2017, Vol. 19
2. 云南省农业科学院 粮食作物研究所，昆明 650205;
3. 浙江省化工研究院有限公司 国家南方农药创新中心浙江基地，杭州 310023
, PENG Xinya1, XUE Fei1, GU Anyu2, LI Xiaolin2, XU Yuran2, HU Yue1, LAN Yue1, ZHAO Hengke3, HE Lin1
2. Grain Crops Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China;
3. Zhejiang Research Institute of Chemical Industry Ltd., National South Agrochemical Creation Center's Zhejiang Base, Hangzhou 310023, China
氟乐灵是一种常用的芽前除草剂，普遍应用于防除多种一年生禾本科杂草及部分双子叶杂草，防除效果好[1-2]，但其易挥发、易光解，因而持效期短[3-4]。目前在已登记的剂型中只有氟乐灵乳油一种，尚不能有效解决氟乐灵持效期短的问题。农药控释制剂不仅能有效提高农药的利用率，而且能减少环境污染[5-8]。因此，研究氟乐灵控释制剂对于丰富农药品种和减少环境污染具有重要意义。
二氧化硅材料以其具有较高的负载率 (loading efficiency)、较强的抗紫外性能以及较低的毒性成为了研究热点，目前已广泛应用于药物传递、化妆品、食品和传感方面[9-11]。近年来，二氧化硅材料作为农药载体也被用于农药缓释剂的制备，例如：LI等[12]将多孔二氧化硅纳米空心球用于负载阿维菌素，研究其壳厚度对负载率和紫外屏蔽特性的影响，并用超临界流体技术研究了阿维菌素缓释剂的缓释性能；用超临界流体技术将井冈霉素包入多孔二氧化硅纳米空心球中，可实现井冈霉素高的负载率 (36 wt.%)[13]。
微球是近年发展起来的一种具有缓释功能的新剂型，目前已有甲氨基阿维菌素苯甲酸盐聚乳酸微球等报道[14]。鉴于微球具备控制缓释、环境兼容性好等优点[15-16]，本研究以氟乐灵作研究对象，以正硅酸乙酯 (TEOS) 为二氧化硅硅源、吐温–60为表面活性剂，通过TEOS在油水界面的水解-缩合反应，形成二氧化硅的外壳 (反应原理见图式 1)，研制了氟乐灵微球，并考察TEOS与氟乐灵的质量比以及吐温–60质量分数对负载率的影响，同时对氟乐灵微球的释放动力学和稳定性进行了研究。
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图式1 正硅酸乙酯水解-缩合反应形成二氧化硅原理图 Scheme1 Hydrolysis and condensation reaction of tetraethyl orthosilicate to form the silicon dioxide |
1 材料与方法 1.1 材料及仪器
95%氟乐灵 (trifluralin) 原药，江苏建农农药化工有限公司；正硅酸乙酯 (TEOS)和乙酸乙酯均为分析纯，十六烷 (98%)，北京化学试剂公司；吐温-60，国药集团化学试剂北京有限公司。甲醇和乙腈为HPLC级，购自J.T. Baker(美国)。
Hitachi800扫描电子显微镜 (SEM，日本日立公司)；Agilent1200高效液相色谱仪 (安捷伦公司)；Nicolet-210红外光谱仪 (美国Nicolet公司)；Rise-2006型激光粒度分布仪 (济南润之科技有限公司)；岛津XRD-7000X射线粉末衍射仪 (日本岛津公司)；K-105型超声波清洗机 (广州金卡思贸易有限公司) 和1613T型超声波清洗机 (北京科玺时代科技有限公司)。
1.2 氟乐灵微球的制备与表征将10 g氟乐灵原药与10 g TEOS混合，加入200 mL含质量分数为 2%吐温–60的水溶液中，用磁力搅拌器快速搅拌10 min，利用超声波清洗机在50 W功率下超声10 min，得到氟乐灵乳液。在室温下放置8 h，过滤，沉淀用蒸馏水洗涤3次，在1 000 r/min下离心，45 ℃下干燥得氟乐灵微球。用扫描电子显微镜研究微球的形态和结构；用红外光谱法 (KBr压片法) 和高效液相色谱 (HPLC) 分析氟乐灵在微球中的负载情况。
1.3 氟乐灵微球负载率的测定氟乐灵微球通过超声萃取后采用HPLC法测定。将0.1 g氟乐灵微球用20 mL甲醇快速洗涤，以溶解其表面的氟乐灵，HPLC法测定表面原药质量；将0.1 g氟乐灵微球置于20 mL甲醇中超声萃取20 min后，在2 000 r/min下离心10 min，取50 μL上清液，采用HPLC法测定氟乐灵的总质量。用 (1) 式计算微球表面氟乐灵的负载率；用 (2) 式计算微球内部氟乐灵的负载率。
| ${\text{表面负载率}}/{\%}= \frac{\text{表面被负载原药质量}}{\text{微球总质量}}\times 100$ | (1) |
| ${\text{内部负载率}}/{\%} = \frac{\text{内部被负载原药质量}}{\text{微球总质量}}\times 100$ | (2) |
在自然光下，将微球样品0.5 g以及所对应含量的氟乐灵原药0.25 g悬浮在800 mL V (甲醇) : V (水溶液)=30 : 70的混合溶剂中，并加入到溶出测定仪中，在100 r/min下搅拌。于不同时间收集混合液各5 mL，然后将所取混合液在1 000 r/min下离心分离并移取50 μL上清液，采用HPLC法测定不同时间内氟乐灵在混合溶液中的质量浓度，计算微球以及原药在介质中的累积释放率 (设氟乐灵原药的初始浓度为100%，剩余有效成分的量与总原药量的比值)。将剩余混合物倒回溶出测定仪中以保持缓释介质体积相同。
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图 1 氟乐灵X射线衍射图 (a)、颗粒大小分布图 (b) 和SEM图 (c) Fig. 1 XRD patterns(a), particle size distribution(b) and SEM images(c) of trif-silica microspheres |
HPLC色谱条件：ODS C18色谱柱 (250 mm × 4.6 mm id，5 μm)；流速1.0 mL/min；流动相为V(甲醇) : V(水)=80 : 20；进样量20 μL；检测波长245 nm。所有试验重复3次。
2 结果与分析 2.1 氟乐灵微球的制备与表征图1为所制备氟乐灵微球的X射线衍射图、颗粒大小分布图和SEM图。从X射线衍射图看出，氟乐灵微球是无定形的二氧化硅；从SEM图看出，微球分散均匀并具有中空结构。
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图 2 二氧化硅微球 (A)、氟乐灵二氧化硅微球 (B) 和氟乐灵原药 (C) 的红外光谱 Fig. 2 The infrared spectra of silica microspheres(A), trif-silica microspheres (B) and free trifluralin technical (C) |
用本方法制备氟乐灵微球，当溶剂挥发后，氟乐灵可被直接包封在中空的二氧化硅球体中，与传统的用二氧化硅载体制备好后再负载药物的方法相比，本方法的负载率提高了，损失率减小了。TEOS与氟乐灵的质量比、吐温–60的质量分数、超声时间和超声功率对氟乐灵微球负载率的影响见表1。在80 W超声功率下，由于微球可能破裂，致使微球中氟乐灵的负载率仅为30%；而在50 W超声功率下，负载率达到了峰值。吐温–60的质量分数对负载率的影响不明显，最高负载率可达50%。在微球内部，负载率约为40%。在TEOS与氟乐灵的质量比为1 : 1，吐温–60的质量分数为2%及用50 W超声功率超声10 min的条件下，所制备的氟乐灵微球的直径约为1 μm。
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表 1 氟乐灵微球制备条件对微球负载率的影响 Table 1 The effects of TEOS-to-oil ratios, ultrasonic time and ultrasonic circle on the loading efficiency of trifluralin in silica microspheres |
图2是二氧化硅微球 (A)、氟乐灵微球 (B) 和氟乐灵原药 (C) 的红外光谱。对于氟乐灵原药来说，3 035 cm–1的峰是由于苯环C-H键伸缩振动产生的，1 650和1 535 cm–1是由苯环骨架振动产生的。与氟乐灵原药相比，二氧化硅微球具有特有的吸收波段，包括Si-O-Si伸长振动 (1 095 cm–1)、Si-O弯曲振动 (955 cm–1)、O-Si-O弯曲振动 (844, 453 cm–1) 和-OH伸缩振动 (3 451 cm–1)。氟乐灵微球及二氧化硅微球的红外光谱保留了二氧化硅微球和氟乐灵原药最主要的吸收峰，表明氟乐灵主要通过物理吸附成功地被包覆进了二氧化硅微球中。
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HSMs 代表空心二氧化硅微球 HSMs, hollow silica microsphere 图 3 pH值对氟乐灵微球释放行为和稳定性的影响 Fig. 3 Effects of pH values on the release behaviors and stability of trifluralin from trif-silica microspheres |
2.2 微球的释放动力学和稳定性 2.2.1 pH值对氟乐灵微球释放行为和稳定性的影响
保持温度 (25 ℃) 不变，约1 μm大小的氟乐灵微球在100 r/min搅拌速率下，通过改变pH值 (3.0、5.0、7.0和9.0) 研究氟乐灵从氟乐灵微球中释放的行为。从图3可以看出：对于氟乐灵原药，当pH值在3.0~9.0之间时，第5天氟乐灵的累积释放率为100%~98%，第10天为91%~85%，第40天为67%~52%，其中，pH值为7.0时，氟乐灵分解最慢，pH为9.0时分解最快；而对于氟乐灵微球，在pH 3.0~9.0范围内，氟乐灵的累积释放率在第5天为20%~59%，第10天时为40%~80%，且释放率随pH值的增加而增大，pH为9.0时的第10天和pH为7.0的第40天，氟乐灵累积释放率均达到80%，且浓度几乎不再变化。这可能是因为在更高的pH值下，微球壁材更易降解，使得氟乐灵从氟乐灵微球中能更快释放。
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HSMs代表空心二氧化硅微球 HSMs, hollow silica microsphere 图 4 温度对氟乐灵微球释放行为和稳定性的影响 Fig. 4 Effects of temperature on the release behaviors and stability of trifluralin from trif-silica microspheres |
2.2.2 温度对氟乐灵微球释放行为和稳定性的影响
保持pH=7.0不变，约1 μm大小的氟乐灵微球在100 r/min条件下，通过改变温度 (25、35和45 ℃) 研究氟乐灵从其微球中释放的行为。从图4可以看出：对于氟乐灵原药，在温度为25~45 ℃条件下，第5天时氟乐灵的累积释放率为98%~95%，第10天时为91%~88%，第40天时下降到68%~50%。而对于氟乐灵微球，在温度为25~45 ℃条件下，45 ℃第5天、35 ℃第10天及25 ℃第15天时氟乐灵的累积释放率达到最高，约80%，然后一直到第40天基本维持稳定。结果表明，温度越高，释放速率越快，其原因可能是温度越高，分子热运动越激烈，导致氟乐灵从微球中释放出来更容易、更迅速。
3 结论笔者以正硅酸乙酯 (TEOS) 为二氧化硅源，以吐温–60为表面活性剂，采用乳液法制备了氟乐灵微球。氟乐灵原药在环境中降解迅速，而氟乐灵从二氧化硅载体中缓慢释放，有效延缓了有效成分的降解速率，同时随着温度降低及pH值减小，其释放速度变慢，延迟了氟乐灵在水中的降解速率，体现了其更好地持续释放性能。提高了农药稳定性，延长了其持效期。
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