宋玉瑩, 朱 峰, 曹 沖, 曹立冬,李鳳敏, 趙鵬躍, 黃啟良

(1. 中國農業(yè)科學院 植物保護研究所，北京 100193；2. 貴州省農業(yè)科學院 植物保護研究所，貴陽 550006)

目前莖葉噴霧仍是被廣為采用的農藥使用技術[1]。農藥經噴霧器械噴施后到達靶標界面而發(fā)揮作用，然而，農藥在向靶標作物葉面?zhèn)鬏數(shù)倪^程中常因農藥噴霧霧滴的彈跳、飛濺等造成流失[2-3]；此外，為了提高防治效果，農藥常被過量使用，流失的農藥最終會滲入到土壤和地下水中，其在破壞環(huán)境的同時，也會危害非靶標生物的健康[4-5]。如何抑制農藥噴霧液滴在植物葉面的彈跳，增加潤濕黏附性，從而提高農藥利用率一直是被關注的熱點問題[6]。

自然界中，液滴撞擊固體界面的現(xiàn)象隨處可見。液滴在固體界面的沉積在許多領域都具有重要的科學意義，包括農藥噴霧、噴墨打印、醫(yī)藥、涂料及日化用品等[7-9]。液滴在界面的動態(tài)沉積行為也因界面的潤濕性和紋理結構的不同而存在差異[10]。利用高速攝影技術，Rioboo 等[11]總結了液滴撞擊固體界面后的行為，包括迅速飛濺、冠狀飛濺、回縮破碎、部分或完全反彈以及沉積。在農藥噴霧施用過程中，農藥霧滴在靶標界面的沉積效果會嚴重影響噴霧質量[12]。農藥霧滴在靶標植物葉面上的動態(tài)沉積過程復雜，主要受藥液性能、靶標植物葉片表面特性、噴霧器械及施藥技術和環(huán)境條件等因素的影響[13]。近年來，許多研究者利用表面活性劑和高分子聚合物類助劑等，通過改變藥液的理化性質，主要是降低其表面張力和增加黏度，來提高農藥霧滴在靶標植物葉面的動態(tài)沉積和持留量[6,14]。Song 等[10]將柔性長鏈聚合物PEO (聚環(huán)氧乙烷) 與AOT (2-乙基己基琥珀酸酯磺酸鈉) 表面活性劑復配使用，增加了霧滴在具有條紋結構和疏水蠟質層的超疏水葉片表面的動態(tài)沉積和持留。Bergeron 等[15]通過在水相中加入少量的柔性聚合物，有效地抑制了液滴在超疏水界面上的彈跳行為，并證明其抑制霧滴彈跳的機制是由于柔性聚合物具有較大的拉伸黏度；Bergeron 等還提出，在液滴鋪展回縮過程中，聚合物分子鏈會發(fā)生伸展卷曲形變，造成動能損耗，從而可延緩液滴回縮，抑制液滴彈跳。Liu等[16]構建了一種水基性團聚體與合成亞氨基動態(tài)共價三聚體表面活性劑協(xié)同控制的農藥新制劑，可增強農藥藥液在疏水植物上的沉積、滯留和釋放。表面活性劑與聚合物類助劑可改善液滴在植物葉面的沉積性，但是這些助劑通常多以化學產品為主，可能會對生物健康及環(huán)境安全帶來隱患[17]。

水凝膠作為藥物載體具有良好的生物相容性，在生物和醫(yī)學等領域有著較廣泛的應用[18-20]。由于水凝膠具有可以儲存大量水分的三維結構，因此其也被認為是一種前景良好的農藥載體[21]。近年來，有關水凝膠在農藥上的應用研究越來越多[22]。Jin 等[23]將MnO2納米片 (NFs) 嵌入海藻酸鈉水凝膠中，構建了靶向反應水凝膠試劑盒，實現(xiàn)了農藥的實時檢測。葉酸是參與植物生命活動的重要功能物質，鋅是植物生長發(fā)育所必需的微量元素。葉酸分子結構上的喋啶基團通過氫鍵形成四聚體，四聚體通過π-π 堆積的非共價鍵相互作用形成納米纖維，鋅離子 (Zn2+) 與納米纖維交聯(lián)形成纖維網絡[24]，這使其成為良好的載體材料。

水稻紋枯病是常年發(fā)生的水稻病害之一，嚴重影響水稻產量。噻呋酰胺是一種噻唑酰胺類殺菌劑，對于水稻紋枯病具有良好的防治效果，但是有報道指出噻呋酰胺對水生生物存在較大的毒性[25]。因此，為減少噴霧藥液在水稻葉片的彈跳流失，降低藥劑對非靶標生物的毒性，本研究設計了一種葉酸/Zn2+超分子水凝膠負載噻呋酰胺的制劑體系，使用超高速攝影技術對凝膠液滴在超疏水水稻葉面上的沉積效果進行研究，通過流變儀測定了負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+超分子水凝膠體系的流變性能，并深入探討了水凝膠體系增加霧滴沉積行為的內在機制，旨在為綠色農藥新劑型的開發(fā)和超分子水凝膠載體在農藥中的應用提供新的思路和方向。

1 材料與方法

1.1 供試植物

試驗于2020 年6—10 月在北京市中國農業(yè)科學院植物保護研究所完成。水稻品種為TN1(臺中一號)，水稻種子由中國農業(yè)科學院植物保護研究所提供。選取健康的水稻種子，在塑料盒中浸種催芽后，播種到直徑7 cm 的小花盆中，每盆3～5 粒種子，在溫室中培養(yǎng)?？刂茰厥遗囵B(yǎng)條件為：光照14 h，相對濕度65%～80%，白天和夜間的溫度分別為30 °C 和26 °C。

1.2 藥劑與試劑

98%噻呋酰胺 (thifluzamide) 原藥，紹興上虞新銀邦生化有限公司；葉酸水合物 (C19H19N7O6·xH2O，純度 ＞ 98%)，TCI 東京化成工業(yè)株式會社；氫氧化鉀 (KOH，純度 ＞ 85%)，天津市光復科技發(fā)展有限公司；硝酸鋅水合物 (Zn(NO3)2·xH2O，98%)，阿拉丁試劑公司。實驗用水均為超純水，供試樣品均現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.3 主要儀器

KQ3200B 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；XH-C 旋渦混合器，浙江金壇市城東新瑞儀器廠；ThermoHaake RS300 流變儀，美國賽默飛世爾科技公司；OCA20 視頻光學接觸角測量儀，德國Dataphysics 公司；超高速攝影相機FASTCAM Mini UX100，日本Photron 公司。

1.4 試驗方法

1.4.1 負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠的制備

在參考文獻的方法[19]上進行改進。向燒杯中加入2.207 g 葉酸和50 mL 超純水，加入50 mL 濃度為0.5 mol/L 的KOH 溶液，攪拌均勻，得到葉酸-KOH 中和液。將0.5 g 噻呋酰胺原藥溶解到10 mL無水乙醇中。移取葉酸-KOH 中和液，噻呋酰胺-乙醇溶液和0.1 mol/L Zn(NO3)2溶液到5mL 塑料試管中，其中噻呋酰胺-乙醇溶液200 μL，葉酸-KOH 中和液和Zn(NO3)2溶液根據(jù)最終凝膠中葉酸和Zn2+的不同比例移取，渦旋 1 min，靜置約30 min。將試管倒置，若無液體流動即證明凝膠形成，最終得到負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠。噻呋酰胺的質量濃度最大為5 mg/mL，超過此濃度不能形成凝膠。凝膠中的葉酸和Zn2+的比例區(qū)間范圍從1/1.6～1/2.5，比例為物質的量之比。

1.4.2 負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠的流變性能測定 使用流變儀在25°C 下測定所制備的負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠樣品 (n(葉酸)/n(Zn2+) =1/1.8～1/2.0) 的流變性能。取水凝膠樣品約2 mL放置在平行平板上，轉子型號為PP35Ti，平板和轉子之間的間距為0.100 mm。在1 Hz 的頻率下對載藥凝膠進行動態(tài)應力掃描，確定樣品的線性黏彈性范圍。在線性黏彈區(qū)間范圍內對載藥凝膠進行頻率掃描，頻率范圍為0.1～10 Hz，測定樣品的儲能模量(G′)和損耗模量(G′′)的變化曲線。對凝膠的黏度進行測定，剪切速率從1 s-1增加到20 s-1，然后以相同的速率立即從20 s-1下降到1 s-1，在同一坐標軸內繪制兩次測量的樣品黏度隨時間變化的曲線。設置對載藥凝膠交替施加0.5% 的應變和50% 的應變程序，對負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠的剪切自修復性能進行連續(xù)循環(huán)測定。

1.4.3 負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠液滴在水稻葉面上的動態(tài)沉積行為 選取5～7 葉期的水稻，沖洗葉片表面的灰塵，干燥后使用雙面膠將葉片貼在載玻片上。為了確保葉片表面結構的完整性，使用的是活體植株。將負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠吸入注射器，采用注射泵推動產生液滴，注射器高度可調，液滴釋放高度距放置在平臺上的葉片約30 cm 處。從側面拍攝水滴撞擊水稻葉片的動態(tài)過程，記錄液滴在水稻葉面的沉積行為。相機頻率8 000 幀/s，分辨率為1 280 ×616 像素。分別以超純水、葉酸溶液、葉酸/Zn2+水凝膠 (0 mg/mL 噻呋酰胺) 作為對照。每組處理重復至少10 次。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Origin8.0 對負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠樣品的流變數(shù)據(jù)進行處理作圖，使用Image ProPlus 軟件分析處理負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠液滴撞擊水稻葉片表面得到的圖像數(shù)據(jù)，并使用Origin8.0 進行作圖。

2 結果與分析

2.1 負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠的流變性能

葉酸和硝酸鋅的比例會影響水凝膠的形成，因此，分別制備了n(葉酸)/n(Zn2+) = 1/1.6～1/2.5 范圍內的負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠。結果發(fā)現(xiàn)：當n(葉酸)/n(Zn2+) = 1/1.6～1/1.8 內時不能形成凝膠；當n(葉酸)/n(Zn2+) = 1/2.1～1/2.5 時形成的凝膠機械強度大，過于黏稠不適用于農藥應用噴霧場景；而當n(葉酸)/n(Zn2+) = 1/1.8～1/2.0 范圍內時形成的凝膠機械強度適中，且可應用于噴霧，因此主要對n(葉酸)/n(Zn2+) =1/1.8～1/2.0 內的負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠進行了研究。未負載噻呋酰胺的水凝膠的儲能模量和損耗模量隨鋅離子比例的增加而增加，在n(葉酸)/n(Zn2+) = 1/2.0 條件下，凝膠的儲能模量可達105數(shù)量級，并且凝膠具有剪切變稀和自修復的性能[19]。在n(葉酸)/n(Zn2+) = 1/1.8～1/2.0 時，負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠的流變行為如圖1 所示。由圖1a 可知，在固定頻率為1 Hz 時，對凝膠施加0.1～20 Pa的應力，負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠的G′ (儲能模量) 大于G′′(損耗模量)，G′和G′′的值隨著葉酸/Zn2+比的增加而增加，凝膠表現(xiàn)出顯著的黏彈性，在應力為10 Pa 附近處G′和G′′的值相交，說明凝膠可承受的最大應力值為10 Pa。圖1b 是負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠在應力為1 Pa 條件下的頻率掃描曲線，可以看出，在0.1～10 Hz 的頻率范圍內，G′和G′′的值不具有頻率依賴性，凝膠的G′始終大于G′′，說明凝膠主要發(fā)生彈性形變。圖1c 中，剪切速率從0.1 s-1增至20 s-1，負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠剪切變稀，在反向循環(huán)由20 s-1減至0.1 s-1過程中，水凝膠的黏度在較短時間內幾乎恢復到初始狀態(tài)；在頻率1 Hz的條件下，進行連續(xù)循環(huán)的應變階躍試驗，采取50%應變和應變0.5%交替進行，50%的應變破壞水凝膠結構，0.5%的應變測定水凝膠狀態(tài)的恢復情況，如圖1d 所示，水凝膠的G′和G″在短時間內幾乎完全恢復，并且這種自修復行為可以重復多次。因此由圖1c 和d 可知，負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠具有良好的剪切變稀和自修復的特性。

2.2 負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠液滴在水稻葉片表面的動態(tài)沉積行為

液滴撞擊超疏水固體界面的過程中，液體的性質 (液滴的種類、黏度以及大小)、液滴的速度和超疏水表面特性 (表面結構、粗糙度等) 都會影響液滴撞擊固體界面后的結果[26-27]。水滴在慣性作用下撞擊超疏水表面時會迅速鋪展，邊緣殘余的空氣會引起Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性，導致液滴破裂；而在其回縮過程中，由于水滴不能潤濕超疏水界面，且與超疏水基質之間摩擦力較小，導致水滴出現(xiàn)劇烈的反彈、破碎和飛濺，很多以水為溶劑不具有表面活性的溶液也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象[28]。為了更加清晰地觀察液滴在水稻葉面的動態(tài)沉積行為，本研究使用超高速攝影技術從水稻葉片的側面拍攝了液滴撞擊葉片表面的動態(tài)圖像，結果如圖2 所示。分別以水、葉酸溶液和葉酸/Zn2+水凝膠 (不含噻呋酰胺) 作為對照?？梢钥闯觯涸趫D2a 和2b 中，水和葉酸溶液的液滴一經接觸水稻葉面，即在短時間內 (約1.25 ms) 在液滴邊緣處出現(xiàn)飛濺的小液滴，隨后液滴逐漸分裂成小液滴從水稻葉面彈起，掉落到葉面以外的區(qū)域。液滴撞擊葉面后經歷了鋪展、回縮至最終穩(wěn)定狀態(tài)；葉酸/Zn2+水凝膠 (不含噻呋酰胺) 與負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠液滴的動態(tài)沉積行為相比存在顯著差異。如圖2c 和2d 所示，凝膠液滴在鋪展階段均呈“薄餅狀”，圖2c 無負載噻呋酰胺的空白凝膠液滴在約3 ms 內處于鋪展階段，液滴不發(fā)生破碎，無小液滴出現(xiàn)，在回縮階段，液滴的一端有離開水稻葉面的趨勢，但最終保持了液滴的完整性；而圖2d 的液滴中由于負載了噻呋酰胺，凝膠內部的網狀結構被填充，內部結構更加緊實，液滴更不易破裂，該液滴在鋪展過程中與水稻葉片的摩擦力更大，因此液滴在達到最大鋪展后回縮，最終穩(wěn)定地沉積在葉片上。試驗完成后，將負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠液滴的載玻片分別傾斜45°和倒置后拍攝圖像，結果如圖3 所示。由圖3a 和3b 得知，負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+水凝膠液滴傾斜45°不滾落，翻轉載玻片液滴不掉落，可以很好地黏附在水稻葉片表面。

液滴鋪展后的直徑 (Dt) 與液滴碰撞前的直徑(D0) 的比值常用來描述液滴撞擊固體界面后的鋪展狀態(tài)。圖4 是液滴在動態(tài)撞擊水稻葉面過程中液滴的鋪展直徑 (Dt) 和液滴頂部距葉面的高度 (ht)隨時間變化的歸一化曲線圖，其中n(葉酸)/n(Zn2+) =1/1.8～1/2.0。從圖中可以看出，水凝膠中葉酸和Zn2+的比例不會影響液滴撞擊葉片的結果，在1/1.8～1/2.0 的比例下負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+凝膠均在水稻葉片上不發(fā)生彈跳飛濺，液滴在2.0 ms左右達到最大鋪展，然后收縮，曲線趨于平緩。圖4c 和圖4d 是負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+凝膠液滴與對照組液滴的歸一化曲線對比圖，在t≈ 2 ms時，Dt/D0都達到最大值，說明液滴達到最大鋪展直徑Dmax，但只有葉酸/Zn2+凝膠和負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+凝膠液滴的Dt/D0值一直保持最大值，表明凝膠液滴完全沉積在水稻葉片表面，而水和葉酸溶液液滴破碎成小液滴飛濺脫離葉片。

3 結論與討論

水稻是中國重要糧食作物。研究表明，水稻葉片表面布滿了乳頭狀突起和絨毛，乳頭狀突起表面覆蓋蠟質，葉片是低表面能的粗糙表面，因此具有高度的疏水特性[29-31]。藥液經施藥器械噴灑形成小霧滴到達水稻葉片表面極易發(fā)生反彈而滾落，霧滴不能有效黏附在水稻葉片上，導致防治效果降低[32-33]。通過在農藥藥液中添加助劑來改善藥液的性質是增加農藥霧滴在靶標界面的沉積、潤濕鋪展和滲透的有效手段，也是提高農藥利用率的常用方法[34]，但是噴霧助劑種類繁多，選擇合適的種類以及使用濃度才能達到增效效果，而且助劑大多都是化學合成物質，過量使用還會給環(huán)境帶來壓力[35]。

水凝膠是一種內部空間相對較大的高分子材料，具有生物相容性，可作為藥物的良好載體[36]。本研究選用葉酸和硝酸鋅為主要原料，以噻呋酰胺為供試藥劑，在未添加助劑的前提下制備了一種負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+超分子水凝膠，并對凝膠的流體性質以及凝膠液滴在水稻葉片上的動態(tài)沉積行為進行了研究。負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+凝膠是一種黏性流體，使用流變儀對其流變性能進行測定。結果表明：在受到外界施加的應力小于10 Pa 左右時，凝膠表現(xiàn)出類固體的不流動行為，當施加的應力高于10 Pa 時，凝膠表現(xiàn)出流體的流動行為，該臨界應力值即為屈服應力[37]。負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+凝膠是一種觸變性水凝膠，具有剪切變稀-自修復的特性，即凝膠在剪切作用下黏度降低，在不施加或在較低應變作用下，凝膠又可恢復至初始狀態(tài)。Zn2+作為交聯(lián)劑，葉酸和鋅離子的比例會影響所制備的凝膠體系的機械強度。本研究結果表明，隨著Zn2+的用量增加，凝膠體系的機械強度增大，在n(葉酸)/n(Zn2+) =1/1.8～1/2.0 范圍內制備的凝膠機械強度適中，可應用于農藥噴霧。結合Liu 等[19]的研究，負載噻呋酰胺對凝膠的流變學行為與凝膠的形成機制密切相關，在凝膠內部，葉酸分子間可通過相互作用形成四聚體結構，該四聚體再與Zn2+交聯(lián)形成纖維網狀結構。

增加農藥噴霧霧滴在靶標植物葉片上的沉積量可提高藥劑與靶標的接觸幾率，進一步提高藥效[35]。負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+凝膠是一種典型的非牛頓流體，沈學峰[38]對非牛頓流體液滴撞擊固體界面的研究中提到，非牛頓流體通常具有黏彈性、觸變性 (體系具有時間依賴性的剪切變稀)或負觸變性 (剪切增稠)、剪切變稀或剪切增稠的特性，而實際應用中的非牛頓流體可能會表現(xiàn)出兩種甚至3 種非牛頓特性，因此非牛頓流體撞擊固體界面的動力學特性與牛頓流體相比復雜得多。通過對液滴撞擊水稻葉片的動態(tài)沉積行為的研究表明，純水和葉酸溶液液滴在2 ms 左右出現(xiàn)液滴破碎，而負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+凝膠液滴，在慣性作用下鋪展擴散形成一個圓盤狀的薄片，隨后收縮，整個過程液滴保持完整性未發(fā)生破碎現(xiàn)象。這與凝膠結構組成密切相關。葉酸/Zn2+凝膠和負載噻呋酰胺的凝膠液滴內部存在纖維網狀結構，在液滴鋪展過程中纖維網狀結構的運動會消耗一部分動能，同時液滴內部也存在黏性耗散，從而抑制了液滴破碎和反彈。German等[39]的研究中曾提到，液滴撞擊固體界面后，并不是所有的能量都被轉化為表面能，還有一些是通過液滴的黏性效應消散掉，另一些在液滴鋪展邊緣的旋渦流動中被保留。黏性流體的液滴會耗散其動能，而不是將其轉化，從而降低了慣性作用，抑制了液滴反彈飛濺。

葉酸和鋅在植物生長過程中發(fā)揮著重要作用，以葉酸、硝酸鋅為原料制備的負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+超分子水凝膠，具有生物相容性和可生物降解的優(yōu)勢，而且原料來源豐富，制備過程簡便易操作，可應用于農藥噴霧。負載噻呋酰胺的葉酸/Zn2+超分子水凝膠是一種觸變性的水凝膠，凝膠具有剪切變稀和自修復的特性，在n(葉酸)/n(Zn2+) = 1/1.8～1/2.0 的范圍內制備的負載噻呋酰胺的水凝膠可應用于農藥噴霧。使用超高速攝影儀對負載噻呋酰胺的超分子凝膠在水稻葉片表面的動態(tài)沉積行為的研究發(fā)現(xiàn)液滴不發(fā)生反彈飛濺，可在水稻葉片表面穩(wěn)定沉積。