一种壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂的制备及应用
技术领域
本发明属于纳米农药制剂制备领域；具体涉及一种壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂的制备及应用。
背景技术
百草枯是全球最为广泛使用的一种高效的无选择的除草剂，通过阻止植物绿色组织的光合作用，达到除草的目的；当百草枯接触到土壤时失去活性，对植物根茎没有损伤。不容忽视的是，当人们无意或有意吞服商品化的百草枯制剂时，对人体产生致命的毒性，主要体现在肺部毒性，目前尚无有效的解药用于挽救吞服者的生命。鉴于此，一些国家禁止生产和销售百草枯除草剂。可是，由于百草枯的高效除草效果且价格低廉，很多国家仍在广泛使用。数十年来，人们一直致力于研发一种使用者安全友好且能够保持活性组分的高效除草效果的百草枯制剂。目前的商品化制剂和已有的相关研究结果主要是通过添加催吐剂和促泻剂等以减少胃肠道对百草枯的吸收，但是均难以同时解决使用者安全友好且保持高效除草效果的技术难题。
为了减少农药用量、增强农药防控效果，近年来，水基纳米农药的研发得到全球的广泛关注。纳米农药能够改善农药的表观溶解度，增强农药在叶片表面的沉积和持留，控制农药释放，增强农药的生物利用度。不同于大多数有机农药水溶性差或在水中几乎不溶解的性质，百草枯的水溶性很好。常规的技术思路是水溶性的农药无需制备成纳米农药制剂。突破传统认识，本发明提出创新技术策略，选择一种纳米碳材料，例如，介孔碳纳米颗粒(MCN)，羧基化的MCN强烈吸附百草枯分子，廉价的天然多糖高分子壳聚糖包封在已负载百草枯的羧基化MCN表面，制备壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂。MCN具有无毒、生物相容性好、非免疫原性、比表面积大、孔体积大、孔道结构多样和孔径可调等特点。MCN具有碳材料固有的一定程度的疏水性；重要的是，能够吸收紫外–可见–近红外光，具有较好的近红外光热效应。本发明中所述的壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂，从源头设计上抑制百草枯在人体胃肠道的吸收。壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂在强酸性至碱性范围的水溶液中几乎没有明显的百草枯释放，这将极大地减少百草枯在人体胃肠道的吸收，降低对人体组织器官的致命毒性。升高温度，削弱百草枯与介孔碳纳米孔道之间的强相互作用，可控释放百草枯分子，实现热响应的百草枯的控制释放。在自然的太阳光照射情况下，壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂显示出类似于活性组分百草枯的高效除草效果。本发明的纳米农药制剂的生物相容性好、成本低廉、制备过程简单、对人体毒副作用小、使用者安全友好，能够实现太阳光响应的百草枯的控制释放性能，增加除草剂的持久药效，并且环境友好。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明发明了一种壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂的制备方法，首次把MCN作为农药载体应用到纳米农药制剂，羧基化的MCN强烈吸附除草剂，通过壳聚糖包封在已装载百草枯的羧基化的MCN表面，制备壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂。在强酸性至碱性范围的水溶液中，介孔碳纳米除草剂几乎没有明显的百草枯释放，这将极大地减少百草枯在人体胃肠道的吸收，降低对人体组织器官的致命毒性。升高温度，介孔碳纳米除草剂可控释放百草枯分子。在自然的太阳光照射情况下，逐渐释放包封的除草剂分子，介孔碳纳米除草剂显示出高效的除草效果。
本发明提供了一种成本低廉、制备简单、使用者安全友好、除草效果高的壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将羧基化的介孔碳纳米颗粒(MCN)和除草剂在溶剂中机械搅拌一定时间后，得到混合溶液，将除草剂装载到MCN的纳米孔道中，经过离心和洗涤，去除未负载的除草剂，得到载药的MCN。
(2)将步骤(1)得到载药的MCN分散在壳聚糖的醋酸水溶液中，通过氨基质子化的壳聚糖与载药的表面羧基化的MCN之间的氢键和静电作用，壳聚糖包封在载药的MCN表面，经过离心分离、洗涤和干燥后，得到壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂。
所述MCN的制备方法：以两亲性三嵌段共聚物Pluronic F127为模板，酚醛树脂作为碳源，通过低浓度的反应物控制酚醛树脂的交联速度，结合水热法促进酚醛树脂/F127复合胶束的自组装；然后在氮气或氩气等惰性气氛下于700℃碳化得到MCN；最后，将制备的MCN置于浓硫酸和浓硝酸的混合酸中超声处理后，得到羧基化MCN。所述酚醛树脂是通过苯酚和甲醛溶液反应得到。
优选地，所述MCN的颗粒尺寸小于500nm，所述除草剂的分子尺寸小于MCN的纳米孔道尺寸。
优选地，所述除草剂为百草枯或其他可装载进入MCN的纳米孔道的农药。
进一步优选地，所述农药化合物为百草枯，所述溶剂为水，所述混合溶液中的百草枯的摩尔浓度为6mM，所述混合溶液中的MCN的浓度为4mg/mL。
优选地，所述醋酸水溶液的壳聚糖的质量浓度为0.5％，所述醋酸水溶液中的醋酸的体积分数为1.0％，所述醋酸水溶液的pH值为5.0。
进一步优选地，所述MCN的制备方法为：一种低浓度反应物的水热合成方法，0.6g苯酚和2.1mL甲醛溶液(质量分数为37％)加入到15mL的0.1M NaOH水溶液中，在70℃下搅拌0.5h，得到低分子量的酚醛树脂；随后加入预先由0.96g三嵌段共聚物Pluronic F127分散在15mL水中制备的胶体溶液，在69℃下低速搅拌2～4h；然后加入50mL水稀释溶液，继续搅拌16～18h。当沉淀出现时终止反应，静置直至沉淀逐渐溶解后，量取17.7mL得到的溶液，加入到反应釜中，再加入56mL水稀释溶液，在130℃下反应24h。冷却到室温后，用水洗涤三至四次，离心收集并干燥粗产品；然后在700℃下，氩气或氮气等惰性气氛下碳化3h，得到MCN。MCN尺寸小于100nm，粒径均一、形貌良好，具有介孔结构。将制备的MCN置于浓硫酸和浓硝酸的混合酸(H2SO4/HNO3，v/v，3:1)中超声4h，然后用水洗涤直至中性，离心收集，得到羧基化的MCN。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂。
本发明还提供了上述壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂的农药控制释放性能，将介孔碳纳米除草剂置于介质中，可通过控制介质中的环境因子控制农药释放，所述环境因子为不同温度、不同功率密度的近红外光和不同的pH值中的一种或两种。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所使用的MCN具有无毒、生物相容性好、比表面积大、孔体积大和孔径尺寸可调等优点。本发明中所述的溶剂能够很好地溶解除草剂，且不影响MCN形貌。
(2)本发明中所使用的MCN是经过浓硫酸和浓硝酸的混合酸(H2SO4/HNO3，v/v，3:1)超声4h，然后用水洗涤直至中性，离心收集，得到的羧基化MCN。
(3)本发明中，在醋酸水溶液中氨基质子化的壳聚糖能够有效地包封在羧基化的MCN表面。
(4)本发明中所述的壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂在一定的缓冲溶液体系、有机溶剂(例如乙醇等)以及水溶液中，形貌不受影响，并且无毒性、生物相容性好。
(5)本发明中，MCN以及壳聚糖包封的MCN具有较好的近红外光热效应，可以通过近红外光热转换(升高温度)控制壳聚糖和百草枯与MCN之间的相互作用，实现了百草枯的控制释放性能。
(6)采用本发明所述壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂实现了近红外光响应的农药控制释放性能，并能极大地降低百草枯对人体的致命毒性，在纳米农药领域具有巨大的应用前景。
附图说明
图1为制备得到的羧基化MCN的(a)扫描电子显微镜(SEM)和(b)透射电子显微镜(TEM)图以及壳聚糖包封MCN(MCN@CS)纳米颗粒的TEM图。
图2为实施例1制备得到的MCN、PQ@MCN和PQ@MCN@CS纳米颗粒的小角X-射线衍射(XRD)。
图3为实施例1制备得到的MCN、PQ@MCN和PQ@MCN@CS纳米颗粒的(a)氮气吸附–脱附等温曲线和(b)孔径分布。
图4为实施例1制备得到的PQ@MCN@CS纳米农药制剂的酸/碱响应的农药控制释放曲线。
图5为实施例1制备得到的PQ@MCN@CS纳米农药制剂的酸和温度双重刺激响应的农药控制释放曲线：(a)pH 3.0+不同温度；(b)pH 2.0+不同温度。
图6为实施例1制备得到的PQ@MCN@CS纳米农药制剂的2％Na2SO4响应的农药控制释放曲线。
图7为实施例1制备得到的MCN@CS纳米颗粒和PQ@MCN@CS纳米农药制剂的除草效果。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步说明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容后，基于本发明的原理，对本发明所做出的各种改动或修改(包括：活性炭、碳纳米管、石墨烯等各种碳基材料；碳基材料表面是否包封其他材料；疏水性的农药在乙醇等有机溶剂中装载)，同样落入本发明权利要求所限定的范围。
实施例1一种壳聚糖包封的介孔碳纳米除草剂的制备方法
包括以下步骤：
(1)0.6g苯酚和2.1mL甲醛溶液(质量分数为37％)加入到15mL的0.1M NaOH水溶液中，在70℃下搅拌0.5h，得到低分子量的酚醛树脂；随后加入预先由0.96g三嵌段共聚物Pluronic F127分散在15mL水中制备的胶体溶液，在69℃下低速搅拌2～4h；然后加入50mL水稀释溶液，继续搅拌16～18h。当沉淀出现时终止反应，静置直至沉淀逐渐溶解后，量取17.7mL得到的溶液，加入到反应釜中，再加入56mL水稀释溶液，在130℃下反应24h。冷却到室温后，用水洗涤三至四次，离心收集并干燥粗产品；然后在700℃下，氩气或氮气等惰性气氛下碳化3h，得到MCN。
(2)上述获得的MCN置于浓硫酸和浓硝酸的混合酸(H2SO4/HNO3，v/v，3:1)中超声4h，然后用水洗涤直至中性，离心收集，得到羧基化的MCN。
(3)取一定量的羧基化MCN分散在含一定浓度的百草枯水溶液中，得到混合溶液，在室温下搅拌24h，然后用水洗涤并离心分离，直至用高效液相色谱(HPLC)检测不到上清液中的百草枯信号，冷冻干燥，得到装载百草枯的MCN(PQ@MCN)。所述混合溶液中的MCN的浓度为4mg/mL，所述混合溶液中的百草枯的摩尔浓度为6mM。
(4)取40mg PQ@MCN纳米颗粒分散在10mL 0.5％壳聚糖的醋酸水溶液(pH 5.0)中，醋酸水溶液中的醋酸的体积分数为1.0％，在室温下搅拌24h，离心分离，去除未包裹的壳聚糖，并用水洗涤至中性，冷冻干燥，得到壳聚糖包封的PQ@MCN@CS纳米农药制剂。
图1为MCN的(a)SEM和(b)TEM图以及(c)MCN@CS的TEM图。如图1所示，步骤(1)制得的纳米颗粒均为球形，尺寸较为均一，直径小于100nm。
图2和图3分别是MCN、PQ@MCN和PQ@MCN@CS纳米颗粒的小角XRD、氮气吸附–脱附等温曲线和孔径分布比较。
实验例2农药控制释放测试：
称量多份等量的5mg PQ@MCN@CS纳米农药制剂，置于透析袋中，随即分别置于pH2.0、pH 3.0、pH 5.0、pH 7.4和pH 9.0的0.1％吐温-80水溶液中，在不同时间间隔点取样0.2mL，并加入等体积相应的新鲜溶液0.2mL，用HPLC测定。此外，又设计pH 3.0和pH 2.0+不同温度(25、37、42和50℃)双重刺激响应的农药控制释放，测定步骤同上。
图4是PQ@MCN@CS纳米农药制剂的酸/碱响应的农药控制释放曲线：在14天后，无任何刺激的对照组的百草枯的累积释放率仅为5.1％，几乎不释放百草枯；在pH 9.0、pH 7.4、pH 5.0、pH 3.0和pH 2.0时的百草枯的累积释放率分别为5.3％、7.5％、11.4％、15.4％和22.8％，即便在强酸性刺激下也没有明显的百草枯释放；在强酸性至碱性范围的水溶液中几乎没有明显的百草枯释放。
图5是PQ@MCN@CS纳米农药制剂的pH 3.0和pH 2.0+不同温度(25、37、42和50℃)双重刺激响应的农药控制释放曲线：在14天后，pH 3.0+25℃/37℃/42℃/50℃时的百草枯的累积释放率分别为15.4％、17.8％、22.6％和30.8％；pH 2.0+25℃/37℃/42℃/50℃时的百草枯的累积释放率分别为22.8％、23.7％、29.1％和37.8％。
称量两份等量的5mg PQ@MCN@CS纳米农药制剂，置于透析袋中，随即分别置于有无2％Na2SO4促泻剂的0.1％吐温-80水溶液中，测定步骤同上。
图6是PQ@MCN@CS纳米农药制剂在有无2％Na2SO4促泻剂的农药控制释放曲线：在14天后，不含2％Na2SO4促泻剂对照组的百草枯的累积释放率仅为5.1％，几乎不释放；含有2％Na2SO4促泻剂的百草枯的累积释放率为13.2％，没有明显增加。
实施例3除草效果测试：
向室外种植的狗牙草喷洒MCN@CS(3mg/mL)和PQ@MCN@CS(1和3mg/mL)的水分散液(溶剂为0.1％吐温-80的水溶液)，考察对狗牙草生长的影响，此外，0.16mg/mL百草枯作为阳性对照，0.1％吐温-80的水溶液作为溶剂对照。上述不同浓度纳米颗粒的水分散液以及对照组分别喷洒室外种植的狗牙草，拍照记录喷洒后不同时间的狗牙草的生长情况。
图7显示溶剂对照组和MCN@CS对狗牙草生长没有影响；百草枯阳性对照组在喷洒后第二天(即药物作用一天时间)狗牙草就出现枯败迹象，随着作用时间增加，除草效果愈发明显；低剂量的实验组(1mg/mL)在喷洒后第六天出现了枯败迹象，相对高剂量的实验组(3mg/mL)在喷洒后第三天出现枯败现象；显然，PQ@MCN@CS纳米除草剂呈现太阳光响应的百草枯可控释放的有效除草效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
