农药纳米乳剂研究进展：组成、制备与应用分析

农药是控制有害生物危害的重要手段，通过先进的剂型加工方法可以改善农药的使用性能，充分发挥农药有效成分的生物活性，提高农药利用率。近年来，我国农药剂型的加工获得了长足发展，环境友好型新剂型逐渐成为剂型加工的主要发展方向。水基化、粒性化和缓控释成为农药制剂发展主流，悬浮剂、水乳剂、微乳剂、水分散粒剂和微囊悬浮剂等大批新剂型也逐渐进入到市场并占据重要地位。近年来，纳米技术的迅猛发展为现代植物保护开辟了新的应用前景。纳米尺度的材料因其尺寸小、结构特殊而具有许多新的理化特性，如大比表面积、高反应活性、小尺寸效应和量子效应等。利用纳米材料与技术发展纳米农药新剂型，是应用领域研究热点之一。利用纳米材料与技术构建纳米载药系统，可有效提高农药利用率，降低农药残留与环境污染。

纳米乳剂是在表面活性剂等功能助剂作用下，将不溶于水的农药以纳米尺度增溶于水中形成的乳状液体制剂。与微乳剂相比，纳米乳剂处于热力学亚稳定状态，具有更低的表面活性剂添加浓度，其质量分数一般为5%～10%（但低能量法制备的纳米乳剂往往需要大量的表面活性剂来稳定液滴）。除此之外，纳米乳剂还减少有机溶剂的使用量，降低对环境带来的风险。纳米乳剂特有的理化特性可改善农药制剂性能，提高农药活性成分兑水使用时的分散性，产生低表面张力和较好的润湿性，进一步提高农药在靶标表面的附着、沉积和渗透。纳米乳剂中水包油或油包水微细液滴还可以对农药有效成分形成包裹层，提供更好的光降解保护以及缓释增效的作用，可有效提高农药利用率，从而减少农药的使用量。

选用合适的有机溶剂作为油相是纳米乳剂形成的关键部分之一，因为它与对农药活性成分的溶解能力密切相关。例如：与十六烷等长链油相比，当以花生油为油相时，纳米乳剂的形成更为困难。因为油在体系中的不溶性增加了纳米乳剂的稳定性，为奥斯特瓦尔德（Ostwald）熟化提供了动力学障碍，而Ostwald熟化是纳米乳剂不稳定的主要原因，是纳米乳剂破乳的主要机制。Ostwald熟化是指油在较小液滴中通过连续相向较大液滴的净输送。油的碳氢链长度越短，越有利于有机相更深入地穿入界面膜，纳米乳剂就越稳定，但增长碳氢链则有助于增加对药物的溶解性。因此，纳米乳剂油相的选择，应结合药物的溶解情况进行综合考虑。

纳米乳剂中溶剂油的选择种类多样，具有丰富的生物学特性，其应用于纳米乳剂中可以提高细胞毒性、遗传毒性和对病原体的抗菌活性。其中不同化学成分的植物精油也会影响其对有害生物的生物行为。近年来，有研究发现，安尼樟精油（aniba essential oils）通过触发更多的核酸和蛋白质的产生，可破坏包括黄曲霉、黑曲霉和茄病镰刀菌在内的8种植物病原菌的细胞膜。香菊油（asteriscus graveolens oil）可抑制引起枣树枯萎病的尖孢镰刀菌。黄荆精油（Vitex negundo essential oil）通过降低杂草的有丝分裂指数和染色体畸变百分比对杂草产生毒性，可用来防治野燕麦和稗草。精油还因其具有挥发性适合熏蒸而被用于控制昆虫。一些研究还发现，荷荷巴油（jojoba oil）浓度的增加会导致水稻象甲成虫死亡率的上升。除此之外，在印楝油（neem oil）纳米乳剂和柑橘油（Citrus sinensis oil）纳米乳剂中使用较高的表面活性剂浓度后也会增加蚊子幼虫的死亡率。由此可见，在农药制剂中不仅仅是农药有效成分对靶标生物有活性，其他成分也会有一定的影响。溶剂油的选择除了能对农药有效成分起到溶解作用之外，还有可能达到协同增效的效果，从而减少化学农药的用量，这也是农药纳米乳发展的方向之一。

纳米乳剂中的另一个重要成分是乳化剂，乳化剂能够降低表面张力，促使纳米乳剂的形成。乳化剂在体系中先在气液界面上定向排列，即极性基的一端插入水相，非极性基的一端插入气相，形成单分子膜。当乳化剂的浓度达到临界胶束浓度（CMC）后，开始转移到溶液中，形成大量分子有序聚集体即胶束。在水包油体系的胶束中，乳化剂的疏水基聚集成胶束内核，亲水的极性基团构成胶束外层。乳化剂的浓度只有在临界胶束浓度以上才能实现乳化作用。

乳化剂主要有4种类型：阳离子型、阴离子型、两性离子型和非离子型。在配制农药纳米乳剂中，非离子表面活性剂通常会被包裹到纳米乳剂中，是因为它们受pH和离子强度的影响较小。而对于阴离子表面活性剂而言，它可以与溶液之间发生黏合，这可以改变纳米乳剂的稳定性和尺寸。除此之外，表面活性剂的选择也与其HLB值有关。HLB值越高，表明表面活性剂在水中的溶解度越高，这有利于农药制剂的O/W配方，反之，则有利于W/O配方。在制备动力学稳定的纳米乳液时，表面活性剂的HLB值是要考虑的最重要的参数之一。

表面活性剂的添加量（质量分数）通常在1.5%～10%之间，制备纳米乳剂时普遍用量为5%。离子型表面活性剂的使用被认为改变了纳米乳剂中的静电电荷，从而导致低聚集。对比单一和复合表面活性剂对纳米乳剂形成的影响发现，混合表面活性剂能够产生更好的亲水-亲油平衡，增强表面活性剂层的柔韧性，并能在较高程度上分配到油水界面。研究还表明，非离子表面活性剂的混合不仅能产生理想的HLB值，而且对纳米乳剂的稳定性也有协同作用。

高能乳化法（High-energy emulsification method）需要外加能量，通过机械装置提供强大的破坏力来减小尺寸。高能乳化法有超声法、高压均质法和剪切搅拌法等。其主要缺点是仪器成本高，且产生的操作温度高，较高的温度有时不适用于不耐热农药活性成分的加工。

杀虫剂在我国农药使用所占份额最大，高达38%，但是杀虫剂在防治农作物虫害中却存在一系列问题。首先，农药使用者在传统农药“除虫务尽”的害虫防治思想影响下，大多选择广谱、高效的农药品种，导致其在杀死靶标生物的同时对非靶标生物也造成了不同程度的伤害。除此之外，由于杀虫剂的持效期短，有些农药使用者为达到理想的防治效果，随意加大用药量、任意增加施药次数，最终导致农药残留严重超标，同时加速了害虫抗药性的产生。另外，杀虫剂的许多剂型对害虫体壁的穿透效果不佳，从而影响药效的发挥，尽管乳油剂型对蜡质层较厚的昆虫体壁穿透效果较好，但却存在环境不友好、易产生药害等缺点。纳米乳剂在杀虫剂上的应用可有效应对上述挑战，它的小尺寸致使表面积增加，增强了纳米杀虫剂对幼虫的渗透性，提高了其功效。有些纳米乳剂还具有缓释性，可有效延长杀虫剂的持效期，并且对非靶标生物毒性大大降低。

为了防治储粮害虫赤拟谷盗Tribolium castaneum Herbst，Pant等通过低能乳化法，以质量分数（下同）为60%的卡兰贾树与麻风树凝胶的水滤液作为水相，以12%丙二醇、10%桉树油以及15%Tween-80作为油相制备了O/W纳米乳剂，平均粒径77 nm；同时发现用60%的卡兰贾树与麻风树凝胶的水滤液代替蒸馏水作为水相，可使桉树油的保质期延长，且制备的纳米乳剂的平均粒径显著降低，含滤液与不含滤液的纳米乳剂对赤拟谷盗的LC50值分别为0.1646和5.4872 mg/L，前者大大提高了对靶标害虫的生物活性。He等首先合成了植物油基醇酸树脂（AR），再用原位反相乳化法制备了高效氯氟氰菊酯/醇酸树脂（LC/AR）纳米乳剂（图2），并研究了其性能。结果表明，LC/AR纳米乳剂的粒径为50～150 nm，最大载药量（质量分数）高达40.9%，包封率＞90%；通过室温储存6个月、不同温度和离心方式等3个方面进行测试，发现其稳定性良好。与LC商业配方相比，LC/AR纳米乳剂表现出更好的控制释放特性，其释放受到LC含量、温度以及pH值的影响。此外，由于其具有较低的表面张力，制备的纳米乳剂与叶片有更强的相互作用，可观察到更强的黏附性。

图2  高效氯氟氰菊酯/醇酸树脂（LC/AR）纳米乳剂的制备示意图

Du等以月桂酸甲酯为油相，以烷基聚糖苷（APG）和聚氧乙烯-3-月桂醚醚（C12E3）为混合表面活性剂，形成了适合农药输送的生物相容性O/W型纳米乳剂。此外，他们还通过测量不同时间间隔的液滴尺寸，系统研究了APG和C12E3质量比、油重分数和总表面活性剂质量分数对纳米乳剂液滴尺寸分布和稳定性的影响，发现当APG和C12E3的质量比为6∶4时，所形成的纳米乳剂具有最低的液滴尺寸和较高的动力学稳定性。在此基础上，他们将水不溶性农药β-氯氰菊酯（β-CP）掺入到两种优化的纳米乳剂体系中，动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）测定结果表明，β-CP的掺入对两种纳米乳剂的液滴尺寸（图4）和稳定性无显著影响。含β-CP的纳米乳剂在稀释后尽管液滴尺寸增加，但在整个稀释过程中乳液均匀保持稳定，从接触角和动态表面张力测量结果也可以看出稀释后的纳米乳剂在疏水表面具有良好的润湿和扩散性能。

图3  不同乳化剂制备的吡丙醚纳米乳剂在显微镜下的照片

Feng等采用低能乳化法制备了阿维菌素O/W型纳米乳剂，通过改变表面活性剂的类型和浓度，研究了HLB值和表面活性剂用量对纳米乳剂形成和稳定性的影响，最终确定最佳配方（质量分数）为2%阿维菌素和质量分数5%蓖麻油聚氧乙烯醚（EL-40）溶于质量分数7.5%碳氢化合物溶剂（S-200）中，用去离子水补足至100%；由该配方制备的阿维菌素纳米乳剂表现出较小的动态接触角，从而具有良好的润湿性和扩散性；与阿维菌素乳油（EC）和微乳液（ME）相比，阿维菌素纳米乳剂对小菜蛾3龄幼虫的LC50值最低（0.0686 mg/L），不仅提高了杀虫活性，且对树状突细胞毒性较低。关文勋等利用阿维菌素的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性高的乳化剂前体，进一步制备出阿维菌素纳米乳剂（图5）。

图5  乳化剂前体的合成工艺方法

Yang等使用高压微射流制备了丁香酚、香芹酚和桂皮醛O/W型纳米乳剂。以质量分数为2%的Tween-80去离子水溶液为水相，以m（丁香酚）∶m（香芹酚）∶m（肉桂醛）=1∶1∶1的混合物为油相，按m（油相）∶m（水相）=1∶9混合制备出O/W型纳米乳剂。结果表明：所制备的纳米乳剂粒径均一，具有良好的离心稳定性，其最低抑菌浓度（MIC，0.125 mg/mL）和最低杀菌剂浓度（MFC，0.25 mg/mL）值均具有显著的抑菌效果；经该纳米乳剂处理后，青霉Penicillium digitatum孢子萌发受到明显抑制，菌丝形态发生剂量依赖性改变，细胞膜通透性发生改变。此外，用该纳米乳剂进行涂膜处理，可降低柑橘果实腐烂率、失重率和呼吸速率；同时可溶性固形物、维生素C和可滴定酸含量降解延迟，抗氧化酶活性在采后贮藏过程中也明显升高。王泊理通过高压均质法结合纳米粒子包埋技术制得含三氟咪啶酰胺和氟吡菌酰胺的纳米乳剂。通过乳化剂的筛选和优化，最终确定乳化剂由硬脂酸钾和甲基葡萄糖苷倍半硬酯酸酯按2.5∶1～4∶1的质量比组成。制备的纳米乳剂分散均匀，稳定性好，能达到长效缓释的效果，对线虫的防治有明显的增效作用，既可以减少农药使用量，又可以减缓抗性，有利于节省农药成本、减轻对环境的污染。Ali等通过自发乳化法先制备出O/W型印楝油初乳液与O/W型香茅油初乳液，发现表面活性剂与印楝油或香茅油比值的增加会导致粒径尺寸的减小，最终确定油、表面活性剂和蒸馏水制备初乳剂的最佳质量比例为0.50∶1∶8.50，再进一步制备添加不同比例香茅油的印楝纳米乳剂，其粒径在（11.23±3.86）nm和（17.80±4.52）nm之间，添加不同比例印楝油的香茅油纳米乳剂，其粒径在（8.12±2.80）nm和（12.04±3.74）nm之间。此外，通过对水稻纹枯病菌Rhizoctonia solani和白绢病菌Sclerotium rolfsii进行离体抗真菌试验，发现NNE10（印楝油初乳液+质量分数为5%香茅油）与CNE10（香茅油初乳液+质量分数为5%印楝油）的活性最强。

Pongsumpun等通过响应曲面法（RSM）测定了制备肉桂精油纳米乳剂最佳的配方和超声波条件。最终确定了采用超声探针（功率400 W，24 kHz）在超声时间为266 s、温度为4.82℃、Tween-80质量分数为3%时得到的肉桂精油纳米乳剂性能最佳，平均粒径为65.98 nm，PDI为0.15，黏度为1.67 mPa·s；在4、30和45℃下保存90 d，该纳米乳剂在粒径和PDI方面均具有良好的稳定性；与肉桂精油相比，肉桂精油纳米乳剂对黑曲霉、根霉、青霉等具有更好的抗真菌活性。Pandey等以去离子水作为水相，以质量分数为10%的薄荷油与5%的Tween-80混合物作为油相，通过高能超声法制备了薄荷油纳米乳剂，液滴呈球形，平均粒径小于100nm，其对番茄早疫病Alternaria solani的防治效果优于与化学杀菌剂多菌灵。Long等通过超声法制备了功能性大蒜油纳米乳剂，用来防治意大利青霉菌Penicillium italicum。首先，通过对表面活性剂Tween-80和Span-80组合的筛选，确定制备大蒜油纳米乳剂的最佳HLB值为14。然后，按照中心组合设计法制备了大蒜油纳米乳剂，并通过测试不同制备参数对纳米乳剂的稳定性、抑菌活性和平均粒径的影响，最终选出大蒜油质量分数为5.5%、表面活性剂Tween-80和Span-80的混合质量分数为10%、超声时间为5 min、超声功率300 W为最优制备条件。该条件下制备的大蒜油纳米乳剂粒径最小，平均粒径为52.27 nm，且抗菌活性最好，稳定性最高，其对柑橘青霉的抑菌活性优于大蒜素，制备成纳米乳剂后大蒜素的MIC由3.7%变为0.013%，生物利用度提高约300倍。

Lim等制备了草甘膦异丙胺盐纳米乳剂，粒径小于200 nm，已被证明能增强药物在给药系统中的渗透性。对制备的纳米乳剂生物活性研究，发现在匍匐狐狸草（creeping foxglove，2.9～3.5 ng/cm2）、细长纽扣杂草（slender button weed，2.6～2.9 ng/cm2）和水牛草（buffalo grass，1.8～2.4 ng/cm2）上的沉积量显著低于朗达普（Roundup，市售商品，3.7～5.1 ng/cm2），但在处理后14 d后，纳米乳剂处理的杂草损伤率与朗达普相当，其防控范围为86.67%～96.67%。由此推测，具有相同损伤率的喷雾沉积量的显著差异可归因于纳米乳剂生物活性的增强。Zainuddin等通过高能乳化法制备了棕榈油负载银胶菊粗提取物的纳米乳剂。首先，利用混合实验设计法对其进行配方优化，确定最佳配方组成（质量分数）为棕榈油为30.91%、混合表面活性剂（Tensiofix与Tween-80的质量比值为8∶2）28.48%、水28.32%和银胶菊粗提取物12.29%。在最优条件下，得到的纳米乳剂粒径为140.10 nm，其在离心和不同贮藏条件下（25℃±5℃和45℃）均表现出良好的稳定性（无相分离）；在离体萌发试验中，与银胶菊粗提取物（10 g/L）相比，银胶菊纳米乳剂在较低质量浓度下（5 g/L）即可对聚角草种子有完全抑制作用。Balah等首先分别制备了野生型百里香精油、栽培型百里香精油以及马乔莲精油的粗乳液；然后通过添加助表面活性剂及经过多次涡旋和超声处理后得到了相应的呈透明或半透明状的纳米乳剂，粒径分别为12.0、22.4和5.3 nm，除草活性测试结果表明，马乔莲精油纳米乳剂对田旋花表现出较强的除草活性。这表明纳米乳剂在多年生杂草防治上具有一定的应用前景。

如上所言，笔者认为讨论纳米乳剂与微乳剂实质区别要结合行业领域从实际应用去分析。如在医药领域，若静脉注射给药，当药物进入到血液中会遇到稀释以及温度变化等情况，对于微乳剂而言，其对温度以及稀释敏感，当温度达到微乳剂稳定的极限或药物被稀释导致油和表面活性剂的相对浓度降低，最终导致微乳体系被破坏，就会造成药物在血管中沉淀。而纳米乳剂对温度不敏感且稀释后仍保持稳定，所以纳米乳剂在注射给药方面可发挥重要作用。在食品领域，纳米乳剂体系的构建多用于提高不稳定物质的稳定性以及改善口感等，大多不需要兑水稀释即可食用，所以从这个角度而言，区分微乳剂与纳米乳剂的意义不大。在化妆品领域，其实际应用场景是皮肤涂抹透皮吸收，由于两者皆具有纳米级粒径，都能显著提高透皮吸收效果，所以无需区分微乳剂与纳米乳剂的差异，更有些化妆品行业的相关综述把纳米乳剂与微乳剂混为一谈。而在农药领域，纳米乳剂与微乳剂的实际应用场景均需兑水稀释，所以关注稀释稳定性对药效的影响尤为重要。市场上许多高含量微乳剂存在稀释后粒径变大现象，甚至静置几小时后粒径与水乳剂相当，大大失去了微乳剂本身的意义，所以关注纳米乳剂与微乳剂稀释稳定性的差异对药效尤为重要。除此之外，任何一种新剂型的出现都应该有其优势所在。在倡导环保、绿色的大环境下，悬浮剂、水乳剂、微乳剂等水基化剂型逐步替代环境不友好的乳油，微乳剂由于纳米尺度粒径具有分散性好、药效高等优势，但配方中需要大量的表面活性剂，也对环境造成一定的污染，成为了微乳剂的一大缺陷。纳米乳剂的出现应改善微乳剂这一不足，大大降低表面活性剂用量，减少对环境的污染，这也应该是区分纳米乳剂与微乳剂的一个重要指标。

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