一种四元复合纳米控释体系的制备方法
阅读说明：本技术 一种四元复合纳米控释体系的制备方法 (Preparation method of quaternary composite nano controlled release system ) 是由 周宁琳 王玉丽 沈健 李东辉 楚晓红 孙宝宏 冯文立 石绍泽 徐旺 宋秋娴 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种四元复合纳米控释体系的制备方法,其制备包括：将多巴胺单体加入到石墨烯氧化物水溶液中,反应后离心分离,洗涤得到聚多巴胺/氧化石墨烯水溶液,再取溶于乙醇的啶虫脒加入到聚多巴胺/小尺寸氧化石墨烯水溶液中,搅拌,反应后取其中一部分放入反应釜中制备荧光量子点,后将荧光量子点再加入原体系中形成四元复合纳米农药控释剂。本发明制备工艺简单、操作方便、绿色环保、可控缓释。纳米体系在加入量子点之后显蓝色荧光,用于植物体内可标记追踪；且具有控释功能,可持续高效释放啶虫脒；无有毒的有机溶剂及助剂,绿色安全。(The invention discloses a preparation method of a quaternary composite nano controlled release system, which comprises the following steps: adding a dopamine monomer into a graphene oxide aqueous solution, reacting, performing centrifugal separation, washing to obtain a polydopamine/graphene oxide aqueous solution, adding acetamiprid dissolved in ethanol into the polydopamine/small-size graphene oxide aqueous solution, stirring, reacting, putting a part of the mixture into a reaction kettle to prepare fluorescent quantum dots, and then adding the fluorescent quantum dots into an original system to form the quaternary composite nano pesticide controlled release agent. The preparation method is simple in preparation process, convenient to operate, green, environment-friendly and controllable in slow release. The nano system shows blue fluorescence after the quantum dots are added, and can be used for marking and tracking in a plant body; the acetamiprid release agent has a controlled release function, and can continuously and efficiently release the acetamiprid; no toxic organic solvent and assistant, and is green and safe.)
技术领域
本发明属于一种植物保护的纳米农药控释剂的制备方法，尤其涉及一种基于聚多巴胺/小尺寸氧化石墨烯复合材料作为控释载体的新型四元纳米复合农药控释剂的制备方法。
背景技术
农药作为不可替代的生产资料，在预防和控制农作物的病虫草害、调节农作物的生长、保障农作物的产量及质量等方面扮演着不可或缺的角色。目前农药制剂领域主要存在剂型结构简单、新剂型少、质量不稳定等问题。主要生产的农药制剂仍以乳油等传统制剂为主，不仅使用效率低，稳定性差，而且对环境构成极大威胁。因此，研发水溶性好、稳定性高、持效期长、环境友好的农药制剂，取代高毒性、高残留、低稳定的传统农药制剂已成为目前农药行业的重要任务。
从改变原有农药剂型出发，可采用农药控释技术来解决传统农药存在的问题。药物载体是农药控释体系中不可或缺的成分，用作农药载体的纳米材料包括高分子聚合物、天然高分子材料、无机非金属材料等，其中氧化石墨烯是一种单层片状结构的新型二维碳材料，由排列成蜂窝状晶格的sp2杂化碳原子组成。它具有双面多环芳香族结构，这种特殊的结构赋予了其极大的比表面积(理论值2630m2/g)和大的离域π电子体系。比表面积大，能为目标物提供的作用位点多；大的离域π电子体系使氧化石墨烯对芳环结构的化合物有着强的π-π共轭作用；氧化石墨烯结构中均含有大量的羟基和羧基，易于表面修饰。且因其良好的稳定性和水溶性等特点，可用来负载难溶性农药，获得可在水相中稳定分散的农药制剂。但传统农药制剂因其释放不受人为控制，所以有效利用率较低，且由于其与植物叶面之间的相互作用较弱，易受雨水冲刷等因素影响，导致效率降低。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种具有高水溶性、高稳定性以及优异的pH控释性能的四元复合纳米控释体系的制备方法。
技术方案：本发明的一种四元复合纳米控释体系的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将多巴胺单体加入到石墨烯氧化物水溶液中，调节溶液pH，反应后洗涤得到聚多巴胺/氧化石墨烯水溶液；
步骤二、取啶虫脒溶于乙醇中，再加入至步骤一制备的聚多巴胺/氧化石墨烯水溶液中，搅拌后离心洗涤，得到啶虫脒纳米控释剂；
步骤三、取部分步骤二制备的啶虫脒纳米控释剂加入到反应釜中，升温加热反应形成荧光量子点；
步骤四、将步骤三制备的荧光量子点与步骤二剩余的啶虫脒纳米控释剂混合，制备得到四元复合纳米农药控释剂。
进一步的，所述步骤一中，多巴胺单体按等质量比加入到石墨烯氧化物水溶液中；其中，作为优选，每100mL的水溶液中包含500～2000mg的石墨烯氧化物。
进一步的，其特征在于：所述石墨烯氧化物的粒径为15～30nm。
进一步的，所述步骤一中，调节溶液pH值为6～8；作为优选，pH约为7.0～7.7。
进一步的，所述步骤二中，每100mL的乙醇溶液中添加5～20mg的啶虫脒。
进一步的，所述步骤二中，所述搅拌为利用高速匀质机快速搅拌，条件为在600～1000rpm的转速下搅拌10～60min；作为优选，所述转速为800r/min的条件下搅拌混合30min。
进一步的，所述步骤三中，制备荧光量子点所取的啶虫脒纳米控释剂占啶虫脒纳米控释剂总质量的20～30％。
进一步的，所述步骤三中，反应温度为160～200℃，反应时间为6～10h；作为优选，反应温度为180℃，反应时间为8h。
反应原理：本发明构建基于聚多巴胺改性小尺寸石墨烯氧化物为载体的啶虫脒递药系统，形成稳定的、具有缓释功能的、抗虫活性显著提高的、环保型啶虫脒纳米控释剂。其中，聚多巴胺是一种天然聚合高分子材料，且具有超强粘附力，可以显著增强材料的表面润湿性能，利用聚多巴胺改性的载体负载农药，可以有效提高农药的有效利用率，并延长农药的持效期，实现农药的减量增效，而小尺寸氧化石墨烯比氧化石墨烯体积更小，稳定性更强，有更高的比表面积，性能更优；因此聚多巴胺改性的小尺寸石墨烯氧化物具有良好的润湿性能、水溶性及超高的比表面积，可通过物理吸附的方式高效负载啶虫脒，有效提高新型啶虫脒纳米农药控释剂在水中的稳定性及溶解性。采用的啶虫脒是一种氯代烟碱类杀虫剂，该药剂具有杀虫谱广、活性高、用量少、持效长又速效等特点，具有触杀和胃毒作用，并有卓越的内吸活性。对半翅目(蚜虫、叶蝉、粉虱、蚧虫、介壳虫等)、鳞翅目(小菜蛾、潜蛾、小食心虫、纵卷叶螟)、鞘翅目(天牛、猿叶虫)以及总翅目害虫(蓟马类)均有效。此外，由于啶虫脒作用机制独特，对有机磷、氨基甲酸酯，以及拟除虫菊酯类等农药品种产生抗药性的害虫具有较好效果。以聚多巴胺/氧化石墨烯复合纳米材料作为农药控释载体，利用氧化石墨烯为原材料，用多巴胺进行修饰改性，制备聚多巴胺/小尺寸氧化石墨烯纳米载体，通过物理吸附的方法将啶虫脒装载到其上，解决了传统啶虫脒水溶性差且不稳定的问题，且利用聚多巴胺的pH控释性能和粘附性能，制备啶虫脒/聚多巴胺/氧化石墨烯纳米控释剂，pH可控释放，使其具备多种复合功能，形成一种高效环保的新型纳米农药制剂。本发明还将原有的啶虫脒纳米农药控释剂通过高温水热反应制备成荧光量子点后再次插入到原有体系中形成四元复合纳米体系，形成的四元复合纳米体系在紫外灯照射下显现蓝色荧光，可用于植物体内标记追踪，可拓展到生物研究领域。采用自身体系制备的控释剂作为荧光量子点的原料，相比于一般的荧光量子点而言，具有抗虫的优点，且制备的农药控释剂整体具备了荧光可追踪特性，说明本发明体系中利用将啶虫脒纳米农药控释剂和特制的荧光量子点相结合产生了既能抗虫又能追踪定位的协同作用。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明制备了一种以聚多巴胺修饰的氧化石墨烯基的复合纳米材料作为载体的四元复合纳米控释体系，此纳米控释体系可有效改善啶虫脒的水溶性及稳定性，赋予其pH控释性能，克服农药易突释的特点，解决农药靶标沉积效率低的缺点。此外，与传统啶虫脒制剂相比，由于该纳米控释剂不使用有毒的有机溶剂或助剂，其对环境的危害小，且其本身的荧光量子点形成的四元复合纳米体系可显蓝色荧光，在植物体内可以标记追踪，是一种环境友好的新型农药制剂。本发明制备工艺简单、操作方便、绿色环保、可控缓释，在加入量子点之后显蓝色荧光，用于植物体内可标记追踪；且具有控释功能，可持续高效释放啶虫脒；使用时无有毒的有机溶剂及助剂，绿色安全、原料来源广泛、可以大规模生产应用。
附图说明
图1是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂的透射电子显微镜图；
图2是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂的稳定性测试图；
图3是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂的紫外光谱图；
图4是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂的热分析图；
图5是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂的水接触角测试图；
图6是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂在0℃及54℃下储存14天后的含量变化图；
图7是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂的释放曲线；
图8是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂的pH控释释放曲线；
图9是本发明实施例1中啶虫脒纳米农药控释剂在紫外灯下的荧光图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
将500mg平均粒径为15nm的石墨烯氧化物粉末溶于100mL蒸馏水，超声分散，然后加入500mg多巴胺单体，室温下(25℃)反应30min后，加氨水调节pH为7，以500rmp的速度搅拌12h，再加入100mL含20mg/mL的啶虫脒乙醇溶液，利用高速匀质机以800rpm高速搅拌30min，然后离心洗涤，取全部固体分散在100mL水中，得到800mg的2.0％啶虫脒纳米控释剂(m/v，其中啶虫脒含量20mg/mL)，其中石墨烯氧化物的含量为0.5％(m/v，g/mL)。再取160mg的啶虫脒纳米控释剂到反应釜中，在180℃的条件下反应8h，形成的荧光量子点再加入到原啶虫脒纳米控释剂中混合形成四元复合纳米农药控释剂。
实施例2
将750mg平均粒径为20nm的石墨烯氧化物粉末溶于100mL蒸馏水，超声分散，然后加入750mg多巴胺单体，室温下(25℃)反应30min后，加氨水调节pH为7，以500rmp的速度搅拌12h，再加入100mL含15mg/mL的啶虫脒乙醇溶液，利用高速匀质机以800rpm高速搅拌30min，然后离心洗涤，取全部固体分散在100mL水中，得到1200mg的1.5％啶虫脒纳米控释剂(m/v，其中啶虫脒含量15mg/mL)，其中石墨烯氧化物的含量为0.75％(m/v，g/mL)。再取300mg的啶虫脒纳米控释剂到反应釜中，在160℃的条件下反应6h，形成的荧光量子点再加入到原啶虫脒纳米控释剂中混合形成四元复合纳米农药控释剂。
实施例3
将1250mg平均粒径为25nm的石墨烯氧化物粉末溶于100mL蒸馏水，超声分散，然后加入1250mg多巴胺单体，室温下(25℃)反应30min后，加氨水调节pH为7.5，以500rmp的速度搅拌12h，再加入100mL含5mg/mL的啶虫脒乙醇溶液，利用高速匀质机以600rpm高速搅拌10min，然后离心洗涤，取全部固体分散在100mL水中，得到2000mg的0.5％啶虫脒纳米控释剂(m/v，其中啶虫脒含量5mg/mL)，其中石墨烯氧化物的含量为1.25％(m/v，g/mL)。再取400mg的啶虫脒纳米控释剂到反应釜中，在200℃的条件下反应10h，形成的荧光量子点再加入到原啶虫脒纳米控释剂中混合形成四元复合纳米农药控释剂。
实施例4
将1000mg平均粒径为30nm的石墨烯氧化物粉末溶于100mL蒸馏水，超声分散，然后加入1000mg多巴胺单体，室温下(25℃)反应30min后，加氨水调节pH为6.5，以500rmp的速度搅拌12h，再加入100mL含20mg/mL的啶虫脒乙醇溶液，利用高速匀质机以1000rpm高速搅拌60min，然后离心洗涤，取全部固体分散在100mL水中，得到1600mg的2.0％啶虫脒纳米控释剂(m/v，其中啶虫脒含量20mg/mL)，其中石墨烯氧化物的含量为1.0％(m/v，g/mL)。再取480mg的啶虫脒纳米控释剂到反应釜中，在180℃的条件下反应8h，形成的荧光量子点再加入到原啶虫脒纳米控释剂中混合形成四元复合纳米农药控释剂。
实施例5
将1500mg平均粒径为20nm的石墨烯氧化物粉末溶于100mL蒸馏水，超声分散，然后加入1500mg多巴胺单体，室温下(25℃)反应30min后，加氨水调节pH为6.0，以500rmp的速度搅拌12h，再加入100mL含20mg/mL的啶虫脒乙醇溶液，利用高速匀质机以800rpm高速搅拌30min，然后离心洗涤，取全部固体分散在100mL水中，得到2400mg的2.0％啶虫脒纳米控释剂(m/v，其中啶虫脒含量20mg/mL)，其中石墨烯氧化物的含量为1.5％(m/v，g/mL)。再取700mg的啶虫脒纳米控释剂到反应釜中，在180℃的条件下反应8h，形成的荧光量子点再加入到原啶虫脒纳米控释剂中混合形成四元复合纳米农药控释剂。
实施例6
将2000mg平均粒径为25nm的石墨烯氧化物粉末溶于100mL蒸馏水，超声分散，然后加入2000mg多巴胺单体，室温下(25℃)反应30min后，加氨水调节pH为8.0，以500rmp的速度搅拌12h，再加入100mL含15mg/mL的啶虫脒乙醇溶液，利用高速匀质机以800rpm高速搅拌30min，然后离心洗涤，取全部固体分散在100mL水中，得到3200mg的1.5％啶虫脒纳米控释剂(m/v，其中啶虫脒含量15mg/mL)，其中石墨烯氧化物的含量为2.0％(m/v，g/mL)。再取650mg的啶虫脒纳米控释剂到反应釜中，在180℃的条件下反应8h，形成的荧光量子点再加入到原啶虫脒纳米控释剂中混合形成四元复合纳米农药控释剂。
形貌的测定：取一定量的实施例1制备的啶虫脒纳米农药控释剂，稀释后滴在硅片上制样，利用扫描电子显微镜观察其形貌。如图1所示，小尺寸氧化石墨烯表面出现大量尺寸约为800-1000nm的颗粒，这些颗粒即为啶虫脒颗粒。纳米化的尺寸使得啶虫脒本身的溶解性得到大大提高，且小尺寸氧化石墨烯具有良好的水溶性，啶虫脒负载在小尺寸氧化石墨烯表面可以随小尺寸氧化石墨烯片层溶解在水中并均匀分散，大大提高啶虫脒的溶解性。
稳定性测试：如图2所示，将7mL实施例1制备的啶虫脒纳米农药控释剂置于10mL量筒，室温下静置48小时后观察其有无沉淀或分层。经过48小时静置后并无明显分层，也无沉淀产生，表明其稳定性良好。
紫外分光光度计测试：如图3所示，取2mL实施例1制备的啶虫脒纳米农药控释剂置于半透比色皿中用紫外分光光度计测其紫外特征吸收峰，在啶虫脒/聚多巴胺/氧化石墨烯复合材料中出现了啶虫脒的紫外吸收特征峰，说明了所制备的啶虫脒纳米农药控释剂的成功合成。
热稳定性及载药量分析：如图4所示，取实施例1制备的啶虫脒纳米农药控释剂致于热分析仪中，氮气氛围，室温到800℃，可以看到，啶虫脒/聚多巴胺/氧化石墨烯复合材料受热分解的最终损失量为60.1％，而聚多巴胺小氧化石墨烯纳米纳米载体的最终损失量为47.9％，可以计算出啶虫脒的负载量为12.2％，且可以发现，载药之后的啶虫脒/聚多巴胺/小尺寸氧化石墨烯复合纳米材料在200℃之后发生分解，具有很好的热稳定性。
材料润湿性测试：为了评估聚多巴胺/氧化石墨烯载体和装载在聚多巴胺/氧化石墨烯中的啶虫脒(即本发明实施例1制备的啶虫脒纳米农药控释剂)的润湿特性，在玉米叶片上进行了静态接触角测量，结果如图5所示。作为对照，a中纯水在玉米叶片上的接触角为96.3±0.1°，高于90°的值表明玉米叶的表面具有疏水性。b中20mg/mL啶虫脒的乙醇溶液在叶片上的接触角约为73.7±2.3°，表明溶于乙醇的啶虫脒可以润湿玉米叶片，这可以解释为：乙醇作为有机溶剂可以润湿疏水表面。c中20mg/mL聚多巴胺/小尺寸氧化石墨烯的水溶液(实施例1中不加入啶虫脒乙醇溶液，将制备的聚多巴胺/小尺寸氧化石墨烯分散在水中制备成20mg/mL聚多巴胺/小尺寸氧化石墨烯的水溶液)也可以一定程度地润湿黄瓜叶片，在叶片上的接触角为72.3±10°，与水相比润湿性提高。d中按实施例1的方法配制啶虫脒纳米农药控释剂(20mg/mL啶虫脒纳米农药控释剂)与玉米叶片之间的接触角减小至65.2±0.01°，该值说明啶虫脒/聚多巴胺/小尺寸氧化石墨烯复合材料在玉米叶片上具有良好的润湿性。
高温储存稳定性测试：将实施例1制备的啶虫脒纳米农药控释剂置于54℃保存14天，观察有无沉淀或分层现象，并测定其含量。如图5所示，高温储存后无沉淀产生，也无分层现象出现，其中啶虫脒含量测定为2.0±0.02％，未表现出明显降低。
低温储存稳定性测试：将实施例1制备的啶虫脒纳米农药控释剂置于0℃保存7天，观察有无沉淀或分层现象，并测定其含量。如图6所示，低温储存后无沉淀产生，也无分层现象出现，其中啶虫脒含量测定为2.0±0.01％，未表现出明显降低。
不同水质条件下的稳定性测试：按实施例1的方法配制20mg/L的啶虫脒纳米农药控释剂，分别用纯水、标准硬水、自来水稀释20倍，观察稳定性情况。啶虫脒纳米农药控释剂在各种水样中均表现稳定分散状态。
缓释性测定：取实施例1制备的10mL啶虫脒纳米农药控释剂置于透析袋(8000-14000Da)中，然后在2L含体积分数30％乙醇的蒸馏水透析液中透析72h，于第0、1、2、4、6、8、10、12、24、36、48、72h取样测定透析液中啶虫脒浓度，得到啶虫脒的缓释曲线。如图7所示，说明啶虫脒纳米农药控释剂具有良好的缓释性能，其在72小时内缓慢释放50％左右，并表现出持续释放的趋势。
pH控释性能测定：取实施例1制备的10mL啶虫脒纳米农药控释剂置于透析袋(8000-14000Da)中，然后在2L含30％乙醇的蒸馏水透析液(用NaOH溶液调节其pH值为5、6、7、8，pH计测定其pH值)中透析，于第0-20天每天12点取样测定透析液中啶虫脒浓度，得到啶虫脒的缓释曲线。如图8所示，说明啶虫脒纳米农药控释剂具有良好的pH控释性能，其在pH为7时释放量最高，20天内释放不到60％，并表现出持续释放的趋势，说明其具有pH可控性能。
荧光性能测定：图9是将实施例1制备的啶虫脒纳米农药控释体系荧光量子点在密闭的紫外灯暗箱内照射，从图中可以看出，在紫外灯(365nm)下，有微弱蓝色的荧光呈现出来，而啶虫脒纳米农药控释剂原体系并无荧光，将带蓝色荧光的量子点加入到啶虫脒纳米农药控释体系中形成一个新的四元聚合纳米体系，其具有荧光标记功能，在植物体内可追踪。
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