。与广泛使用的商业和先前报道的基因载体相比，PGOHMA表现出更低的细胞毒性和更高的递送效率。目前对控制释放型纳米载药体系的研究多集中于介孔材料、树枝状聚合物或大分子，吸附或封装农药形成控制释放型纳米农药。

3.2.3  对靶沉积型纳米载体农药系统

       根据靶标特性设计不同的载体结构实现纳米农药有效成分在靶标上的沉积。有研究开发出具有pH响应性控制释放特性的高叶面黏附性阿维菌素纳米囊（Av-pH-cat@CS）。活性成分颗粒表面邻苯二酚基团或单宁酸的存在有效地改善了叶面的润湿性，2种黏附型纳米囊因具有表面邻苯二酚基团，易与植物叶面极性基团产生氢键作用，展示出了较好的黏附性能，有效提高药物在靶标叶面的滞留量。由于强氢键作用，Av-pH-cat@CS纳米囊对作物叶片具有较高的黏附性，延长了持留时间，提高了防治效果和利用效率。有研究通过一步酯化反应将含邻苯二酚的黏合剂聚合物接枝到帽形载体（HSCs）表面，成功制备了一系列具有高负载能力的农药负载邻苯二酚功能化帽形载体（农药负载Cat-HSCs）。在喷洒到水稻和小麦叶片上时，这些功能化载体在“衣帽”拓扑效应和非共价相互作用的驱动下，能同时靶向叶片上的微小植体和纳米植体，从而大大提高了叶片亲和性、农药持留率和抗冲击性。此外，农药负载Cat-HSCs具有15 d的持续释放特性，对小麦白粉病具有令人满意的防治效果。对于沉积型纳米载体农药系统的研究多集中于含酚羟基、阳离子等，与叶面形成氢键、静电等作用，提升纳米药物在靶标表面的沉积量。

4  纳米农药产业化展望

       纳米农药作为一种新型农药制剂，具有许多潜在的优势，如提高药效、降低对环境的污染等。然而，要实现纳米农药的产业化，还需要解决许多技术和成本方面的问题。纳米农药的制备工艺是首要问题，目前其制备工艺相对复杂，成本较高，限制了大规模生产和应用。因此，需要研究和开发更为简单、高效和低成本的制备工艺，以提高纳米农药的生产效率。其次，需要加强纳米农药的药效和环境影响研究。尽管纳米农药具有许多潜在的优势，但其药效和环境影响还不完全清楚。因此，需要进行更为深入的研究，以了解纳米农药的作用机制和环境影响，为其大规模应用提供科学依据。此外，需要推动相关技术的进步和产业的发展。纳米农药的产业化涉及到多个领域的技术和产业，如化学、生物学、材料科学等。因此，需要加强跨学科的合作和研究，推动相关技术的进步和产业的发展，以支持纳米农药的产业化。最后，需要加强政策和标准的制定。作为一种新型农药制剂，纳米农药需要符合相关的法规和标准。因此，需要加强政策和标准的制定，建立完善的监管体系，以确保纳米农药的安全性和有效性。总之，纳米农药的产业化需要解决多个方面的问题和挑战，需要加强研究、合作和技术创新。只有这样，才能实现纳米农药的大规模生产和应用，为农业的发展和环境保护做出更大的贡献。

       农药的利用率往往受到多种因素的影响，如药液的稳定性、雾滴的传递行为等。近年来，助剂调控雾滴传递行为成为研究的热点，旨在提高农药的利用率和防治效果。助剂调控雾滴传递行为在农业中的研究仍面临诸多挑战。未来研究应进一步关注以下几个方面：首先，加强新型助剂的开发和应用研究，以提高药液的稳定性和改善雾滴的传递性能；其次，深入探究环境因素对雾滴传递的影响机制，为实现精准施药提供科学依据；最后，加强跨学科合作，将化学、物理学、生物学等多学科的理论和技术应用于农药雾滴传递的研究中，推动该领域的创新发展。

来源：《世界农药》2024年第3期 作者：唐跃明1 田大军2 章超2 李俊1（1.中化高性能纤维材料有限公司；2.江苏扬农化工股份有限公司）