赵克非, 吴天岳, 马 悦, 李子璐, 高玉霞, 杜凤沛

(中国农业大学 理学院 应用化学系，北京 100193)

农药作为重要的农业生产资料，已广泛应用于害虫、杂草及病害等的防治，在促进粮食增产中起着不可替代的作用[1-2]。然而，由于传统农药沉积性差、耐雨水冲刷性差、生物活性低等原因，2020 年我国的农药利用率仅为40.6%，意味着约60%的农药不能在植物叶面有效沉积，会通过弹跳、飞溅、飘移等流失进入土壤和溪流中[3-6]，从而对生态环境和人类健康造成严重的威胁[7]。因此，通过合理的科学手段增加农药的叶面沉积效率，对提高农药利用率和改善农药流失具有重要的意义。

在实际应用中，农药的叶面沉积效率受到多种因素的共同影响，包括气候条件、药液性质、施药器械、靶标性质等。其中，具有独特化学成分和微观结构的靶标表面是造成农药流失的最主要原因[8]。作为绝大部分茎叶喷雾制剂的靶标表面，作物叶片表面覆盖了一层低表面自由能的蜡质，赋予了靶标叶面一定程度的疏水性[9-10]；与此同时，在部分作物叶表面上还可以观察到复合的微/纳米结构，赋予了叶面较高的粗糙度，最终使靶标表面变得更加疏水，甚至于超疏水。这也导致了在实际生产中，农药药液难以在疏水的经济、粮食作物叶面上很好地沉积，有时甚至需要进行多次喷雾覆盖，并且在雨季会使情况变得更糟[11-12]。因此，结合靶标的表面特性来改善农药叶面沉积效率的策略受到了农药化学研究者的广泛关注。

随着农业化学的迅猛发展，多种先进材料与技术不断问世，根据有害生物的发生规律、作用特点及环境条件，越来越多的功能化农药载体被设计、合成与推广，以达到高效、经济、安全地防治病虫草害的目的，成为了当下农业领域研究的热点[13-14]。功能化农药载体不仅可以利用农药分子与载体材料之间的相互作用，实现对农药分子的物理保护和可控释放[15]，还可以通过增加载体与靶标之间的作用，提高农药在靶标表面的沉积，是提高农药有效性与安全性的重要途径[16-17]。近年来，针对靶标表面独特的化学组成和微观结构，研究者们设计合成了多种功能化农药载体，利用载体与靶标之间的氢键、电荷作用、尺寸匹配效应等作用，改善了农药的叶面沉积和剂量传递效率。本文结合本课题组近期在高效叶面沉积的功能化农药载体方面的工作，拟在介绍靶标作物特性的基础上，针对叶面黏附官能团、特殊互补结构与尺寸匹配等方面的研究进展进行综述，介绍多种类型的高效叶面沉积功能化农药载体，旨在深入了解其作用规律，为提高农药叶面沉积效率和农药利用率提供新的思路和研究方向。

1 靶标作物叶面特性

在农药施用过程中，作物是非常重要的靶标对象，包括玉米、小麦、水稻等主要粮食作物，以及黄瓜、棉花、苹果等经济作物。了解清楚靶标作物的叶面特性，对调控农药在其表面的沉积与传递至关重要。作物地上部分最显著的特征之一是表皮细胞的外壁覆盖着一层疏水性脂类物质，称为角质层[18]。其作为作物与外界的第一接触面，是由共价连接的角质大分子骨架、多糖和脂质组成的复合结构，主要起到保水抗尘、抵御微生物侵袭等作用[19]。如图1A 所示，通过扫描电子显微镜可以清楚地识别拟南芥叶片横截面中的角质层结构，并观察到表面精细的蜡质晶体。经过分析与归纳，根据角质层中化学组成的差异，作物角质层可以被分为3 层 (图1B)[20]：1) 紧靠表皮细胞外壁，由嵌入纤维素和果胶的角质大分子交联而成的角化层 (cuticular layer)；2) 中间层的多糖含量较低，由蜡质成分沉积在角质大分子中所构成，称为内蜡质层 (intracuticular wax)；3) 最外面一层则完全由薄膜或晶体状蜡质沉积而成，称为表面蜡层 (epiculticular wax film)。表面蜡层赋予了作物叶面独特的宏观性质，其化学成分与微观结构决定着作物叶面的亲疏水性，是影响农药叶面沉积的关键因素。

图1 (A) 拟南芥叶表皮横截面扫描电子显微镜图[20]；(B) 植物角质层主要结构特征示意图[20]；(C～F) 典型靶标作物叶面的宏观与微观图，其中(C, C′)为黄瓜叶片[23]、(D, D′)为玉米叶片、(E, E′)为小麦叶片和(F, F′)为水稻叶片Fig. 1 (A) Scanning electron micrograph image of Arabidopsis leaf epidermis[20]; (B) Schematic diagram of the major structural features of the plant cuticle[20]; (C-F) Macroscopic and microcosmic images of typical target crops: (C, C′)cucumber leaf[23], (D, D′) corn leaf, (E, E′) wheat leaf, and (F, F′) rice leaf

针对不同种类作物的叶面蜡质层，人们发现其化学成分以及性质存在着明显的差异[21]。亲水叶面蜡质层中醇的含量较高，碳链长度较短(C26～C28)；疏水叶片角质层中烷烃占比较高，碳链较长 (C32～C34)。但总体而言，作物叶面蜡质层成分大多包括长链脂肪酸 (C＞18) 和由长链脂肪酸衍生而来的醛、醇、烷、酮、酯以及三萜类化合物与小分子次生代谢物。此外，长链脂肪酸作为蜡质合成的前体物质，是一种最普遍的成分，几乎存在于所有植物的蜡质中[22]。

作物叶表面的微观结构受到表面蜡层和表皮细胞壁发育程度的共同调控，从而出现无定形、网状或多级三维立体的结构类型。一般来讲，较低的叶面蜡质密度利于生成非结晶的无定形表面蜡层，呈现出较为光滑的拓扑结构，如：中等亲水黄瓜叶片 (图1C, C′)[23]、中等疏水玉米叶片(图1D, D′)。随着叶面蜡质密度的升高，表面蜡层开始从光滑的非结晶型向着精细的三维立体结构发生逐步的变化，如：中等疏水小麦叶片 (纳米网状结构，图1E, E′)。水稻叶片进一步将纳米网状晶体蜡层与平行于叶脉、定向排列的乳突结构 (表皮细胞) 进行结合，得到了多级三维立体的独特拓扑结构 (图1F, F′)，最终使靶标水稻叶面变得更加疏水，表现出了难以润湿与沉积的超疏水性[24]。此外，许多作物叶片也具有类似的多级拓扑结构，如西蓝花、玫瑰花、甘蓝叶片等[25-27]，表现出不同程度的超疏水效应。

2 基于作物叶面特性设计的功能化载体

由上述可知，作物叶面的化学成分和微纳结构对农药在其表面的润湿与沉积持留起着非常重要的作用，基于靶标特性设计的功能化农药载体，可以很好地解决农药在叶面沉积的问题，有助于提高剂量传递效率。

考虑到作物叶面的两个典型特征，基于靶标特性功能化农药载体的设计思路主要有2 个：1) 植物叶面含有丰富的高级脂肪酸、醇及其衍生物，如果在农药载体表面修饰可与这些化学成分形成氢键、静电作用、范德华力等非共价键作用的官能团，比如羟基、羧基、氨基等，可以显著增加农药载体与靶标之间的黏附作用，这类载体可以称为具有靶向亲和性的功能化载体；2) 植物叶面的微纳米结构形貌各异，如果可以设计与这些微纳米结构形成良好拓扑效应或阻碍滞留效应的载体，同样可以有效增加农药在作物叶表面的持留，这类载体称为具有靶向拓扑效应的功能化载体。

2.1 具有叶面亲和性的功能化载体

2.1.1 多酚类靶向黏附材料 在自然界中，无脊椎动物贻贝可以通过足丝强劲地吸附在潮湿基底表面，并具有高硬度、高弹性、防水性和自修复的功能。研究表明，贻贝能分泌一种富含3,4-二羟基-L-苯丙氨酸 (又称多巴胺，dopamine) 和赖氨酸的黏附蛋白(MAPs)，其中多巴胺的邻苯二酚基团在足丝的交联、黏附过程中发挥着重要作用[28]。Lee 等最早把多巴胺作为新型涂层材料进行研究，发现多巴胺分子能够在弱碱性 (pH=8.5) 的水溶液环境下氧化自聚合成聚多巴胺 (PDA) 薄膜，并可以通过改变氧气的浓度、反应时间来调控涂层厚度[29]。这样的涂层材料可以很好地吸附在几乎所有材料的表面，表现出普适的黏附性与高反应活性，在生物医学、能源、农业等领域发挥了巨大作用。

基于多巴胺独特的黏附性与易加工性，通过氧化自聚合的方式在农药载体中引入聚多巴胺[30]，可以赋予体系多种功能：1) 聚多巴胺的邻苯二酚基团可以与靶标叶面的高级脂肪醇、酸成分形成分子间氢键，大幅度提高农药的叶面沉积能力；2) 具有光、热、pH 刺激响应的聚多巴胺可以实现农药应用过程中的可控、精确释放[31]；3) 作为一种很好的紫外吸收材料，聚多巴胺可以改善农药对紫外线的抗降解能力[32]。贾鑫等利用多巴胺在弱碱性水相中氧化自聚合的特性，在正丁醇/水乳液的油水界面处引发原位聚合反应，将溶解有阿维菌素的正丁醇包覆在聚多巴胺囊壳内，最终形成了聚多巴胺包覆的阿维菌素微胶囊 (图2)[33]。微囊外壳上的聚多巴胺显著地增加了微胶囊在棉花与玉米靶标叶面上的沉积与抗冲刷能力。同时，该微胶囊的载药量可达66.5%，且兼具pH 与温度的双重刺激响应控制释放能力，可以在碱性和较高温度下短时间释放更多的阿维菌素。此外，该微胶囊还拥有良好的抗紫外降解性与机械稳定性，使其更适用于茎叶喷雾。该工作首次拓展了聚多巴胺作为叶面亲和材料在农药叶面沉积方面的应用。

图2 聚多巴胺包覆阿维菌素微胶囊的形成机理及其茎叶喷雾处理示意图[33]Fig. 2 Schematic diagram of formation mechanism and leaf spray treatment for polydopamine coated abamectin microcapsules[33]

在此基础上，周新华研究团队对聚多巴胺农药载体进行了更深入的探究，在高靶向亲和力与pH 刺激响应性释放的基础上，通过在聚多巴胺的表面进一步引入脲基团来赋予载体酶响应的特性，最终实现利用脲酶对微胶囊壁材的降解来调控活性成分的定向释放从而控制病虫害[34]。修饰后的聚多巴胺微囊表面带正电、粒径为350 nm，其水分散液在靶标黄瓜叶面的接触角低至71.2°，有利于药液在黄瓜叶面上的润湿与铺展。与此同时，修饰后的微囊在模拟雨水冲刷中显现出较强的叶面亲和力。作者认为该微囊不仅可以利用邻苯二酚、异氰酸酯基团与黄瓜叶面的高级脂肪醇、酸形成氢键相互作用，而且可以通过静电作用在叶表面进行黏附，这种多重相互作用提高了其在黄瓜叶面的润湿与持留。曹立冬研究团队以介孔二氧化硅为基底材料，同时利用多巴胺的氧化自聚合与邻苯二酚基团对铜离子的螯合作用，制备了一种铜离子配位聚多巴胺改性的介孔二氧化硅嘧菌酯载体 (图3)。该载体不仅可以在聚多巴胺的参与下显著改善载体水分散液在靶标黄瓜叶面的润湿与沉积性能 (接触角降低了近30°)；螯合的铜离子也可以协同嘧菌酯原药提高载体针对稻瘟病原菌与黄瓜白粉病菌的近10%生物活性[35]。

图3 铜离子配位聚多巴胺改性的介孔二氧化硅纳米载体用于调控农药在靶标叶面的沉积与释放行为[35]Fig. 3 Copper ions chelated mesoporous silica nanoparticles via dopamine chemistry for controlled pesticide release regulated by coordination bonding[35]

此外，除了可以增强叶面黏附作用外，多巴胺修饰的载药体系还可以通过供体-受体相互作用实现载体在害虫体内的靶向传递，从而进一步提高药物的杀虫活性。曹永松研究团队将多巴胺接枝到纳米二氧化硅颗粒表面，开发了一种低基因毒性、高杀虫功效的高效氯氟氰菊酯新型靶向微囊[36]。该新型靶向微囊粒径约800 nm，载药量可达30.6%，兼具pH 和温度响应控制释放的特性。该靶向微胶囊可以作为供体与害虫体内的多巴胺受体发生特异性结合，完成微胶囊的靶向运输。与传统乳油、悬浮剂制剂相比较，该靶向微囊在96 h 后表现出了更好的杀虫活性，并且在很大程度上降低了高效氯氟氰菊酯对非靶标生物的基因毒性。

除最典型的多巴胺外，其他含多个酚羟基结构的化合物也受到了研究者们的广泛关注，在农药领域发挥了重要的作用[37]。单宁酸 (tannic acid,TA)，又名鞣酸，是一种广泛存在于植物体内的多酚类化合物，具有良好的黏附性能与抗菌效果，拥有与多巴胺类似的氧化自聚合及自组装性能，且可以与多种金属离子发生配位作用[38-39]。例如，刘峰研究团队通过三价铁离子与单宁酸之间的配位络合作用制备了功能性吡唑醚菌酯微胶囊，利用单宁酸可以在水中与金属离子紧密结合的特性，抑制吡唑醚菌酯在水环境中的释放，显著提高了载体的环境安全性[40]。在医学领域，研究者们常将单宁酸通过物理混合方式加到聚乙二醇中，利用二者之间的多重氢键作用，制备了一类可以在水性环境下保持良好粘合性的抗菌胶黏剂，兼具有良好的生物降解性与易加工性[41]，为农业领域科研工作者们设计高效叶面沉积的功能化载体提供了新思路。崔海信研究团队通过氢键自组装的方式将单宁酸-聚乙二醇胶黏剂修饰到传统的聚乳酸载药微球表面，分别制备了阿维菌素与嘧菌酯的功能化载体[42]，粒径大小为250 nm，并表现出了较好的抗光解性与长效释放能力。与未修饰单宁酸-聚乙二醇胶黏剂的农药聚乳酸微球相比，大量氢键的引入赋予了功能载体良好的叶面亲和力，在黄瓜叶表面的持留量增加近50%。贾鑫研究团队利用单宁酸的氧化自聚合结合聚醚酰亚胺来修饰碳酸钙微球，开发了一种可以长效释放的叶面气肥[43]。单宁酸的引入赋予了气肥优秀的靶标叶面亲和力，在气孔处发生沉积与持留，最终增强了作物的光合效率。

为了降低多巴胺及单宁酸的应用成本，进一步增加贻贝灵感黏附材料在农业领域的推广与应用，其他一些含多酚基团的化合物也被用于高靶向亲和功能化农药载体的构建。不同于上述氧化自聚合结合共价接枝的方法，崔海信研究团队采用溶剂蒸发结合改性接枝的方法，开发了一种低成本的富邻苯二酚高分子接枝的高靶向亲和功能化阿维菌素载体[44]。如图4A 所示，首先采用溶剂蒸发法制备得到表面富含羧基的阿维菌素苯乙烯-丙烯酸微球 (P(St-MAA)-Av)，随后通过一步酯化反应将富含邻苯二酚官能团的聚乙烯醇接枝在微球的表面，得到粒径为120 nm、载药量为50%、兼具紫外保护与长效释放功能的微球 (P(St-MAA)-Av-Cat)。将修饰前后的阿维菌素微球喷洒到疏水西蓝花叶面与富含糖苷基团的亲水黄瓜叶面后(图4B)，发现接枝邻苯二酚基团的P(St-MAA)-Av-Cat 可以与叶表面上的羟基、羧基发生更强的氢键作用并且可能存在着配位相互作用，进一步的提高了微球的叶面亲和力。最终可以有效降低药液在黄瓜与西蓝花靶标叶面的接触角与雨水冲刷损失。在富含羟基 (糖苷基团) 的亲水黄瓜叶面上阿维菌素的持留量为72.3% (提高34%)，明显高于在强疏水的西蓝花叶面持留量36.5% (提高24%)。

图4 (A) 邻苯二酚-聚乙烯醇接枝的阿维菌素叶面高亲和微球P(St-MAA)-Av-Cat 的合成路线;(B) 模拟雨水冲刷后阿维菌素微球在黄瓜和西蓝花叶面的持留量[44]Fig. 4 (A) Synthesis route of the catechol-g-polyvinyl alcohol grafted avermectin nanoparticles with high foliar affinity;(B) Retention rates of P(St-MAA)-Av, P(St-MAA)-Av-Cat, and commercially available formulations(EW and EC) on the cucumber and broccoli foliage surfaces[44]

木质素是一种由三种单体醇 (芥子醇、松柏醇、对香豆醇) 经酶作用脱氢聚合形成的具有三维网络状结构的无定形天然酚类聚合物，广泛存在于具维管束的羊齿类植物以上的高等植物，是植物细胞壁的主要成分之一。同时，木质素也是植物界中总量仅次于纤维素的第二大生物质材料，其来源甚广且产量巨大，在树木中的含量可以达到20%～40%，禾本科植物中亦有15%～25%，每年全球源于农业残留物的木质素就近2 000 万吨[45]。作为优秀的生物质资源，木质素也是芳香化合物中少有的可生物降解资源[46]，植保工作者们针对其酶解特性也开发了诸多具有刺激响应性的叶面亲和农药载体[47]。王蕾研究团队通过对木质素纳米纤维进行简单地表面改性来制备天然环保的叶面亲和载体，可以在多种相互作用的机制协同下，提高农药的剂量传递效率 (图5)。所制备的阳离子化木质素纳米纤维载体既可以通过调控分散液流变性质来增强液滴在疏水靶标叶表面的沉积，又可以通过静电相互作用增强液滴与靶标作物叶面的黏附力，最终在模拟雨水冲刷测试中，载体的叶面保留率可达80%。此外，木质素更是赋予了纳米载体以紫外保护性，提高了1.5 倍的光敏农药保留率[48]。

图5 软凝聚态聚合物纤维素纳米纤维(CNFs)用于农药递送的循环生物经济概念示意图[48]Fig. 5 Engineered soft condensed matter polymer cellulose nanofibers (CNFs) for pesticide delivery as a circular bioeconomy concept[48]

2.1.2 非多酚类靶向黏附材料 除多酚类化合物外，其他一些可以与靶标叶面产生非共价键作用的多羟基化合物也被用于靶向亲和性功能化载体的构建，尤其是一些天然的多羟基化合物，如纤维素、蛋白、淀粉等。这些天然产物凭借其丰富的来源、独特的结构、良好的生物相容性和生物降解性等优点被广泛应用于农业领域的药物递送系统[49-50]。

赵金浩研究团队将氟虫腈封装在乙二胺交联的羧甲基纤维素 (ACMC) 网络中 (图6)，制备了一种环境安全的高靶向亲和功能化农药载体 (ACMCF)[51]。其中羧甲基纤维素呈棒状晶体，长度约为1 μm，直径为50 nm，交联剂乙二胺的加入使氟虫腈被网络状羧甲基纤维素吸附包裹，最终呈层状的球型载体结构。与传统氟虫腈微胶囊制剂相比，ACMCF在喷洒到疏水花生叶与亲水黄瓜叶面上后，受到载体表面羟基与靶标叶面上的极性基团之间的氢键相互作用影响，ACMCF 降低了约40°的黄瓜、花生叶面接触角，其叶面持留量分别增加0.6 与1.8 倍。此外，ACMCF 可以通过抑制氟虫腈在土壤中的渗透和迁移，以降低其非靶标生物 (蜜蜂与水生生物) 接触风险。

图6 乙二胺交联的羧甲基纤维素功能化氟虫腈载体ACMCF 的制备与作用方式示意图[51]Fig. 6 Schematic illustration of the preparation and action mode for the ethanediamine-linked carboxymethylcellulose fipronil carriers ACMCF[51]

玉米醇溶蛋白 (zein) 是玉米籽粒中的主要贮藏蛋白，分子中含3/4 的亲脂性氨基酸与1/4 的亲水性氨基酸，具有两亲性，可以在一定的溶剂、pH 条件下发生自组装而形成微纳米颗粒，常作为载体或涂层材料在食品、医药、化妆品、农业领域有着广泛的应用[52]。但是在应用过程中，人们发现由于过强的疏水性，zein 的组装体颗粒粒径大，不利于在水溶液中长期分散，限制了其润湿性与黏附能力。周新华等选用三聚磷酸钠对zein进行亲水化改性，得到磷酸化的玉米醇溶蛋白[53]。该改性蛋白在疏水作用下，可以自组装形成疏水内核，并将阿维菌素包裹在其中，得到功能化农药载体 (图7A)。将载体分散液喷洒在靶标黄瓜叶表面上，药液润湿性得到显著提高，接触角下降36°；与此同时，由于改性蛋白的包封改善了载体的黏附性，模拟雨水冲刷后的载体持留量仍可以达到39.1%，高于传统制剂的33.5%。此外，在碱性条件下，由于载体表面的磷酸基团去质子化，产生更强的静电排斥力而拥有更好的稳定性，最终限制了阿维菌素从载体内核的溢出，释放速率较酸性环境下降低。

图7 (A) 磷酸化玉米醇溶蛋白包裹阿维菌素示意图[53]；(B) 静电自组装制备阿维菌素功能化载体示意图[54]Fig. 7 (A) Illustration of abamectin encapsulated in phosphorylated zein[53]; (B) Schematic illustration of the preparation for abamectin-loaded carriers through electrostatic self-assembly[54]

为了进一步提高上述载体的靶标叶面润湿与黏附性能，周新华课题组对磷酸改性蛋白进行了进一步的修饰。采用共聚的方法在羧甲基纤维素钠上接枝了阳离子功能单体二烯丙基二甲基氯化铵，以此来调控与磷酸改性蛋白之间的静电相互作用 (图7B)，最终通过静电自组装完成了阿维菌素功能化载体构建[54]。与未修饰的磷酸改性蛋白相比，修饰后的载体通过引入羟基来与靶标叶面的高级脂肪酸之间形成氢键，增强了与靶标黄瓜叶面的亲和力，表现出更好的润湿性，靶标叶面持留量增加到62%，最终提高了阿维菌素对小菜蛾的防治效果。

淀粉也是一种由多个葡萄糖单元通过糖苷键连接形成的高分子长链化合物，具备许多与纤维素类似的优点。而在实际应用过程中发现，天然淀粉中大量的分子内氢键与内部稳定的晶体结构使淀粉颗粒不溶于水，在室温水中只发生轻微的可逆溶胀，并且天然淀粉糊在酸、热、剪切作用下不稳定、包膜耐药性差，这些极大地限制了淀粉的应用[55]。近年来，人们根据淀粉的结构及理化性质对其进行改性，改善其溶解性能，为淀粉在载药体系中的应用拓宽了思路[56]。吴正岩研究团队采用共沉淀的方法，利用可溶性淀粉、碳酸钙与农药分子之间的静电力及氢键作用，实现了载体的异质成核与农药负载，制备得到了粒径为2 μm的扑草净 (一种水旱地两用的选择性内吸型三嗪类除草剂) 淀粉-多孔碳酸钙功能化载体[57]。与传统的扑草净制剂相比，该载体不仅拥有缓释性所带来的长持效期，多羟基高分子可溶性淀粉也可以通过与靶标表面高级脂肪醇、酸之间的氢键相互作用，很好地调控了载体的靶标亲和力，提高了其在杂草狗牙根叶面、种皮与根上的持留能力，从而具有更高的除草剂利用效率与对杂草的控制能力。此外，不仅可以与靶标作物相结合，在氢键作用下载体也可以很好的与土壤颗粒进行结合，显著降低因溶淋损失所带来的扑草净水体污染。

除上述提到的天然高分子外，其他一些加工性好、粘弹性高、刺激响应性的高分子也被用于高靶向亲和力农药功能化载体的构建。李建洪课题组在该领域开展了系列研究，他们以空心介孔二氧化硅微球作为基底，将刺激响应性、高靶向亲和力聚合物通过化学修饰的方法接枝到二氧化硅表面，构建了多种具有刺激响应释放的叶面沉积功能化载体[58-60]。最早，他们选取具有良好温度及pH 响应的聚二丙酮丙烯酰胺作为功能基团修饰到二氧化硅表面，制备了有机/无机杂化的溴氰虫酰胺 (第二代鱼尼丁受体抑制剂、新型酰胺类杀虫剂) 功能化载体[58]。该载体的载药量为50%，持效期可达到25 d，并且在低pH 条件下加速释放。功能基团的引入增强载体与水稻叶面的亲和力，有效提高了功能载体在水稻叶面的抗雨水冲刷能力，进而显著地增加了溴氰虫酰胺的剂量传输效率与防治效果。在连续9 次模拟雨水冲刷后，未修饰的载体持留量仅为2%，而功能化载体的叶面持留量高达85%。此外，与未修饰的二氧化硅微球相比，该载体表现出更好的紫外线与高温的耐受性，24 h 的紫外光照射下分解率仅为19.4%，60 ℃下贮藏60 d 后分解率仅有6%。

随后，该课题组选用pH 响应性高分子聚甲基丙烯酸缩水甘油酯-丙烯酸共聚物 (P(GMA-AA))对二氧化硅进行修饰，并对阿维菌素进行负载，最终得到了具有190 nm 粒径、33%载药量、优异光热稳定性的阿维菌素功能化载体 (图8)[59]。相比于未修饰的二氧化硅，该载体在靶标水稻叶面有着更低接触角与更高叶面黏附力，表现出更好的润湿与黏附性，显著增加了阿维菌素在水稻叶面上的持留与持效期 (28 d)。在模拟雨水冲刷后，载体的靶标叶面持留量仍可以保持在40%。同时，该载体表现出酸性环境下缓慢释放、碱性条件下快速释放的pH 刺激响应性释放行为 (可以在稻纵卷叶幼虫的碱性中肠处完成定向释放)，拥有更好的对稻纵卷叶幼虫防治效果。

图8 聚甲基丙烯酸缩水甘油酯-丙烯酸共聚物修饰的二氧化硅阿维菌素功能化农药载体的制备与杀虫机理示意图[59]Fig. 8 Schematic illustration of the preparation and insecticidal mechanism for the poly (glycidyl methacrylate-co-acrylic acid) grafted mesoporous silica abamectin carriers[59]

最近，该课题组通过种子沉淀聚合的方法在二氧化硅表面修饰了热敏性高分子甲基丙烯酸接枝的聚异丙基丙烯酰胺，制备了噻虫嗪 (第二代烟碱类高效低毒内吸型杀虫剂) 功能化载体[60]。该载体显示出了对水稻靶标叶面的更强的润湿性与亲和力，模拟降雨冲刷后在水稻叶面持留量达到了49%。同时，热敏性高分子的引入，赋予了体系温度刺激响应性释放性能，载体在34 ℃下表现出较28 ℃下2 倍的释放速率 (可以通过附着害虫后引起温度的变化，而加快载体的释放)，对褐飞虱的防治效果有所提高。

除上述刺激响应性高分子外，一些具有独特结构的高分子也逐步应用于开发高效叶面沉积的功能化农药载体构建，如聚乳酸、星型嵌段聚合物等[61-62]。崔海信研究团队为了探究功能化载体与靶标叶面的作用方式，采用溶剂挥发法将不同端基的聚乳酸与聚乙烯醇进行混合，制备了3 种表面分别富含羟基、羧基与氨基的叶面沉积功能化阿维菌素载体 (图9)[61]。这些载体的平均粒径为450 nm，载药量为50%，并拥有良好的紫外光保护性，紫外光照射38 h 后分解率小于5%。通过对比3 种掺杂不同官能团的聚乙烯醇-聚乳酸载体，作者认为：表面仅富含羟基的载体CH3COPLA-NS 可以在氢键作用下与靶标黄瓜叶面相互作用，最终达到42%的平均靶标叶面持留量；而在羟基的基础上进一步引入羧基后 (HOOC-PLANS)，发现由于叶表面自身的负电性会与微球的羧基发生静电排斥，因此HOOC-PLA-NS 的平均靶标叶面持留量不如CH3CO-PLA-NS，仅能达到35.5%；而与引入羧基不同的是，作者通过在聚乳酸端基上引入带正电的氨基制备了H2N-PLA-NS，而且叶表面少量的高级脂肪酸醛可以与氨基反应生成席夫碱，故在氢键、静电、共价相互作用的协同下，H2N-PLA-NS 可以显著地提高与黄瓜靶标叶面之间的亲和力，平均靶标叶面持留量可达到59.5%。

图9 三种不同官能团修饰的阿维菌素载体与黄瓜叶面之间的相互作用示意图[61]Fig. 9 Schematic illustration of the interactions between three functional group modified abamectin carriers and the cucumber foliage[61]

星形聚合物是指多个线型支链通过化学键连接到同一个中心支点上的共聚物[62]，与相同分子质量的线性聚合物相比，熔融流动性与加工性更好，且在溶液中的动态尺寸更小、机械性能更强、溶液黏度更低。归因于其独特的“放射性”结构，星形聚合物易于在溶液中发生自组装成具有独特性质的三维结构，并可以通过氢键或共价键与药物分子结合，是药物递送的理想载体[63-64]。沈杰研究团队设计合成了一种星形聚阳离子 (SPc)，将其作为功能载体材料用于对农药的负载[65]。在氢键和疏水作用下，该SPc 可以与苦参碱 (一种天然植物源广谱杀虫剂) 相结合，自组装形成内核疏水、表面亲水的功能化纳米颗粒，粒径为10 nm，载药量37.7%。该纳米颗粒制备简易并且在拥有良好环境降解性的同时，表现出叶面标昆虫表皮很强的持留与渗透性，最终提高了苦参碱对蚜虫、西花蓟马的防治效果与持效期。有关于载体颗粒与靶标表面进行结合的机理尚不明确，作者认为SPc 可以在与靶标害虫表皮发生相互作用完成持留后，进一步穿透害虫表皮将苦参碱带入皮下活细胞，提高苦参碱在靶标害虫上的持留与作用。

综上所述，研究者们根据有害生物的发生规律、作用特点及环境条件，并结合不同靶标表面独特的化学成分，设计与合成了多种高效、安全、经济的高靶向亲和的功能化农药载体。这些高靶向亲和的功能化农药载体可以同时调控农药分子与载体材料、载体材料与靶标之间的相互作用，在提高功能化农药载体在靶标表面的沉积与持留的同时，也赋予了载体以多种功能使其可以更好地在实际生产中发挥作用，如：热、pH、酶刺激响应性释放，抗紫外光降解，抗溶淋，高机械强度等。其中，最常见的被应用于高亲和材料与靶标表面之间的相互作用力为分子间的氢键作用，典型的代表为酚类与糖类的多羟基化合物，可以利用氢键与靶标叶面上的高级脂肪醇、酸以及糖苷键进行结合；其次为静电相互作用力，归因于大多数靶标生物均为带电体，湿润下的作物叶表面为负电，所以通过正电高分子来调控功能化载体的表面电位也是一种十分有效的调控农药持留的方式；最后是动态共价作用，靶标叶面上的高级脂肪酸拥有与载体上伯胺基团发生缩合反应生成席夫碱键结合的潜质，常被应用于与其他相互作用力进行协同来提高靶向亲和力。

2.2 具有靶向拓扑效应的功能化载体

2.2.1 阻碍滞留效应 药液在靶标表面的沉积和传递效率，不仅跟靶标表面化学成分密切相关，还受到靶标表面微纳米结构的影响。因此，除了上述基于靶标成分设计的具有亲和性的功能化农药载体外，利用靶标表面的微纳米结构，构建与其形成拓扑效应的农药载体是增加农药叶面沉积的另一种行之有效的策略。

秸秆灰 (BCS) 是生物质燃料充分燃烧的产物，主要成分为无机的灰分元素、生物质碳、生物质硅，呈粉末状并具有多孔结构[66-67]。吴正岩研究团队通过在传统农药中添加粒径为10 μm 的秸秆灰对农药分子进行吸附，利用其与植物叶面微纳米结构间的阻碍滞留效应，开发了一种抗流失、抗雨水冲刷的功能化农药[68]。疏水靶标红桎木叶面上不仅拥有许多星形的绒毛 (图10A)，并且表面密集排布着无序纳米棒状的蜡质结构 (图10B)；吸附了毒死蜱的秸秆灰复合物 (BCS-CPF，图10C)可以通过表面多孔的粗糙结构在靶标红桎木叶面结构上发生阻碍滞留效应 (图10D)，表现出很强的附着。在随后对BCS-CPF 的抗雨水冲刷与挥发损失测试中，作者发现随着BCS 加入浓度的升高，挥发与冲刷后的毒死蜱的持留量明显升高，当BCS 的添加量达到10 g/L 时，毒死蜱的抗雨水冲刷能力上升了24%、抗挥发能力提高了1 倍。可见，BCS-CPF 与红桎木叶表面的阻碍滞留效应可以很好地控制农药的抗雨水冲刷与挥发流失，秸秆灰的添加可以有效地改善农药的叶面沉积效率。

图10 (A, B) 红桎木叶面微观结构图[68]；(C) 毒死蜱-秸秆灰复合物扫描电子显微镜图[68]；(D) 毒死蜱-秸秆灰复合物沉积红桎木叶表面的扫描电子显微镜图[68]；(E) 毒死蜱-凹凸棒土复合物LCC 的制备过程及其在花生叶表面的黏附示意图[69]Fig. 10 (A, B) The microstructures of red flowered loropetalum leaf[68]; (C) SEM image of the BCS-CPF[68]; (D) SEM image of the retention of BCS-CPF on the red flowered loropetalum leaf surface[68]; (E) Schematic diagram of the preparation of loss control chlorpyrifos (LCC) and its adhesion on peanut leaves[69]

随后，吴正岩课题组发现，经过高能电子束轰击改性分散的凹凸棒土(attapulgite)作为无机环境友好型材料也可以与靶标叶面的微纳米结构相匹配，通过阻碍滞留效应提高农药的叶面沉积与抗雨水冲刷[69-71]。凹凸棒土又称坡缕石，是一种具有链层状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物，呈针状、纤维状或纤维集合状[72]，常用于涂层材料、吸附剂与脱色剂[73]。经过高能电子束轰击改性的凹凸棒土呈针状结构，具有良好的表面粗糙度与更大的比表面积。吴正岩研究团队将改性后的凹凸棒土(HIA)作为功能化材料引入到传统农药毒死蜱中，制备了一种高附着、低流失的改性凹凸棒土-毒死蜱复合物LCC (图10E)[69]。高能电子的轰击可以使原本团簇在一起的凹凸棒土纳米簇进行分散、弯曲，最终交联成新的三维网络结构，拥有更大的比表面积与更多的裸露羟基，更利于毒死蜱在改性凹凸棒土的表面进行吸附。复合物喷洒到靶标花生叶面后，其中三维网络状的凹凸棒土可以与花生叶的纳米碎片结构发生阻碍滞留效应，将吸附在其表面的毒死蜱牢牢固定在花生叶面上，从而显著改善毒死蜱在靶标叶面上的沉积与抗冲刷能力。作者发现，复合物在花生叶面的附着力随所使用的高能电子束通量的增大而显著提高，40 kGy 通量下制备的复合物较毒死蜱悬浮液在花生叶面的沉积量提高了近50%，在模拟雨水冲刷后，持留量仍可以达到65%。此外，复合物还可以控制毒死蜱在土壤中的迁移，将更多的未能在靶标表面有效沉积的毒死蜱保留在土壤表层发生光解或生物降解，与悬浮制剂相比，可以降低15%的溶淋损失。

在此基础上，该课题组对改性后的凹凸棒土进行了更深一步的探究，将改性凹凸棒土的高效叶面沉积能力与表面羧基化微晶纤维素的刺激响应性相结合，通过络合与氢键相互作用制备了一种pH 响应释放的叶面铁肥[70]。其中，微晶纤维素既可以利用表面氧化形成的羧基与Fe2+离子发生络合作用将Fe2+离子吸附、固定在纤维表面，又可以利用自身羟基与凹凸棒土表面裸露的羟基发生氢键作用而将凹凸棒土紧密的吸附在表面。当铁肥处在酸性环境中，螯合的Fe2+离子发生分离的同时，凹凸棒土包覆层也变得疏松，促进了Fe2+离子的释放。与此同时，由于凹凸棒土与靶标叶面发生的阻碍滞留效应，茎叶施药后该铁肥在玉米叶面的沉积量和抗雨水冲刷能力均明显的高于传统铁肥与单纯的微晶纤维素铁肥。随后，作者在实际应用过程中发现改性凹凸棒土的分散性仍有所不足，尝试着利用氢键相互作用将秸秆灰与其掺杂，利用秸秆灰的负电性与空间位阻来进一步改善凹凸棒土的分散性，最终制备了一种复合叶面氮肥[71]。结果发现，复合体系多样的拓扑结构可以与花生叶面的纳米碎片状的蜡质相互缠结，表现出更好的黏附性，最终在花生叶面相比施用传统氮肥提高了近一倍的沉积量。虽然该研究团队并未将以上两种复合体系应用到农药载体中，但相信其叶面沉积效果应该是一致的。

2.2.2 拓扑互补效应 不同于上述利用载体材料与靶标微纳米结构间的阻碍滞留效应，本课题组提出能否针对靶标表面独特的微纳米结构，制备与之形貌匹配互补的功能化农药载体，以改善农药在作物叶面的持留与沉积。基于该设计思路，最近我们采用乳液界面聚合的方法，成功设计与合成了一系列的帽子形农药Janus 功能化载体[74]。这些载体都拥有一个直径为1.5～2.0 μm、深度为0.7～1.0 μm 的内凹，尺寸恰好与靶标作物叶面乳突 (直径1.5～2.5 μm) 相匹配，从而可以通过“帽子-挂钩”拓扑诱导效应 ("hanger-hat" effect) 来增加农药在靶标叶面的沉积 (图11)。当把帽子形载体喷洒在靶标水稻、小麦作物叶面时，载体可以很好的嵌入叶面乳突或纳米结构中完成更好的持留。与相同粒径的圆形农药微球相比，该载体不仅拥有更好的叶面分散性，而且增加了1.8 倍的靶标叶面沉积量与3.3 倍的模拟雨水冲刷持留量。此外，经过对4 种常用杀菌剂苯醚甲环唑、咪鲜胺、吡唑醚菌酯、戊唑醇及其复配产物的负载试验，发现该策略对不含有双键基团的杀虫剂、杀菌剂、叶面肥及植物生长调节剂等均有着良好的包封普适性。

图11 “挂钩-帽子”拓扑诱导效应用于调控帽子形农药功能化载体(HJCs)与靶标叶面微纳米结构相互作用示意图[74]Fig. 11 Schematic of the hanger-hat topology regulation between pesticide-loaded hat-shape carriers (HJCs) and target leaf micro/nano-structures[74]

随后，结合上述修饰靶标亲和力基团的策略，我们希望可以开发一种将非共价键作用与拓扑诱导效应合二为一的功能化载体，来进一步增加农药的叶面沉积与抗冲刷能力 (图12)。基于此，我们将富含邻苯二酚基团的高黏性聚合物通过酯化反应接枝到微球表面，合成了一系列高亲和官能团修饰的帽子形农药功能化载体[75]。该载体喷洒到靶标水稻和小麦叶表面后，由于微球表面邻苯二酚基团与叶蜡质高级脂肪醇、酸之间的非共价相互作用，以及作为“帽子”的微球与作为“挂钩”的叶面微纳米结构之间的拓扑诱导效应，功能化载体在水稻和小麦叶面的黏附、沉积与抗雨水冲刷能力显著提高。经过测试表明，靶标叶面黏附力、沉积量、抗雨水冲刷分别提高了31%、46%、41%，并具备更好的叶面分散性。该工作首次将拓扑诱导效应与靶向高亲和改性进行结合，为进一步提高农药的剂量传递效率提供了新的思路。

图12 复合功能化农药载体与靶标作物叶面间的多重相互作用示意图[75]Fig. 12 Schematic of pesticide-loaded Cat-HSCs formation and retention mechanism on plant leaves[75]

3 结论与展望

发展环境友好型农药、提高农药剂量传递效率、减施增效成为了农业绿色发展的重点。目前，化学农药给药与防治需求之间仍存在不匹配的现象，农药在靶标表面的沉积量与有害生物防控需求之间存在着剂量差，不仅造成了人力物力的大量浪费，而且对生态环境和人类健康造成严重的威胁。近年来，多种功能化农药载体的出现可以在一定程度上有效解决上述问题 (图13)。这些功能化载体不仅可以通过调控农药分子与载体材料的作用，赋予载体以多种功能使其可以更好地按照有害生物防控剂量需求实现精准释放，而且可以调节载体材料与靶标表面之间化学成分亲和或微纳结构匹配，来提高农药在靶标表面上的沉积与持留，是提高农药有效性与安全性的重要途径。

图13 高效叶面沉积的功能化农药递送体系汇总示意图Fig. 13 Schematic of functionalized carriers in improving the pesticide retention on crop leaves

目前，虽然高效叶面沉积的功能化载体方面的研究已取得一定的成果，拥有良好的应用前景，但仍不够全面与深入，尚存在一些需要解决的科学问题及关键技术，进一步提高叶面沉积能力、环境安全性、田间防效仍是未来功能化农药制剂的重要研究方向。后续的研究可以从以下几个方面展开：

1) 加强叶面沉积能力：通过对靶标作物叶面特性的深入研究，开发新的相互作用力或对现有技术进行完善，进一步提高功能化制剂的叶面沉积能力，实现对农药在作物叶面持留的有效调控，满足更高的现代化农业需求。

2) 载体材料的生物相容性：传统农药制剂的生物毒性和降解速率只与活性成分的浓度相关，而功能化制剂则还需考虑载体材料的生物相容性、可降解性、降解产物无毒等，部分高靶向亲和的功能材料具有土壤微生物毒性并且在降解方面存在风险。

3) 加工工艺优化：现有的绝大部分报道的功能化制剂均是在实验室进行加工与检测，其加工工艺较为复杂、生产规模受限、材料成本昂贵，尤其是对一些需要进行表面化学修饰的材料。为此，在功能化制剂的设计与开发的过程中，就对制剂加工的成本与规模进行考虑和优化就非常重要。

4) 结合智能靶标识别释放：现有大部分高效叶面沉积的功能化农药制剂体系的释放仍依赖于载体材料的溶胀或降解，持效期虽长但是难以与有害生物防控剂量需求相吻合。为此，继续对制剂的外界刺激响应性进行开发，同时实现农药的高效叶面沉积和智能精准释放，进一步提高剂量传递效率，降低环境毒性与残留风险。

综上，功能化载体的高效叶面沉积能力仍需要进一步的加强，结合靶标表面特性开发来新的相互作用力或对现有技术进行完善，以实现对农药沉积、持留过程的有效调控。深入了解与开发高效叶面沉积的功能化农药载体并进一步的应用到实际农业生产中，为提高农药的剂量传递效率提供新的思路和研究方向。

谨以此文庆贺中国农业大学农药学学科成立70 周年。

Dedicated to the 70th Anniversary of Pesticide Science in China Agricultural University.

作者简介：

赵克非，男，浙江大学高分子科学与工程学系博士后研究员。2017 年7 月获北京理工大学理学学士学位，2022 年7 月获中国农业大学理学博士学位，师从杜凤沛教授，主要从事复合高分子材料、动态共价键以及天然多糖水凝胶的制备及其在功能化农药制剂方面的应用研究工作。博士在读期间，参与发表SCI 论文10 篇，其中以第一作者身份发表SCI 核心期刊论文2 篇，影响因子总和24.2，授权国家发明专利2 项。

高玉霞，女，中国农业大学应用化学系高级实验师。2017年获清华大学理学博士学位，同年进入中国农业大学工作至今。主要从事高效绿色农药助剂和功能化农药递送体系的设计、制备及应用研究，先后主持国家自然科学基金青年基金、中国农业大学专项资金、国家重点实验室开放课题等多个项目。近年来，以第一和通讯作者在Chem. Eng. J.,ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Sustainable Chem. Eng.等期刊发表SCI 论文20 余篇，累计影响因子超过100，并获得授权专利2 项。

杜凤沛，男，中国农业大学应用化学系教授，博士生导师。1999 年7 月获南开大学物理化学博士学位，同年进入中国农业大学工作至今，现任理学院副院长、化学实验教学中心主任，兼任教育部大学化学教学指导委员会委员，中国化学会农业化学专业委员会委员，中国农药工业协会农药制剂专家委员会委员、标准化委员会委员、中国农药应用与发展协会农药制剂与助剂专业委员会副主任委员、《农药学学报》《现代农药》常务编委、《大学化学》编委等社会职务。主要从事绿色农药制剂、绿色功能助剂及化学农药减施增效方面研究，通过胶体与界面化学和农药学的交叉与融合，为提高农药利用率及实现病虫草害绿色防控提供新理论、新方法、新产品。近五年主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等科研项目20 余项，主持教育部、北京市等教学研究项目3 项。已发表学术论文120 篇，授权国家发明专利12 项，5 项国家发明专利实现成果转化，主编国家级规划教材2 部，以主要完成人获省部级及以上教学、科研成果奖励10 项。