一种植物酶响应性控释肥、纳米载体及其制备方法
技术领域
本发明涉及农化领域，更加涉及一种植物酶响应性控释肥、纳米载体及其制备方法。
背景技术
现代农业生产很大程度上依赖化肥、农药为作物生长提供充足的养分和控制各种病虫害、清除杂草以保证作物健康生长。然而，长期大量施用农化产品使得土壤结构被改变，导致土壤中的有机物含量显著减少，造成农田养分的额流失和土壤肥力的下降。过度施用化肥带来诸多问题，主要原因是农作物本身对传统农化产品的吸收、利用率很低。
近年来，纳米技术的快速发展为解决农业生产上的这一主要问题提供了新的思路。纳米农业将纳米技术运用于农业领域，是研究纳米尺度的特殊材料在农业中的应用。应用纳米材料技术构建、利用医药微胶囊技术和化工微乳化技术改性及化学聚合而形成的全新纳米肥料正在兴起。利用纳米材料对传统肥料进行吸附、包裹和装载是制造新型缓控释纳米肥料的一个有效途径，可以有效保护肥料免于因光照、高温以及微生物侵染而引起的降解，同时由于纳米材料的吸附可以缓慢释放装载的肥料，从而达到延长肥效的作用，但是，单纯的吸附很难保证肥料装载率，尤其是在前处理过程中，容易被水冲洗掉。另外，纳米肥料特别是纳米缓控释肥料的加工技术还不成熟稳定，纳米缓控释肥料在作物体内控制释放的作用方式和机理还不甚明了，从而严重制约了纳米缓控释肥的进一步开发和广泛使用。
为了解决纳米材料高效装载肥料的能力，本发明提供了一种植物酶响应性控释肥、纳米载体及其制备方法，可有效提高肥料稳定性和装载率，实现肥料的持久控释和延长肥效。
发明内容
本发明一方面提供一种植物酶响应性纳米载体，所述载体的制备原料包括改性羧甲基多糖和表面氨基修饰的埃洛石纳米管。
作为本发明的一种实施方式，所述载体由改性羧甲基多糖通过酯化反应与表面氨基修饰的埃洛石纳米管制备得到。
作为本发明的一种实施方式，所述改性羧甲基多糖为改性的羧甲基多糖；
所述羧甲基多糖选自羧甲基纤维素、羧甲基淀粉、海藻酸钠、羧甲基壳聚糖、羧甲基葡聚糖中的至少一种。
作为本发明的一种实施方式，所述表面氨基修饰的埃洛石纳米管的制备原料包括硅烷偶联剂和埃洛石纳米管。
作为本发明的一种实施方式，所述硅烷偶联剂选自3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。
本发明第二方面提供一种植物酶响应性控释肥，其包含上述的植物酶响应性纳米载体。
本发明第三方面提供一种上述的一种植物酶响应性控释肥的制备方法，其步骤如下：
S1.表面氨基修饰的埃洛石纳米管的制备
将埃洛石纳米管、有机溶剂和硅烷偶联剂在反应釜中，并在惰性气体环境下加热反应，反应后的物质进行离心洗涤，得到氨基化的埃洛石纳米管；
S2.功能化的埃洛石纳米管装载肥料
将S1中得到的氨基化的埃洛石纳米管分散于植物营养液中，在超声下进行抽真空，即得载有植物营养物质的氨基化埃洛石纳米管；
S3.改性羧甲基多糖的制备
将羧甲基多糖溶于去离子水，形成羧甲基多糖溶液，加入改性剂和酸，搅拌加热反应24小时后，用无水乙醇洗涤，干燥后即得改性羧甲基多糖粉末；
S4.复合纳米控释载体的组合
将改性羧甲基多糖溶于去离子水后，得到改性羧甲基多糖溶液，然后加入一定量的载有植物营养物质的氨基化埃洛石纳米管和碳酸氢钠，在50℃搅拌加热反应24小时，离心、洗涤、干燥得到具有植物酶响应性控释肥。
作为本发明的一种实施方式，所述S1中，所述有机溶剂选自甲苯、乙醇、乙醇、甲醇中的至少一种。
作为本发明的一种实施方式，所述S3中改性剂选自环氧氯丙烷、环氧溴丙烷、氯丙烯、溴丙烯中的至少一种。
本发明第四方面提供所述的植物酶响应性控释肥的使用方法，将控释肥悬浮于水中，通过叶面喷洒，被作物吸收进入植物体内。
有益效果：
1)本发明提供的一种植物酶响应性控释肥，属于纳米尺度的肥料，可有效提高作物对肥料的吸收利用率。
2)本发明通过对装载肥料的纳米载体进行功能化修饰之后，能够具有植物酶刺激响应性，受作物影响释放纳米载体内的肥料，无刺激不释放。
3)本发明的纳米肥料能够受作物体内的纤维素酶或淀粉酶等的作用，降解纳米管外层的壁材，打开纳米管表面的介孔和管腔端口，释放管腔内的肥料。本发明的具有植物酶响应性的控释肥能够促进新型肥料的技术发展，为新肥料的研究提供新的思路。
附图说明
图1为多糖与埃洛石纳米管复合纳米载体TEM图
图2为复合纳米载体SEM图
图3为不同纤维素酶浓度作用下的水杨酸累计释放率
图4为小麦根部亚细胞对纳米载体的吸收图(图中黑点为纳米载体)
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
如本文所用术语“由…制备”与“包括”同义。本文中所用的术语“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包括所列要素的组合物、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。
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，使其不包括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。
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至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至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。
单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。
说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能性的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。
本发明一方面提供一种植物酶响应性纳米载体，所述载体的制备原料包括改性羧甲基多糖和表面氨基修饰的埃洛石纳米管。
改性羧甲基多糖
本发明中所述改性羧甲基多糖为改性剂改性的羧甲基多糖。
作为本发明的一种实施方式，所述羧甲基多糖选自羧甲基纤维素、羧甲基淀粉、海藻酸钠、羧甲基壳聚糖、羧甲基葡聚糖中的至少一种。
作为本发明的一种实施方式，所述改性剂选自环氧氯丙烷、环氧溴丙烷、氯丙烯、溴丙烯中的至少一种。
所述改性羧甲基多糖的制备方法如下：
S3取4～6g羧甲基多糖溶解在去离子水中，得到羧甲基多糖溶液；加入一定质量比的改性剂和酸，搅拌加热反应24小时，随后，用无水乙醇洗涤三次，析出的物质即为改性的羧甲基多糖，然后干燥并磨成粉末，保存在干燥器中备用。
其中，所述羧甲基多糖溶液的质量浓度为1wt％～1.5wt％；酸的浓度为5～10mol/L；且酸的用量为0.2～1mL。所述的酸与改性剂之间的体积比为1：(5～10)；所述酸为盐酸或硫酸。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，改性剂与羧甲基多糖之间的质量比为(1～10)：1，更优选的质量比为2：1。
表面氨基修饰的埃洛石纳米管
所述表面氨基修饰的埃洛石纳米管为带氨基的硅烷偶联剂修饰的埃洛石纳米管。
所述带氨基的硅烷偶联剂选自3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。
本发明中所述表面氨基修饰的埃洛石纳米管的制备方法如下：
S1将纯化的埃洛石纳米管分散在盛有有机溶剂的反应釜内，然后加入带有氨基的硅烷偶联剂并在惰性气体保护下加热反应，反应后的物质进行离心洗涤，得到氨基修饰的埃洛石纳米管。
其中S1中，所述有机溶剂为甲苯、95wt％乙醇、50wt％乙醇、甲醇中的至少一种；所述的惰性气体为氦气、氮气、氩气中的至少一种；加热温度控制在75～85℃，更优选的为80℃。
本发明第二方面提供一种植物酶响应性控释肥，其包含上述的植物酶响应性纳米载体。
本发明第三方面提供一种上述的一种植物酶响应性控释肥的制备方法，其步骤如下：
S1.表面氨基修饰的埃洛石纳米管的制备
将埃洛石纳米管、有机溶剂和硅烷偶联剂在反应釜中，并在惰性气体环境下加热反应，反应后的物质进行离心洗涤，得到氨基化的埃洛石纳米管；
S2.功能化的埃洛石纳米管装载肥料
将S1中得到的氨基化的埃洛石纳米管分散于植物营养液中，在超声下进行抽真空，即得载有植物营养物质的氨基化埃洛石纳米管；
S3.改性羧甲基多糖的制备
将羧甲基多糖溶于去离子水，形成羧甲基多糖溶液，加入改性剂和酸，搅拌加热反应24小时后，用无水乙醇洗涤，干燥后即得改性羧甲基多糖粉末；
S4.复合纳米控释载体的组合
将改性羧甲基多糖溶于去离子水后，得到改性羧甲基多糖溶液，然后加入一定量的载有植物营养物质的氨基化埃洛石纳米管和碳酸氢钠，在50℃搅拌加热反应24小时，离心、洗涤、干燥得到具有植物酶响应性控释肥。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，S1所述的有机溶剂为甲苯、95％乙醇、50％乙醇、甲醇中的至少一种；
所述的惰性气体为氦气、氮气、氩气中的至少一种；加热温度控制在75～85℃，更优选的为80℃；
所述S1中，埃洛石纳米管与硅烷偶联剂之间的质量比为(1～5)：1，更优选的质量比为2.5：1。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1中，埃洛石纳米管与有机溶剂的质量体积比为1：(75-85)g/mL。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S2中，氨基化埃洛石纳米管与植物营养物质之间的质量比为1：(0.5～5)。更优选的质量比为1：1。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中改性羧甲基多糖的质量浓度为0.8％～3％，更优选质量浓度为0.9％～1.5％。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，氨基化埃洛石纳米管与改性羧甲基多糖之间的质量比为1：(1～10)，更优选的质量比为1：2.5。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，加入的碳酸氢钠的量为0.5～2g，更优选为1.0g。
本发明第四方面提供所述的植物酶响应性控释肥的使用方法，将控释肥粉末悬浮于水中，通过叶面喷洒，被作物吸收进入植物体内，通过体内的植物活性植物酶如纤维素酶等的作用，外层的纤维素的多糖壁材被裂解成小片段，整体的纳米载体的外层被降解，从而释放纳米管内的肥料物质供作物吸收。
下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
S1.埃洛石纳米管表面氨基化修饰
将2.5g埃洛石纳米管分散在含有200mL甲苯的反应釜内，然后加入1.0g 3-氨基丙基三甲氧基硅烷，并在氮气气体保护下加热80℃进行回流反应24小时，反应后的物质进行离心分离，固体物质用去离子水洗涤多次，得到氨基修饰的埃洛石纳米管。
S2.功能化埃洛石纳米管装载肥料
将2.0g水杨酸加入到100mL的乙酸乙酯溶液中，然后加入2.0g氨基功能化的埃洛石纳米管，进行超声30分钟，然后再抽真空，室温真空条件下反应24小时，反应结束后进行离心分离，然后用去离子水洗涤，于60℃干燥。
S3.羧甲基多糖的接枝改性
取5g羧甲基纤维素溶解在400mL去离子水中，得到羧甲基纤维素溶液，然后，加入10g环氧氯丙烷和1mL 6mol/L盐酸，搅拌加热到50℃反应24小时，随后，用无水乙醇洗涤三次，析出的物质即为改性的羧甲基纤维素，然后干燥并磨成粉末，保存在干燥器中备用。
S4.复合纳米控释载体的组合
将5g改性羧甲基纤维素溶于500mL去离子水后，得到改性羧甲基纤维素溶液，然后，同时加入5g载有水杨酸的氨基功能化埃洛石纳米管和1.0g碳酸氢钠，50℃搅拌加热反应24小时，最后，反应物在10000rpm转速下离心分离，用去离子水洗涤固体物多次，60℃干燥得到具有植物酶响应性控释肥。
S5.植物酶响应性控释肥的控释性能分析
在酶响应性实验中，称取2g控释肥分散在100mL40％(v/v)甲醇水溶液中，不加入酶，在不同时间间隔收集上清液测定水杨酸的浓度，计算累计释放率。
实施例2
本发明提供一种植物酶响应性控释肥，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，将S1所述的甲苯替换成无水乙醇。将3-氨基丙基三甲氧基硅烷替换成3-氨基丙基三乙氧基硅烷。在酶响应性实验中，加入6.0mL0.2％(wt％)纤维素酶水溶液。
实施例3
本发明提供一种植物酶响应性控释肥，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，将S2所述的水杨酸替换成赤霉素。在酶响应性实验中，加入6.0mL0.4％(wt％)纤维素酶水溶液。
实施例4
本发明提供一种植物酶响应性控释肥，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，将S3所述的环氧氯丙烷替换成氯丙烷。在酶响应性实验中，加入6.0mL0.5％(wt％)纤维素酶水溶液。
实施例5
本发明提供一种植物酶响应性控释肥，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，将S3所述的羧甲基纤维素替换成海藻酸钠，使用1.5mL 6mol/L硫酸。在酶响应性实验中，加入6.0mL0.5％(wt％)纤维素酶水溶液。
实施例6
本发明提供一种植物酶响应性控释肥，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于：将S4所述的5g改性羧甲基纤维素溶于500mL去离子水，得到改性羧甲基纤维素溶液，然后，同时加入1g载有水杨酸的氨基功能化的埃洛石纳米管和1.0g碳酸氢钠，50℃搅拌加热反应24小时，最后，反应物在10000rpm转速下离心分离，用去离子水洗涤固体物多次，60℃干燥即可。在酶响应性实验中，加入6.0mL0.75％(wt％)纤维素酶水溶液。
实施例7
本发明提供一种植物酶响应性控释肥，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，在酶响应性实验中，加入6mL1.0％(wt％)纤维素酶水溶液。
性能测试
注：酶响强度用“+”表示，“+”数量越多说明响应性越强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不仅限制于本发明，凡在本发明的精神和原则之内的所作的任何修改、等同替换等，均包含在本发明保护的范围之内。
