宋玉莹, 朱 峰, 曹 冲, 曹立冬,李凤敏, 赵鹏跃, 黄啟良

(1. 中国农业科学院 植物保护研究所，北京 100193；2. 贵州省农业科学院 植物保护研究所，贵阳 550006)

目前茎叶喷雾仍是被广为采用的农药使用技术[1]。农药经喷雾器械喷施后到达靶标界面而发挥作用，然而，农药在向靶标作物叶面传输的过程中常因农药喷雾雾滴的弹跳、飞溅等造成流失[2-3]；此外，为了提高防治效果，农药常被过量使用，流失的农药最终会渗入到土壤和地下水中，其在破坏环境的同时，也会危害非靶标生物的健康[4-5]。如何抑制农药喷雾液滴在植物叶面的弹跳，增加润湿黏附性，从而提高农药利用率一直是被关注的热点问题[6]。

自然界中，液滴撞击固体界面的现象随处可见。液滴在固体界面的沉积在许多领域都具有重要的科学意义，包括农药喷雾、喷墨打印、医药、涂料及日化用品等[7-9]。液滴在界面的动态沉积行为也因界面的润湿性和纹理结构的不同而存在差异[10]。利用高速摄影技术，Rioboo 等[11]总结了液滴撞击固体界面后的行为，包括迅速飞溅、冠状飞溅、回缩破碎、部分或完全反弹以及沉积。在农药喷雾施用过程中，农药雾滴在靶标界面的沉积效果会严重影响喷雾质量[12]。农药雾滴在靶标植物叶面上的动态沉积过程复杂，主要受药液性能、靶标植物叶片表面特性、喷雾器械及施药技术和环境条件等因素的影响[13]。近年来，许多研究者利用表面活性剂和高分子聚合物类助剂等，通过改变药液的理化性质，主要是降低其表面张力和增加黏度，来提高农药雾滴在靶标植物叶面的动态沉积和持留量[6,14]。Song 等[10]将柔性长链聚合物PEO (聚环氧乙烷) 与AOT (2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠) 表面活性剂复配使用，增加了雾滴在具有条纹结构和疏水蜡质层的超疏水叶片表面的动态沉积和持留。Bergeron 等[15]通过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弹跳行为，并证明其抑制雾滴弹跳的机制是由于柔性聚合物具有较大的拉伸黏度；Bergeron 等还提出，在液滴铺展回缩过程中，聚合物分子链会发生伸展卷曲形变，造成动能损耗，从而可延缓液滴回缩，抑制液滴弹跳。Liu等[16]构建了一种水基性团聚体与合成亚氨基动态共价三聚体表面活性剂协同控制的农药新制剂，可增强农药药液在疏水植物上的沉积、滞留和释放。表面活性剂与聚合物类助剂可改善液滴在植物叶面的沉积性，但是这些助剂通常多以化学产品为主，可能会对生物健康及环境安全带来隐患[17]。

水凝胶作为药物载体具有良好的生物相容性，在生物和医学等领域有着较广泛的应用[18-20]。由于水凝胶具有可以储存大量水分的三维结构，因此其也被认为是一种前景良好的农药载体[21]。近年来，有关水凝胶在农药上的应用研究越来越多[22]。Jin 等[23]将MnO2纳米片 (NFs) 嵌入海藻酸钠水凝胶中，构建了靶向反应水凝胶试剂盒，实现了农药的实时检测。叶酸是参与植物生命活动的重要功能物质，锌是植物生长发育所必需的微量元素。叶酸分子结构上的喋啶基团通过氢键形成四聚体，四聚体通过π-π 堆积的非共价键相互作用形成纳米纤维，锌离子 (Zn2+) 与纳米纤维交联形成纤维网络[24]，这使其成为良好的载体材料。

水稻纹枯病是常年发生的水稻病害之一，严重影响水稻产量。噻呋酰胺是一种噻唑酰胺类杀菌剂，对于水稻纹枯病具有良好的防治效果，但是有报道指出噻呋酰胺对水生生物存在较大的毒性[25]。因此，为减少喷雾药液在水稻叶片的弹跳流失，降低药剂对非靶标生物的毒性，本研究设计了一种叶酸/Zn2+超分子水凝胶负载噻呋酰胺的制剂体系，使用超高速摄影技术对凝胶液滴在超疏水水稻叶面上的沉积效果进行研究，通过流变仪测定了负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+超分子水凝胶体系的流变性能，并深入探讨了水凝胶体系增加雾滴沉积行为的内在机制，旨在为绿色农药新剂型的开发和超分子水凝胶载体在农药中的应用提供新的思路和方向。

1 材料与方法

1.1 供试植物

试验于2020 年6—10 月在北京市中国农业科学院植物保护研究所完成。水稻品种为TN1(台中一号)，水稻种子由中国农业科学院植物保护研究所提供。选取健康的水稻种子，在塑料盒中浸种催芽后，播种到直径7 cm 的小花盆中，每盆3～5 粒种子，在温室中培养。控制温室培养条件为：光照14 h，相对湿度65%～80%，白天和夜间的温度分别为30 °C 和26 °C。

1.2 药剂与试剂

98%噻呋酰胺 (thifluzamide) 原药，绍兴上虞新银邦生化有限公司；叶酸水合物 (C19H19N7O6·xH2O，纯度 ＞ 98%)，TCI 东京化成工业株式会社；氢氧化钾 (KOH，纯度 ＞ 85%)，天津市光复科技发展有限公司；硝酸锌水合物 (Zn(NO3)2·xH2O，98%)，阿拉丁试剂公司。实验用水均为超纯水，供试样品均现配现用。

1.3 主要仪器

KQ3200B 型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；XH-C 旋涡混合器，浙江金坛市城东新瑞仪器厂；ThermoHaake RS300 流变仪，美国赛默飞世尔科技公司；OCA20 视频光学接触角测量仪，德国Dataphysics 公司；超高速摄影相机FASTCAM Mini UX100，日本Photron 公司。

1.4 试验方法

1.4.1 负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶的制备

在参考文献的方法[19]上进行改进。向烧杯中加入2.207 g 叶酸和50 mL 超纯水，加入50 mL 浓度为0.5 mol/L 的KOH 溶液，搅拌均匀，得到叶酸-KOH 中和液。将0.5 g 噻呋酰胺原药溶解到10 mL无水乙醇中。移取叶酸-KOH 中和液，噻呋酰胺-乙醇溶液和0.1 mol/L Zn(NO3)2溶液到5mL 塑料试管中，其中噻呋酰胺-乙醇溶液200 μL，叶酸-KOH 中和液和Zn(NO3)2溶液根据最终凝胶中叶酸和Zn2+的不同比例移取，涡旋 1 min，静置约30 min。将试管倒置，若无液体流动即证明凝胶形成，最终得到负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶。噻呋酰胺的质量浓度最大为5 mg/mL，超过此浓度不能形成凝胶。凝胶中的叶酸和Zn2+的比例区间范围从1/1.6～1/2.5，比例为物质的量之比。

1.4.2 负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶的流变性能测定 使用流变仪在25°C 下测定所制备的负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶样品 (n(叶酸)/n(Zn2+) =1/1.8～1/2.0) 的流变性能。取水凝胶样品约2 mL放置在平行平板上，转子型号为PP35Ti，平板和转子之间的间距为0.100 mm。在1 Hz 的频率下对载药凝胶进行动态应力扫描，确定样品的线性黏弹性范围。在线性黏弹区间范围内对载药凝胶进行频率扫描，频率范围为0.1～10 Hz，测定样品的储能模量(G′)和损耗模量(G′′)的变化曲线。对凝胶的黏度进行测定，剪切速率从1 s-1增加到20 s-1，然后以相同的速率立即从20 s-1下降到1 s-1，在同一坐标轴内绘制两次测量的样品黏度随时间变化的曲线。设置对载药凝胶交替施加0.5% 的应变和50% 的应变程序，对负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶的剪切自修复性能进行连续循环测定。

1.4.3 负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶液滴在水稻叶面上的动态沉积行为 选取5～7 叶期的水稻，冲洗叶片表面的灰尘，干燥后使用双面胶将叶片贴在载玻片上。为了确保叶片表面结构的完整性，使用的是活体植株。将负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶吸入注射器，采用注射泵推动产生液滴，注射器高度可调，液滴释放高度距放置在平台上的叶片约30 cm 处。从侧面拍摄水滴撞击水稻叶片的动态过程，记录液滴在水稻叶面的沉积行为。相机频率8 000 帧/s，分辨率为1 280 ×616 像素。分别以超纯水、叶酸溶液、叶酸/Zn2+水凝胶 (0 mg/mL 噻呋酰胺) 作为对照。每组处理重复至少10 次。

1.5 数据处理

使用Origin8.0 对负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶样品的流变数据进行处理作图，使用Image ProPlus 软件分析处理负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶液滴撞击水稻叶片表面得到的图像数据，并使用Origin8.0 进行作图。

2 结果与分析

2.1 负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶的流变性能

叶酸和硝酸锌的比例会影响水凝胶的形成，因此，分别制备了n(叶酸)/n(Zn2+) = 1/1.6～1/2.5 范围内的负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶。结果发现：当n(叶酸)/n(Zn2+) = 1/1.6～1/1.8 内时不能形成凝胶；当n(叶酸)/n(Zn2+) = 1/2.1～1/2.5 时形成的凝胶机械强度大，过于黏稠不适用于农药应用喷雾场景；而当n(叶酸)/n(Zn2+) = 1/1.8～1/2.0 范围内时形成的凝胶机械强度适中，且可应用于喷雾，因此主要对n(叶酸)/n(Zn2+) =1/1.8～1/2.0 内的负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶进行了研究。未负载噻呋酰胺的水凝胶的储能模量和损耗模量随锌离子比例的增加而增加，在n(叶酸)/n(Zn2+) = 1/2.0 条件下，凝胶的储能模量可达105数量级，并且凝胶具有剪切变稀和自修复的性能[19]。在n(叶酸)/n(Zn2+) = 1/1.8～1/2.0 时，负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶的流变行为如图1 所示。由图1a 可知，在固定频率为1 Hz 时，对凝胶施加0.1～20 Pa的应力，负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶的G′ (储能模量) 大于G′′(损耗模量)，G′和G′′的值随着叶酸/Zn2+比的增加而增加，凝胶表现出显著的黏弹性，在应力为10 Pa 附近处G′和G′′的值相交，说明凝胶可承受的最大应力值为10 Pa。图1b 是负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶在应力为1 Pa 条件下的频率扫描曲线，可以看出，在0.1～10 Hz 的频率范围内，G′和G′′的值不具有频率依赖性，凝胶的G′始终大于G′′，说明凝胶主要发生弹性形变。图1c 中，剪切速率从0.1 s-1增至20 s-1，负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶剪切变稀，在反向循环由20 s-1减至0.1 s-1过程中，水凝胶的黏度在较短时间内几乎恢复到初始状态；在频率1 Hz的条件下，进行连续循环的应变阶跃试验，采取50%应变和应变0.5%交替进行，50%的应变破坏水凝胶结构，0.5%的应变测定水凝胶状态的恢复情况，如图1d 所示，水凝胶的G′和G″在短时间内几乎完全恢复，并且这种自修复行为可以重复多次。因此由图1c 和d 可知，负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶具有良好的剪切变稀和自修复的特性。

2.2 负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶液滴在水稻叶片表面的动态沉积行为

液滴撞击超疏水固体界面的过程中，液体的性质 (液滴的种类、黏度以及大小)、液滴的速度和超疏水表面特性 (表面结构、粗糙度等) 都会影响液滴撞击固体界面后的结果[26-27]。水滴在惯性作用下撞击超疏水表面时会迅速铺展，边缘残余的空气会引起Kelvin-Helmholtz 不稳定性，导致液滴破裂；而在其回缩过程中，由于水滴不能润湿超疏水界面，且与超疏水基质之间摩擦力较小，导致水滴出现剧烈的反弹、破碎和飞溅，很多以水为溶剂不具有表面活性的溶液也表现出类似的现象[28]。为了更加清晰地观察液滴在水稻叶面的动态沉积行为，本研究使用超高速摄影技术从水稻叶片的侧面拍摄了液滴撞击叶片表面的动态图像，结果如图2 所示。分别以水、叶酸溶液和叶酸/Zn2+水凝胶 (不含噻呋酰胺) 作为对照。可以看出：在图2a 和2b 中，水和叶酸溶液的液滴一经接触水稻叶面，即在短时间内 (约1.25 ms) 在液滴边缘处出现飞溅的小液滴，随后液滴逐渐分裂成小液滴从水稻叶面弹起，掉落到叶面以外的区域。液滴撞击叶面后经历了铺展、回缩至最终稳定状态；叶酸/Zn2+水凝胶 (不含噻呋酰胺) 与负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶液滴的动态沉积行为相比存在显著差异。如图2c 和2d 所示，凝胶液滴在铺展阶段均呈“薄饼状”，图2c 无负载噻呋酰胺的空白凝胶液滴在约3 ms 内处于铺展阶段，液滴不发生破碎，无小液滴出现，在回缩阶段，液滴的一端有离开水稻叶面的趋势，但最终保持了液滴的完整性；而图2d 的液滴中由于负载了噻呋酰胺，凝胶内部的网状结构被填充，内部结构更加紧实，液滴更不易破裂，该液滴在铺展过程中与水稻叶片的摩擦力更大，因此液滴在达到最大铺展后回缩，最终稳定地沉积在叶片上。试验完成后，将负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶液滴的载玻片分别倾斜45°和倒置后拍摄图像，结果如图3 所示。由图3a 和3b 得知，负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+水凝胶液滴倾斜45°不滚落，翻转载玻片液滴不掉落，可以很好地黏附在水稻叶片表面。

液滴铺展后的直径 (Dt) 与液滴碰撞前的直径(D0) 的比值常用来描述液滴撞击固体界面后的铺展状态。图4 是液滴在动态撞击水稻叶面过程中液滴的铺展直径 (Dt) 和液滴顶部距叶面的高度 (ht)随时间变化的归一化曲线图，其中n(叶酸)/n(Zn2+) =1/1.8～1/2.0。从图中可以看出，水凝胶中叶酸和Zn2+的比例不会影响液滴撞击叶片的结果，在1/1.8～1/2.0 的比例下负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+凝胶均在水稻叶片上不发生弹跳飞溅，液滴在2.0 ms左右达到最大铺展，然后收缩，曲线趋于平缓。图4c 和图4d 是负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+凝胶液滴与对照组液滴的归一化曲线对比图，在t≈ 2 ms时，Dt/D0都达到最大值，说明液滴达到最大铺展直径Dmax，但只有叶酸/Zn2+凝胶和负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+凝胶液滴的Dt/D0值一直保持最大值，表明凝胶液滴完全沉积在水稻叶片表面，而水和叶酸溶液液滴破碎成小液滴飞溅脱离叶片。

3 结论与讨论

水稻是中国重要粮食作物。研究表明，水稻叶片表面布满了乳头状突起和绒毛，乳头状突起表面覆盖蜡质，叶片是低表面能的粗糙表面，因此具有高度的疏水特性[29-31]。药液经施药器械喷洒形成小雾滴到达水稻叶片表面极易发生反弹而滚落，雾滴不能有效黏附在水稻叶片上，导致防治效果降低[32-33]。通过在农药药液中添加助剂来改善药液的性质是增加农药雾滴在靶标界面的沉积、润湿铺展和渗透的有效手段，也是提高农药利用率的常用方法[34]，但是喷雾助剂种类繁多，选择合适的种类以及使用浓度才能达到增效效果，而且助剂大多都是化学合成物质，过量使用还会给环境带来压力[35]。

水凝胶是一种内部空间相对较大的高分子材料，具有生物相容性，可作为药物的良好载体[36]。本研究选用叶酸和硝酸锌为主要原料，以噻呋酰胺为供试药剂，在未添加助剂的前提下制备了一种负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+超分子水凝胶，并对凝胶的流体性质以及凝胶液滴在水稻叶片上的动态沉积行为进行了研究。负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+凝胶是一种黏性流体，使用流变仪对其流变性能进行测定。结果表明：在受到外界施加的应力小于10 Pa 左右时，凝胶表现出类固体的不流动行为，当施加的应力高于10 Pa 时，凝胶表现出流体的流动行为，该临界应力值即为屈服应力[37]。负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+凝胶是一种触变性水凝胶，具有剪切变稀-自修复的特性，即凝胶在剪切作用下黏度降低，在不施加或在较低应变作用下，凝胶又可恢复至初始状态。Zn2+作为交联剂，叶酸和锌离子的比例会影响所制备的凝胶体系的机械强度。本研究结果表明，随着Zn2+的用量增加，凝胶体系的机械强度增大，在n(叶酸)/n(Zn2+) =1/1.8～1/2.0 范围内制备的凝胶机械强度适中，可应用于农药喷雾。结合Liu 等[19]的研究，负载噻呋酰胺对凝胶的流变学行为与凝胶的形成机制密切相关，在凝胶内部，叶酸分子间可通过相互作用形成四聚体结构，该四聚体再与Zn2+交联形成纤维网状结构。

增加农药喷雾雾滴在靶标植物叶片上的沉积量可提高药剂与靶标的接触几率，进一步提高药效[35]。负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+凝胶是一种典型的非牛顿流体，沈学峰[38]对非牛顿流体液滴撞击固体界面的研究中提到，非牛顿流体通常具有黏弹性、触变性 (体系具有时间依赖性的剪切变稀)或负触变性 (剪切增稠)、剪切变稀或剪切增稠的特性，而实际应用中的非牛顿流体可能会表现出两种甚至3 种非牛顿特性，因此非牛顿流体撞击固体界面的动力学特性与牛顿流体相比复杂得多。通过对液滴撞击水稻叶片的动态沉积行为的研究表明，纯水和叶酸溶液液滴在2 ms 左右出现液滴破碎，而负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+凝胶液滴，在惯性作用下铺展扩散形成一个圆盘状的薄片，随后收缩，整个过程液滴保持完整性未发生破碎现象。这与凝胶结构组成密切相关。叶酸/Zn2+凝胶和负载噻呋酰胺的凝胶液滴内部存在纤维网状结构，在液滴铺展过程中纤维网状结构的运动会消耗一部分动能，同时液滴内部也存在黏性耗散，从而抑制了液滴破碎和反弹。German等[39]的研究中曾提到，液滴撞击固体界面后，并不是所有的能量都被转化为表面能，还有一些是通过液滴的黏性效应消散掉，另一些在液滴铺展边缘的旋涡流动中被保留。黏性流体的液滴会耗散其动能，而不是将其转化，从而降低了惯性作用，抑制了液滴反弹飞溅。

叶酸和锌在植物生长过程中发挥着重要作用，以叶酸、硝酸锌为原料制备的负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+超分子水凝胶，具有生物相容性和可生物降解的优势，而且原料来源丰富，制备过程简便易操作，可应用于农药喷雾。负载噻呋酰胺的叶酸/Zn2+超分子水凝胶是一种触变性的水凝胶，凝胶具有剪切变稀和自修复的特性，在n(叶酸)/n(Zn2+) = 1/1.8～1/2.0 的范围内制备的负载噻呋酰胺的水凝胶可应用于农药喷雾。使用超高速摄影仪对负载噻呋酰胺的超分子凝胶在水稻叶片表面的动态沉积行为的研究发现液滴不发生反弹飞溅，可在水稻叶片表面稳定沉积。