一种农药纳米载药颗粒骨架材料及其制备方法和应用

1.本发明属于农药研发技术领域，特别涉及一种农药纳米载药颗粒骨架材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.农药是农业增产的重要保障。然而，目前我国生产和使用的高效环保农药制剂比重不高，品种仍以乳油、可湿性粉剂等传统剂型为主，存在大量使用有机溶剂、粉尘飘移、分散性差等局限性，有效利用率普遍偏低。另外，农药在使用过程中，会进入靶标作物并对植物正常的生长发育与生理功能产生负面影响。
3.农药纳米载药颗粒是当前较为热门的研究话题。目前国内外研究主要集中在农药纳米载药颗粒的制备、性能表征、控制释放性能、对有害生物毒力和提高有效性等方面，而农药纳米载药颗粒调节靶标作物生长代谢方面的应用尚无报道。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种农药纳米载药颗粒骨架材料及其制备方法和应用。所述农药纳米载药颗粒骨架材料的粒径大小可控制在150-400nm，具有较好的控释效果及杀菌活性。利用纳米技术将农药的分散尺度由普通剂型的微米级别降低为纳米级别，更利于植物体吸收，并具有良好的控释释放性能。另外，由于纳米载体中铁、氮元素的引入，可保证农药杀菌活性的同时缓解农药有效成分对植物生长产生的负面影响，从而促进植物生长。
5.本发明提供了一种农药纳米载药颗粒骨架材料(mof-nh2)，由包括如下质量份的反应原料制得：2-氨基对苯二甲酸(h2ata)5-15份，可溶性三价铁盐8-25份；所述反应原料分散于反应溶剂n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中进行反应。
6.优选的，所述可溶性三价铁盐包括六水合三氯化铁、硫酸铁和醋酸铁中的任意一种或多种。
7.优选的，所述反应原料还包括聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、乙酸和三乙胺中的任意一种或多种。
8.优选的，所述反应原料包括2-氨基对苯二甲酸、可溶性三价铁盐、聚乙烯吡咯烷酮、乙酸和三乙胺；所述2-氨基对苯二甲酸在所述反应溶剂n，n-二甲基甲酰胺中的浓度为5-15g/l；所述可溶性三价铁盐在所述反应溶剂n，n-二甲基甲酰胺中的浓度为8-25g/l；所述聚乙烯吡咯烷酮在所述反应溶剂n，n-二甲基甲酰胺中的浓度为15-35g/l；所述乙酸在所述反应溶剂n，n-二甲基甲酰胺中的体积浓度为0.005％-0.02％；所述三乙胺在所述反应溶剂n，n-二甲基甲酰胺中的体积浓度为3％-5％。
9.优选的，所述反应在高压反应釜中进行；所述高压反应釜所处的环境温度为100-150℃；所述反应的时间为12-36h。
10.本发明提供了上述农药纳米载药颗粒骨架材料的制备方法，包括如下步骤：
11.(1)称量所需用量的反应原料，将所述反应原料分散于n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，得到反应混合物；
12.(2)将所述反应混合物置于高压反应釜中，将所述高压反应釜置于100-150℃条件下，恒温反应12-36h；
13.(3)所述恒温反应结束后，将所述高压反应釜静置、冷却、离心；去上清，得到沉淀物；
14.(4)对所述沉淀物进行洗涤、干燥、研磨，得到农药纳米载药颗粒骨架材料(mof-nh2)。
15.优选的，步骤(3)所述离心的转速为8000-15000rpm；所述离心的时间为3-10min；步骤(4)所述干燥的温度为60-80℃。
16.作为更优选的实施方式，本发明提供了一种农药纳米载药颗粒骨架材料的制备方法，包括如下步骤：
17.(1)将2-氨基对苯二甲酸(h2ata)、六水合三氯化铁(fecl3·
6h2o)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)分散于n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，其中h2ata、fecl3、pvp在dmf中的浓度分别为5-15g/l、8-25g/l、15-35g/l，然后再加入乙酸和三乙胺，使其浓度分别为0.005-0.02％和3％-5％，并超声混匀。
18.(2)将混合物转移至聚四乙烯高压反应釜中，密封后放入烘箱在100-150℃下恒温反应24h。
19.(3)从反应釜中取出、静置反应物，使其自然冷却至室温，8000-15000rpm离心3-10min，弃去上清液，收集沉淀物。
20.(4)分别用dmf、乙醇、超纯水洗涤3次沉淀物，在烘箱中60-80℃下干燥后，用研磨成固体粉末，形成氨基修饰的金属有机骨架材料(mof-nh2)，即本发明所述农药纳米载药颗粒骨架材料。
21.本发明以2-氨基对苯二甲酸作为有机连接物，以三价铁离子为结点，合成了表面带有氨基的金属有机骨架，其中2-氨基对苯二甲酸(h2ata)提供氨基，n，n-二甲基甲酰胺(dmf)为反应溶剂。
22.聚乙烯吡咯烷酮(pvp)用做分散剂使用，聚乙烯吡咯烷酮(pvp)和三乙胺可调节所述农药纳米载药颗粒骨架材料的粒径大小，使其大小更加均匀稳定。
23.乙酸的加入可加快反应速度，可以作为封端剂来捕获对苯二甲酸上的氢离子，促进了配体对苯二甲酸的去质子化，从而影响了成核以及晶体生长的过程。
24.参与反应的n，n-二甲基甲酰胺(dmf)会在高温条件下部分分解产生二甲胺(一种碱性化学物质)。二甲胺会与酸性配体发生反应，进一步的促进了对苯二甲酸的去质子化加快了反应的发生。
25.本发明提供了上述农药纳米载药颗粒骨架材料或者上述制备方法制备得到的农药纳米载药颗粒骨架材料在制备农药纳米载药颗粒中的应用；所述农药纳米载药颗粒能缓解农药有效成分对植物生长产生的负面影响，并促进植物生长。
26.优选的，所述农药包括戊唑醇、苯醚甲环唑和吡虫啉中的任意一种或多种。
27.优选的，所述农药和所述农药纳米载药颗粒骨架材料的质量比为0.5-3：1。
28.作为更优选的实施方式，本发明提供了一种农药纳米载药颗粒骨架材料在制备农
或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
47.连接词“由
……
组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由
……
组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
48.当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
[0049]“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，a和/或b包括(a和b)和(a或b)。
[0050]
本发明未对所述制备原料的来源进行特别限定，本领域常规市售原料产品均可。
[0051]
在以下实施例中，所涉及的原料和试剂包括：六水合三氯化铁：国药集团化学试剂有限公司；含量：≥98％；生产批号：20140509；聚乙烯吡咯烷酮：北京化学试剂公司；2-氨基对苯二甲酸：麦克林；含量98％；a824727-25g；lot：c12561776；n,n-二甲基甲酰胺：shanghai acmec biochemical co.ltd；lot：n824334ca；乙酸：国药集团化学试剂有限公司；含量99.5％；生产批号：20170104；三乙胺：北京百灵威科技有限公司；含量99％；lot：li40q02。
[0052]
实施例1：
[0053]
称取253.6mg 2-氨基对苯二甲酸和756.8mg六水合三氯化铁，416.7mg聚乙烯吡咯烷酮分散于盛有23ml n，n-二甲基甲酰胺烧杯中，加入1ml乙酸，21ul三乙胺，超声混匀。
[0054]
将混合物转移至聚四乙烯高压反应釜中，密封后放入烘箱在120℃下恒温反应24h。
[0055]
从反应釜中取出、静置反应物，使其自然冷却至室温，10000rpm离心5min，收集沉淀物。
[0056]
分别用dmf、乙醇、超纯水洗涤3次沉淀物，在烘箱中60℃下干燥8h，研磨后获得mof-nh2。
[0057]
称取60mg的mof-nh2与60mg戊唑醇原药(农药原料和mof-nh2材料的质量比1:1)，加入2ml二氯甲烷作为负载溶剂，室温下搅拌6h。10000rpm离心10min，弃去上清液，收集沉淀物，在烘箱中60℃烘干，得到戊唑醇纳米载药颗粒。
[0058]
制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒的扫描电镜结果如图1所示：采用本发明所述方法制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒大小为200-300nm左右。
[0059]
杀菌活性测试：
[0060]
对制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒的生物活性进行测试，测试方法为：病原菌菌
丝生长抑制平皿法。以丙酮为溶剂，以空白实验、戊唑醇原药为对比，不同剂型对小麦纹枯病原菌的抑制效果如图2所示，不同剂型对小麦纹枯病病菌的抑制率数据如表1所示。结果表明，戊唑醇纳米载药颗粒与戊唑醇原药对小麦纹枯病病菌的抑制率相当，表明mof-nh2作为载体控制农药释放，没有对农药的活性产生影响。
[0061]
表1不同剂型对小麦纹枯病病菌的抑制率
[0062]
样品戊唑醇浓度(mg/l)抑制率(％)戊唑醇原药231.5戊唑醇载药颗粒230.1戊唑醇原药1041.6戊唑醇载药颗粒1040.8
[0063]
对植物生长的影响：
[0064]
使用制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒对小麦幼苗进行根部处理，戊唑醇有效成分的处理浓度为5mg/l，同时进行相应浓度的戊唑醇原药、mof-nh2载体及空白对照，处理过程中每天补充蒸发的水分，使水的总体积保持不变。7天后采集样品，分别测定小麦幼苗的根长、株高、鲜重、干重、叶绿素a、叶绿素b、可溶性蛋白等生理生化指标，结果如表2所示。与空白组对比，戊唑醇原药处理后小麦幼苗的根长、株高、鲜重、干重、叶绿素a、叶绿素b、可溶性蛋白等均降低，可见戊唑醇原药对小麦幼苗生长有一定的负面影响；mof-nh2载体处理后，与空白组对比，这些指标有一定的提升或与空白组相当，说明由于mof-nh2载体中铁、氮元素的引入，该载体可促进小麦幼苗的生长；戊唑醇纳米载药颗粒处理后，与戊唑醇原药处理组相比，这些指标均比有一定的提升，说明该载药颗粒可以缓解农药有效成分对小麦幼苗生长产生的负面影响。
[0065]
表2不同剂型对小麦幼苗
[0066] 空白对照戊唑醇原药mof-nh2载体戊唑醇纳米载药颗粒根长(mm)65.461.164.263.6株高(mm)151.3137.1154.9143.8叶绿素a(mg/g)0.2210.1370.3420.166叶绿素b(mg/g)0.1410.0950.1830.109鲜重(g/10株)2.2972.1732.3532.180干重(g/10株)0.3410.3260.3440.336蛋白(mgprot/ml)557.4510.0556.1538.4
[0067]
实施例2
[0068]
称取253.6mg 2-氨基对苯二甲酸和756.8mg六水合三氯化铁，277.8mg聚乙烯吡咯烷酮分散于盛有23ml n，n-二甲基甲酰胺烧杯中，加入1ml乙酸，21ul三乙胺，超声混匀。
[0069]
将混合物转移至聚四乙烯高压反应釜中，密封后放入烘箱在120℃下恒温反应20h。
[0070]
从反应釜中取出、静置反应物，使其自然冷却至室温，10000rpm离心5min，收集沉淀物。
[0071]
分别用dmf、乙醇、超纯水洗涤3次沉淀物，在烘箱中80℃下干燥6h，研磨后获得mof-nh2。
[0072]
称取60mg的mof-nh2与60mg戊唑醇原药(农药原料和mof-nh2材料的质量比1:1)，加入2ml二氯甲烷作为负载溶剂，室温下搅拌6h。10000rpm离心10min，弃去上清液，收集沉淀物，在烘箱中60℃烘干，得到戊唑醇纳米载药颗粒。
[0073]
制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒的扫描电镜结果如图3所示：采用本发明所述方法制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒大小为200-300nm左右。
[0074]
实施例3
[0075]
称取253.6mg 2-氨基对苯二甲酸和756.8mg六水合三氯化铁，138.9mg聚乙烯吡咯烷酮分散于盛有23ml n，n-二甲基甲酰胺烧杯中，加入1ml乙酸，21ul三乙胺，超声混匀。
[0076]
将混合物转移至聚四乙烯高压反应釜中，密封后放入烘箱在120℃下恒温反应24h。
[0077]
从反应釜中取出、静置反应物，使其自然冷却至室温，10000rpm离心8min，收集沉淀物。
[0078]
分别用dmf、乙醇、超纯水洗涤3次沉淀物，在烘箱中60℃下干燥8h，研磨后获得mof-nh2。
[0079]
称取60mg的mof-nh2与60mg戊唑醇原药(农药原料和mof-nh2材料的质量比1:1)，加入2ml二氯甲烷作为负载溶剂，室温下搅拌6h。10000rpm离心8min，弃去上清液，收集沉淀物，在烘箱中70℃烘干，得到戊唑醇纳米载药颗粒。
[0080]
制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒的扫描电镜结果如图4所示：采用本发明所述方法制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒大小为150-200nm左右。
[0081]
实施例4
[0082]
称取126.8mg 2-氨基对苯二甲酸和378.4mg六水合三氯化铁，138.9mg聚乙烯吡咯烷酮分散于盛有23ml n，n-二甲基甲酰胺烧杯中，加入1ml乙酸，21ul三乙胺，超声混匀。
[0083]
将混合物转移至聚四乙烯高压反应釜中，密封后放入烘箱在120℃下恒温反应24h。
[0084]
从反应釜中取出、静置反应物，使其自然冷却至室温，10000rpm离心10min，收集沉淀物。
[0085]
分别用dmf、乙醇、超纯水洗涤3次沉淀物，在烘箱中70℃下干燥9h，研磨后获得mof-nh2。
[0086]
称取60mg的mof-nh2与60mg戊唑醇原药(农药原料和mof-nh2材料的质量比1:1)，加入2ml二氯甲烷作为负载溶剂，室温下搅拌6h。10000rpm离心10min，弃去上清液，收集沉淀物，在烘箱中70℃烘干，得到戊唑醇纳米载药颗粒。
[0087]
制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒的扫描电镜结果如图5所示：采用本发明所述方法制备得到的戊唑醇纳米载药颗粒大小为300-400nm左右。
[0088]
实施例5
[0089]
不同类型农药对载药颗粒载药量及包封率的影响
[0090]
改变实施例1中农药的种类，分别准备农药纳米载药颗粒，测定其经过离心、干燥后得到产物的载药量、包封率，结果如表3。
[0091]
表3不同类型农药对载药颗粒载药量及包封率的影响
[0092]
原药载药率包封率
戊唑醇36.25％26.65％苯醚甲环唑16.06％14.78％吡虫啉10.96％10.46％
[0093]
由表3可见：不同类型农药的载药率和包封率不同，戊唑醇、苯醚甲环唑、吡虫啉具有不同的化学结构及特性，其中戊唑醇的载药效果最好，说明载药效果与农药本身的化学结构、理化性质等有关。
[0094]
实施例6
[0095]
不同药材比对载药颗粒载药量及包封率的影响
[0096]
改变实施例1中农药原料和mof-nh2材料的质量比，分别制备农药纳米载药颗粒，测定其经过离心、干燥后得到产物的载药量、包封率，结果如表4。
[0097]
表4不同药材比对载药颗粒载药量及包封率的影响
[0098][0099][0100]
表4结果表明：载药颗粒的载药量和包封率随着农药原料和mof-nh2材料的质量比的改变而有一定的差异。当农药投入量较多时，载药颗粒的包封率逐渐降低；而载药率没有得到较大程度的提高。
[0101]
实施例7
[0102]
不同负载溶剂对载药颗粒载药量及包封率的影响
[0103]
改变实施例1中负载溶剂的种类，分别制备农药纳米载药颗粒，测定其经过离心、干燥后得到产物的载药量、包封率，结果如表5。
[0104]
表5不同负载溶剂对载药颗粒载药量及包封率的影响
[0105][0106]
表5结果表明：由于不同农药在负载溶剂中的溶剂性能不同，载药颗粒的载药量和
包封率随着负载溶剂的改变而有一定的差异。对于苯醚甲环唑纳米载药颗粒，选择甲醇作为负载溶剂能够获得最佳的载药率和包封率，二氯甲烷作为负载溶剂时的载药率和包封率最差；而对于吡虫啉纳米载药颗粒，选择甲醇作为负载溶剂能够获得最佳的载药率和包封率，丙酮作为负载溶剂时的载药率和包封率最差。因此，要根据农药的不同性质，选择合适的溶剂作为溶出介质。
[0107]
释放性能测试：
[0108]
配制释放介质溶液，其中乙醇、水和吐温-80的体积比为50:50:0.1。称取有效成分为25mg的吡虫啉原药及表5中以甲醇作为负载溶剂的吡虫啉纳米载药颗粒，分别置于体积为200ml释放介质溶液中，于恒温震荡反应器中在30
±
1℃条件下于150rpm震荡释放。每隔一定的时间进行取样1ml，并过0.22μm的水系滤膜，用高效液相色谱仪检测吡虫啉的含量。每次取样后补加1ml的释放介质溶液，根据以下公式计算累计释放速率。
[0109][0110]
式中：
[0111]
q——累积释放速率，以％表示；
[0112]v0
——溶出介质的总体积(200ml)；
[0113]ct
——释放时间点测定的溶出介质中的有效成分质量浓度，单位为毫克每毫升(mg/ml)；
[0114]
v——每次取样的体积(1ml)；
[0115]
w——体系中总的有效成分质量(25mg)。
[0116]
吡虫啉载药颗粒与吡虫啉原药的累计释放速率如图6所示：在相同的释放条件下，吡虫啉原药的累计释放率在10h后达到90％以上；而吡虫啉载药颗粒的释放较缓慢，在前1.5h时期累计释放率不超过20％，而24h后达到80％以上。结表明纳米载药颗粒对有效成分吡虫啉具有较好的控释效果。
[0117]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。