發展納米農藥,主要針對水不溶性的農藥品種,目的是使其能以盡可能小的微粒尺寸分散在水中。水溶性農藥在水中是單分子分散,分子的尺寸小于1個納米,不需要制成納米農藥。

根據提高性能的側重面不同,可將納米農藥分為三大類：一是提高有效成分表觀溶解度；二是保護有效成分,避免過早分解并賦予其緩控釋性能；三是納米金屬和納米金屬氧化物單用或與農藥合用。

1.提高表觀溶解度的納米農藥

這類納米農藥是為了提高水不溶性農藥的表觀溶解度。按照微粒的形態結構和尺寸不同,主要分為微乳劑、納米乳劑、納米分散劑等。這三種制劑屬于膠體溶液劑。與單分子分散在水中的真溶液相比,當微粒尺寸小于可見光波長下限的四分之一時(小于100納米),其溶液外觀呈透明

狀,類似水溶,因此稱為表觀水溶。這三種制劑有效成分微粒的分散形態及其尺寸分別見圖1。

①微乳劑(Microemulsions)

微乳劑通常是由可溶解有效成分的疏水有機溶劑、表面活性劑、助表面活性劑(通常是低碳鏈脂肪醇)和水組成。微乳劑的農藥微粒是由表面活性劑構成的膠束,其中增溶有溶解有效成分的有機溶液液滴,液徑尺寸約為2-50 nm,比典型的農藥制劑的微粒小約250倍。

微乳劑存在的問題有：大多數產品在兌水稀釋后不穩定,少數產品的儲存也存在穩定性問題；有的使用高毒溶劑和壬基酚聚氧乙烯醚類具有雌性化毒性的助劑；大部分產品需要使用短鏈醇助溶劑；個性化的配方探索存在困難等。

②納米乳劑(Nanoemulsions)

納米乳劑又稱為超微細乳劑,與微乳劑組分基本相同,也是由溶解有效成分的疏水有機溶劑、表面活性劑、助表面活性劑和水組成。納米乳劑的外觀也是一種透明溶液。納米乳劑與微乳劑的液滴尺寸大小不同。納米乳劑的液滴尺寸大于微乳劑,通常在20-200納米范圍,與微乳劑典型的液滴尺寸(2-50 nm)發生部分交蓋。

③ 納米分散劑(Nanodispersion)

納米分散劑,也稱為納米懸浮劑,是將晶體或無定型的農藥有效成分制備成納米晶粒或無定型顆粒并將其分散在水中,粒子尺寸在50-200 nm范圍。制備納米晶粒有許多方法。文獻報道的包括,干/濕磨粉法、萃取沉淀法和用乳液進行溶劑蒸發法等。

這些方法制得的納米分散劑存在兩個缺陷：一是有效成分的含量很低；二是隨時間延長,納米粒子之間由于熱運動會發生相互碰撞、合并、晶粒長大,最后導致尺寸變大。這些不足,使其目前產業化存在困難。因此,開發納米分散劑最具挑戰性的研究課題是如何實現它的長期穩定性。

2.保護有效成分免于過早分解并賦予緩控釋性能的納米農藥

發展緩釋、控釋農藥制劑的初衷,主要是針對有效成分過早分解或偏離靶向問題。人們認識到,大多數的農藥有效成分在噴施后,受環境因素(紫外光、氧、熱)的影響,會發生分解,影響藥效發揮。為了實現農藥的緩釋或控釋,就必須對有效成分實施保護,使其免于過早分解。

保護的方式,就是使用載體物質。載體物質大致分為軟質載體和硬質載體。軟質載體主要包括聚合物分子鏈和固體脂質體；硬質載體包括多孔中空納米二氧化硅(SiO2)、層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)和黏土。按照載體物質的種類不同,這類納米制劑主要有聚合物基制劑、固體脂質體制劑、多孔中空SiO2制劑和LDHs及黏土制劑,其形態示意圖見圖2。

①聚合物基納米制劑(Polymer-based formulations)

將聚合物結合到農藥制劑中,可發揮不同的作用,如用作漂移控制劑、防意外吞食的安全標識劑、泡沫控制劑等,但大多數這類納米制劑是將有效成分的控制釋放作為首要目標。

聚合物基的納米農藥目前主要有兩類：一是納米微球；二是納米膠囊。對于前者,有效成分在微球中的分布并不確定；而后者應具有核--殼結構,作為儲存用溶劑溶解有效成分的一種容器。納米膠囊由于尺寸小,分布均勻,預期比大尺寸膠囊(微膠囊)具有更多優勢,如增加噴霧液的穩定性、增大農藥微粒的表面積、增加靶標生物的吸收、減少藥害等。

聚合物納米微球即聚合物分子摻雜、負載、纏裹農藥分子的固體納米粒子。形成方法大致分兩類：一類是先將農藥溶于聚合物的液體單體,其形成微乳液,然后通過聚合反應,形成聚合物納米微球。這種聚合物納米粒子通常是疏水性的,實質上就是一種密實的塑料微粒。農藥分子無法從中滲出,是可能存在的大問題。

另一類是將水溶性聚合物溶于水中,將農藥溶液和交聯劑的加入其中,通過交聯形成負載型聚合物納米粒子。聚合物納米微球通常是親水性的,交聯密度可控,粒子較疏松,有利于農藥分子的滲出,且聚合物分子可生物降解。

善思以天然高分子殼聚糖及其衍生物為載體,將生物農藥苦參堿、印楝素和魚藤酮制備成聚合物負載的納米粒子,粒徑分別為100-200 nm、200-300 nm、200-500 nm,電鏡照片分別見圖3。農藥負載率分別為66.2%、43.5%、68%。負載率是一個重要參數,由此可以調節速效和長效之間的平衡。

②固體脂質體納米制劑(Solid lipid nanoparticles)

脂質體(liposome)是指磷脂(phospholipid)及其輔助物質(如膽固醇等)分散在水中形成的具有雙層結構的閉合球形囊泡。磷脂分為甘油磷脂與鞘磷脂兩大類,分別由甘油和鞘氨醇構成。磷脂為兩性分子,一端為親水的含氮或磷基團,另一端為疏水(親油)的鏈烴基團。當它們分散于水相時,分子的疏水尾部傾向于聚集在一起,避開水相,而親水頭部暴露在水相,形成具有雙分子層結構的封閉囊泡,即細胞膜的結構。

脂質體按照所含雙分子層的層數不同,分為單室脂質體和多室脂質體。前者的粒徑為20~1000 nm,后者的粒徑為1~5 um。對于單室脂質體(見圖4),球心部分是水相,可包裹水溶性藥物；而由鏈烴構成的疏水相,則可增溶油溶性藥物。

由脂質體制備藥物制劑,結合了乳液和脂質體的優點,同時解決了藥物的緩釋性、穩定性和毒性問題,成為人用納米藥物和靶向給藥研究的熱點。而脂質體納米農藥的研究很少,其原因涉及兩方面：一是制備方法高耗能(需要高壓均質設備),價格較高；二是脂質體的粒徑尺寸覆蓋的范圍太大,由幾百納米到幾十微米,超出了納米農藥的范圍。

③ 多孔中空二氧化硅納米制劑(Porous hollow silica nanoparticles)

以多孔中空納米SiO2為載體,通過負載農藥希望起到保護有效成分的作用,并賦予其緩釋性能,是制備納米控釋農藥制劑的又一途徑。載體SiO2是一種無機聚合物。該類納米制劑研究的內容包括：多孔中空納米SiO2便捷的制備方法、增加其親水性的改性方法、農藥的負載方法、有效成分的緩釋行為等。涉及的問題有：多孔中空納米SiO2的制造步驟多,成本較高；這類納米粒子不易降解；對環境和健康的影響未知等。

④層狀雙金屬氫氧化物和黏土納米制劑(Layered double hydroxides and clays)

層狀雙金屬氫氧化物(layered double hydroxides,LDHs)是一類典型的陰離子型層狀材料, 具有穩定的金屬氫氧化物層和可交換的層間陰離子,可作為緩釋、控釋農藥的載體。LDHs的尺寸通常在微米級,但層間距為納米尺寸,藥物分子可插入其間形成納米雜化物。利用有機分子與層板間存在的靜電作用、氫鍵作用以及空間效應等,可實現對農藥分子的負載,因此也成為農藥和醫藥控釋劑型研究領域的熱點內容之一。

LDHs可分為天然和合成兩種類型。天然產物即黏土,應用最多的是蒙脫土,但其純度低,自然界含量少。而合成的純度高,成本相對不高,對環境無污染。LDHs 的制備方法主要有共沉淀法、離子交換法、煅燒--重構法等。

3.納米金屬或納米金屬氧化物單用或與農藥合用

納米金屬如銀(Ag)和納米氧化物如二氧化鈦(TiO2)都是典型的無機物,分別具有各自的特殊性能。它們或單獨、或與農藥納米粒子復合在一起,可形成納米農藥。

銀具有大家熟知的抗菌性能。納米銀可以一種劑量依賴的方式,顯著抑制植物病原體的生長。納米TiO2被稱為光觸媒,在紫外光的作用下,可催化分解有機物質。這類納米農藥制劑包括兩類：一類是農藥有效成分與納米金屬或納米氧化物結合的納米農藥制劑；另一類是單獨使用納米金屬的納米制劑。其形態示意圖分別見圖5。

這類金屬和金屬氧化物納米粒子,難以降解,是否對生態環境、食品安全和人體健康存在重要影響？這是研究這類納米農藥需要考慮的問題。

總體說來,選擇產業化生產的納米農藥類型,取決于所希望的納米農藥性能,選擇使用的溶劑、助劑和載體的類型,以及相應的制備工藝。而這些因素的指導原則是綠色環保、性能優異、生產簡單、使用方便、價格適宜。