烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备方法 【技术领域】
本发明属于农药制剂和功能高分子领域，特别涉及一种植物源农药——烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备方法及其用途。
背景技术
烟碱(nicotine，Nic)是烟草中生物碱的主要成分，俗称尼古丁，化学名称为1-甲基-2(3-吡啶基)吡咯烷，分子质量为162.23，分子式为C10H14N2，化学结构式见图1。烟碱纯品为无嗅、无色或淡黄色油状液体。在低于60℃时，烟碱可与水任意混溶，极易溶于醇、醚、氯仿及石油醚等有机溶剂。
烟碱应用于植物源农药，是优良的杀虫剂。烟碱对蚜虫、柑桔潜叶蛾、卷叶蛾、大豆潜叶蝇等害虫具有触杀、胃毒、蒸薰功能，并具有迅速降解、无残留的显著特点，广泛用于粮食、油料、蔬菜、水果、牧草等农作物的杀虫剂，是生产绿色食品的理想的高效杀虫剂和生物性农药。烟碱在用作农药制剂时，常以水乳剂的形式使用。
植物源农药具有环境友好、广谱杀虫、害虫抗药性低的特点，而且对非靶标生物安全，药用植物可来源广，成本低，这使得其研究不断系统深入。但有的植物源农药大多存在杀虫效果不如化学农药的缺点，主要原因是见光容易分解，丧失药物活性快。因此，植物源农药的药效期较短，其稳定性控制被认为是农药制剂应用中的公认难题。例如，烟碱容易挥发和降解，当温度28℃～32℃时，4个小时可挥发70％，48小时几乎测不出叶面的含量；印楝素在日光下5～8天就分解失效；鱼藤酮施用到作物表面后，日光下半衰期仅1天。
植物源农药使用的剂型，包括乳油、水溶液剂、水乳剂、微乳剂、悬浮剂、悬乳剂等。除乳油制剂外，其它农药制剂以水为分散介质，避免了大量有机溶剂的使用，部分实现了向绿色环保方向的迈进。但同时也存在一些不容忽视的严重问题。这些问题主要有：①除水溶液剂外，必须使用相当数量的各种助剂，其中一些助剂如极性有机溶剂、增溶剂等，对环境影响的评价相当负面。②对于大多数农药制剂，尽管农药分散在水中的形态不同，但形成的微粒尺寸都在微米以上，较大的形态尺寸不利于农药的分散和发挥效用。③上述所有的农药剂型都不具有缓释、长效功能。
壳聚糖是带有阳离子的天然多糖，具有独特的生物活性，在用作纳米药物的载体等领域获得广泛研究，但未见用于农药载体的应用。通常，壳聚糖不能溶于中性水中，只能溶于酸性水溶液。由于酸性介质不仅容易造成对生物体的毒性，且还可能造成对药物或农药性能的干扰，因此这一性能使其作为药物载体材料的应用受到限制。寻求壳聚糖中性水溶的途径，是应用壳聚糖及其衍生物成为植物源农药纳米粒子的载体，从而制备农药纳米粒子水分散性制剂，并赋予这类农药制剂具有对农药的保护和长效作用的关键。
【发明内容】
为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述方法制备的烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂。
本发明的再一目的在于提供上述烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的用途。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备方法，包括以下操作步骤：
将烟碱溶于水中，配制成烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖溶于水中，配制成磷酸化壳聚糖水溶液；在搅拌的条件下，将烟碱水溶液滴加到磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂。
所述磷酸化壳聚糖的脱乙酰度≥90％，取代度≥0.80，相对粘均分子质量(Mv)为1.2×103～6.0×105，优选为8.7×104～1.56×105。
所述水为中性水(即pH值为7的水)。
所述烟碱水溶液的体积质量浓度为0.1～2.0mg/ml；所述磷酸化壳聚糖水溶液的体积质量浓度为0.5～2.5mg/ml。
所述烟碱水溶液与磷酸化壳聚糖水溶液的体积比为1∶1～1∶7。
一种根据上述方法制备的烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂。
上述烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂应用于制备农药制剂，可以杀灭农林草害虫。
本发明相对现有技术具有如下的优点及有益效果：(1)磷酸化壳聚糖作为壳聚糖的衍生物，带有酸性基团，能够溶解于中性的水溶中；克服了壳聚糖酸性水溶的缺陷；磷酸基官能团的引入，为壳聚糖在农业上和农药领域的应用提供了新的途径；(2)本发明以磷酸化壳聚糖为农药载体，制备了新型的农药剂型——烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂；烟碱分子负载于由磷酸化壳聚糖分子形成的纳米粒子的内部或表面，纳米粒子对农药分子起到了保护、稳定作用；(3)在本发明制备地农药纳米粒子水性制剂中，可以调控纳米粒子的粒径，纳米粒子的尺寸一般控制在200～600nm范围；纳米粒子的数量多，表面积大，既增大了农药分子的分散性和接触面积，也有利于对植物叶片和害虫的粘附和渗透；(4)本发明的植物源农药纳米粒子水分散制剂不同于现有的任何农药剂型，是一类全新的绿色农药剂型；在该制剂中，组分只有烟碱和磷酸化壳聚糖，避免了有机溶剂和其它助剂的使用；烟碱来自于植物，可自然降解；磷酸化壳聚糖的降解产物是氨基葡萄糖或寡聚糖，对植物生长具有刺激和调节作用，其氮、磷元素也是植物的营养成分；因此这类农药制剂实现了真正意义的绿色；为环境友好的农药剂型的研制开拓了新的研究思路和途径；(5)本发明的农药纳米粒子水分散制剂对害虫的杀灭试验显示，烟碱的稳定性和药效提高，杀灭效果优于对照的烟碱水溶液制剂，显示出缓释、长效功能。
【附图说明】
图1是烟碱的化学结构分子式。
图2是壳聚糖(a)和磷酸化壳聚糖(b)的化学结构示意图。
图3是烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子的扫描电镜图。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
首先对实验材料的说明如下：
烟碱(陕西一星生物工程有限公司)，其表示化学结构的分子式见图1；
壳聚糖，3种样品：脱乙酰度D.D.≥90％，相对粘均分子质量Mv分别为1.2×105、8.5×103、3.0×103，其化学结构示意图见图2(a)；
磷酸化壳聚糖：自制，3种样品的脱乙酰度≥90％，取代度≥0.80，相对粘均分子质量Mv分别为1.56×105、1.15×105、8.7×104，其化学结构示意图见图2(b)；制备方法见申请号为200910038541.2的中国专利《苦参碱/羧甲基壳聚糖/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂的制备方法》。
实施例1
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.5mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝8.7×104)溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.0mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液；将1体积的烟碱水溶液滴加到5体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂；测定纳米粒子的平均粒径为490nm，粒径分布为0.174±0.020，表面电荷的zeta电位值为17.6±1.16mV。
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子粒径、粒径分布和zeta电位值的测定方法如下：
取1ml烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散液滴入样品池内，用激光光散射仪(ZetaPALS，美国Brookhaven仪器公司)测定纳米粒子的粒径、粒径分布和表面电荷性质。以下实施例采用相同操作。
实施例2
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.5mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.15×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.0mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液；将1体积的烟碱水溶液滴加到5体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂；测定纳米粒子的平均粒径为650nm，粒径分布为0.175±0.001，表面电荷的zeta电位值为18.3±1.05mV。
实施例3
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.5mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.56×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.0mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到5体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为860nm，粒径分布为0.177±0.010，表面电荷的zeta电位值为18.5±2.24mV。
实施例4
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.8mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.15×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.5mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到4体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为360nm，粒径分布为0.198±0.007，表面电荷的zeta电位值为3.04±0.34mV。
实施例5
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.8mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.15×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.5mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到5体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为350nm，粒径分布为0.197±0.005，表面电荷的zeta电位值为3.54±0.36mV。
实施例6
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.0mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.15×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.5mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到6体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为330nm，粒径分布为0.187±0.004，表面电荷的zeta电位值为3.89±0.38mV。
实施例7
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.0mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.15×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.5mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到7体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为310nm，粒径分布为0.183±0.003，表面电荷的zeta电位值为4.27±0.41mV。
实施例8
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.5mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝8.7×104)溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.8mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到3体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为562nm，粒径分布为0.235±0.008表面电荷的zeta电位值为3.27±0.41mV。
实施例9
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.5mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝8.7×104)溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.8mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到5体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为512nm，粒径分布为0.226±0.011，表面电荷的zeta电位值为4.84±0.42mV。
实施例10
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.5mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝8.7×104)溶于中性水，配制成体积质量浓度为0.8mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到7体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为450nm，粒径分布为0.201±0.005，表面电荷的zeta电位值为1.12±0.67mV。
实施例11
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备和纳米粒子对烟碱负载率的测定：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为2.0mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.15×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为1.0mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到3体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂。测定纳米粒子的平均粒径为723nm，粒径分布为0.257±0.009，表面电荷的zeta电位值为6.34±0.48mV。
纳米粒子对烟碱的负载率为45.10％。
纳米粒子对烟碱的负载率用下述方法测定：
取烟碱/磷酸化壳聚糖的纳米粒子水分散液1ml，在超速离心机上进行超速离心(4℃下以转速25000rpm离心30min)；上清液中游离的烟碱含量用高效液相色谱(HPLC)仪测定；纳米粒子对烟碱的负载率用以下公式计算：
烟碱的负载率＝[(A-B)/A]×100％
式中，A为所加烟碱的总量，B为留在上清液中的游离烟碱的量。以下实施例采用同样方法测定。
实施例12
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备和纳米粒子对烟碱负载率：
测定实施例2制备的烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂中纳米粒子对烟碱的负载率，结果为59.70％。
实施例13
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备和纳米粒子对烟碱的负载率：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为2.0mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.15×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为2.5mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到5体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂，测定纳米粒子的平均粒径为676nm，粒径分布为0.255±0.009，表面电荷的zeta电位值为13.20±0.55mV。
测定纳米粒子对烟碱的负载率为72.40％。
实施例14
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的制备和纳米粒子对烟碱的负载率：
将烟碱溶于中性水，配制成体积质量浓度为2.0mg/ml的烟碱水溶液；将磷酸化壳聚糖(Mv＝1.15×105)溶于中性水，配制成体积质量浓度为2.5mg/ml的磷酸化壳聚糖水溶液。将1体积的烟碱水溶液滴加到7体积的磷酸化壳聚糖水溶液中，得到烟碱/磷酸化壳聚糖农药纳米粒子水分散制剂，测定纳米粒子的平均粒径为600nm，粒径分布为0.243±0.008，表面电荷的zeta电位值为19.60±0.46mV。
测定纳米粒子对烟碱的负载率为88.80％。
实施例15
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子的形态结构：
将实施例1所得烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散液滴一滴在扫描电镜的样品台上，水分自然挥发干燥，用经扫描电镜(JSM-T300型，德国JEOL公司)观察纳米粒子的形态结构。纳米粒子的形态结构见图3，表明所得粒子大小较均一、表面光滑、形态大致呈球形并可单个分散。
实施例16
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子的室外稳定性的考察：
将20cm×20cm的尼龙白布分别在烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散液(浓度0.0125mg/ml)和烟碱水溶液(浓度0.0125mg/ml)中浸渍，取出挂在室外自然条件下晾晒。在1、3、5、7、10、13、17天取回。分别用50ml去离子水，在磁力搅拌下提取残余烟碱5小时。提取液用HPLC检测烟碱浓度。表1为浸渍烟碱纳米水性制剂和烟碱水溶液尼龙白布提取液中残余烟碱含量随时间的变化。
结果显示：在室外自然条件下，浸渍烟碱水溶液的尼龙白布上的烟碱残余含量开始较高，后不断降低，17天后的残余含量与第1天相比，仅剩余5.1％。而浸渍烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散液的尼龙白布上的烟碱残余含量则呈平缓的降低趋势，第17天与第1天相比，还剩余30.2％。
需要说明的是，浸渍烟碱纳米水分散液的烟碱残余含量在第10天前低于浸渍烟碱水溶液的烟碱残余含量。分析造成的原因主要有两点：(1)浸渍烟碱纳米水分散制剂的尼龙白布，由于纳米粒子的吸附作用，完全提取并洗出困难，这已由提取后的尼龙白布的电镜照片得到证明。而由于烟碱溶于水，浸渍烟碱水溶液的尼龙白布上烟碱残余含量的提取较完全。(2)包裹在纳米粒子内部的烟碱检测困难。由此试验结果表明，在室外自然条件下，纳米粒子显示出对烟碱农药具有保护、稳定和长效作用。
表1浸渍烟碱水性制剂的尼龙白布在室外晾晒后烟碱残余含量随时间的变化
实施例17
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散液对室内生长的菜蚜虫的杀灭试验：
植物源农药纳米粒子水分散的杀虫药效试验与评价，是在广东省农业科学院植物保护研究所进行。试验和评价方法均按照国家标准或科学标准进行。
用自来水分别配置体积质量浓度为0.025mg/ml的烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散液和烟碱的水溶液。在室内条件下，考察了烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂对生长在芥兰上的菜蚜虫的杀虫效果。作为对比，同时以相同浓度的烟碱水溶液制剂和清水喷施。从施药后的第5d开始接菜蚜虫，从第7d开始记数菜蚜虫的存活率，结果如表2所示。
由表可看出，施药后第7d时，烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂和烟碱水溶液制剂对菜蚜虫的存活率为58.6％和38.1％，前者对菜蚜虫的触杀作用小于烟碱水溶液制剂。到第10d，烟碱/磷酸化壳聚糖的纳米粒子水分散制剂和烟碱水溶液制剂对菜蚜虫的存活率为17.6％和18.4％，杀虫效果基本持平。到第15、20d，烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂和烟碱水溶液制剂对菜蚜虫的存活率为9.1％、3.3％和13.3％、9.3％，差异显著。表明烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂对杀灭室内的菜蚜虫具有明显的缓释和长效作用。
表2烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂和烟碱水溶液制剂对室内生长的菜蚜虫存活率的对比
注：表中数据为3次重复的平均值±标准差，存活率后小写字母表示0.05显著性水平，字母相同者表示无显著性差异，字母不同表示差异显著。
实施例18
烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散液对田间生长的菜蚜虫的杀灭试验：
植物源农药纳米粒子水分散的杀虫药效试验与评价方法同实施例17。
以清水作为空白，考察了相同浓度的烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂、烟碱水溶液制剂(对照)对田间生长的菜蚜虫的杀灭效率，结果如表3所示。结果显示：在施药后第3d，烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂和烟碱水溶液制剂对菜蚜虫的防治效率分别为86.0％和85.4％，差异并不大。到施药后的第5d、7d、10d，烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂的菜蚜虫防治效率分别为66.3％、52.4％和43.2％，而烟碱水溶液制剂的菜蚜虫防治效率分别为54.6％、31.4％和19.3％，差异逐渐增大。随着施药后时间的延长，虽然两种制剂对菜蚜虫的防治效率均在降低，但烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂对菜蚜虫防治效率更好。到施药后的第15d、20d，烟碱水溶液制剂的菜蚜虫防治效率已经消失，而烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂对菜蚜虫防治效率仍然高达37.3％和36.7％。由此可知，烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂比单纯的烟碱水溶液制剂对菜蚜虫具有更好的防治效果，显示出这类新型制剂并具有缓释、长效功能。
表3烟碱/磷酸化壳聚糖纳米粒子水分散制剂(1)和烟碱水溶液制剂(2)对田间生长的菜蚜虫的防治效率
注：表中数据为3次重复的平均值，防治效果后小写字母表示0.05显著性水平，字母相同者表示无显著性差异，字母不同表示差异；负值表示虫口增加。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。