树枝状和超支化聚合物在农用化学品中的应用

李武松，刘聪聪，毕研刚，谭 志，王战涛，贾欣茹

1.威海晨源分子新材料有限公司，山东 威海 264211

2.北京大学化学与分子工程学院，高分子化学与物理教育部重点实验室，北京 100871

在农业生产中，使用杀虫剂、除草剂、杀菌剂等农用化学品是提高农作物产量的重要技术手段。其中最常用的杀虫剂有新烟碱类、邻酰胺基苯甲酰胺类、氨基甲酸酯类、除虫菊酯类、有机氯类以及有机磷酸酯(OP)等。然而，残留在土壤中和农作物上的农药会污染环境、破坏生态系统、危害有益于环境的有机生物、影响人体健康[1]。据世界卫生组织统计，每年约有300万人次农药中毒事件，甚至有因OP等杀虫剂中毒而死亡的事件报道[2]。鉴于此，开发新型绿色农药、研究控制和减少农药的毒副作用是农用化学品研究领域亟待解决的课题。

树枝状分子结构精确可控、纳米尺寸、分散度低，具有内部空穴和易于修饰的众多外端基团[3，4]。研究表明，树枝状分子可通过外端官能团共价链接药物分子或通过内部空穴包埋药物分子[5]，例如树枝状分子可作为有效的纳米载体包封氨甲喋呤(MTX)、紫杉醇、阿霉素(DOX)、5-氟二氧嘧啶(5-FU)和喜树碱等抗癌药物以增强药效[6，7]。近年来，树枝状分子、超支化聚合物已成为农药载体和农药检测的新型材料并显示出良好的应用前景，但相关研究仍处于研发或试用阶段[8，9]。与传统农药相比，树枝状、超支化聚合物应用于杀虫剂、除草剂、杀菌剂等农用化学品具有以下优点：（1）增加农药活性成分的溶解性，降低药剂使用量；（2）提高农药在植物表面的附着力，通过增加农药滞留量和延长滞留时间；（3）提高农药在土壤中的渗透能力；（4）控制农药释放速度，使农药缓释长效；（5）提高农药耐雨水冲刷能力、耐候性和活性成分的稳定性。本文从以下三个方面对树枝状、超支化聚合物在农用化学品领域中的应用进行了总结：①树枝状、超支化聚合物对农药的纳米封装与可控释放；②树枝状聚合物对农药的解毒作用；③树枝状、超支化聚合物在残留农药分析中的应用。

1 树枝状、超支化聚合物对农药的纳米封装与可控释放

在树枝状、超支化聚合物分子中封装农药、杀虫剂或任何其它活性成分，是提高农药分散性和润湿性、实现农药可控释放的新技术。封装是指在小规模范围内，将一种物质用另外一种材料包裹或包封形成胶囊的过程。一般而言，所得到的胶囊尺寸范围从小于1µm到几百µm不等，其目的在于保护材料免受外界环境的影响。被封装的材料通过胶囊壁而逐渐释放的过程，称为可控释放或扩散。此外，在外部条件刺激下，胶囊壁破裂、熔融、溶解也可释放出被封装的材料[10]。被封装的农药随时间可控缓释会减少其使用量，避免由于沥滤、蒸发和降解而带来的失效以及由此引起的重复使用。在纳米农药配方中使用树枝状、超支化聚合物可更好的控制农药的释放、蒸发、渗透、投递速率、延长化学农药的有效期，使活性成分能以指定的速率和时间提供给目标物。该技术将有效降低杀虫剂等农药对人体健康和生态环境的危害，在农业生产中具有广阔的应用前景[11]。

1.1 树枝状和超支化聚合物对杀虫剂的纳米封装与可控释放

噻虫嗪(TMO)是新烟碱类低毒高效杀虫剂，对各种蚜虫、叶蝉、飞虱、粉虱等刺吸式害虫有特效。它在丙酮等有机溶剂中溶解性较高，在水中溶解性相对较低（4.1 g/L）。因此，通过树枝状或超支化聚合物对噻虫嗪进行封装可提高其在水中的溶解度，有利于其推广应用。Jie Shen等[12]采用水溶性阳离子树枝状分子作为疏水性噻虫嗪的载体，制备了纳米封装噻虫嗪（图1）。研究发现，该方法明显增加了噻虫嗪在水中的溶解度，1代、2代、3代（G1，G2，G3）树枝状分子的平均尺寸提高到166～178 nm。测试结果说明，单独使用该杀虫剂对棉铃虫细胞的毒性较低，而用含有0.5 μM噻虫嗪的载体/杀虫剂复合物，对所培养细胞的细胞毒性明显增强。他们用棉铃虫幼虫做了半体内实验，发现G2可进入所有实验用幼虫细胞，还可通过一龄幼虫的围食膜进入幼虫的肠细胞。用该G2/杀虫剂复合物喂食的幼虫，第2 d，死亡率就达50%，第3 d和第4 d分别提高到66.7%，88.3%，第5 d超过了90%。而用水/杀虫剂喂食，棉铃虫幼虫的死亡率在5 d时仍低于20%。这是因为在通常条件下，噻虫嗪在水中溶解度低，不具有杀伤棉铃虫的能力，通过树枝状分子G2介导的细胞内化作用，增加了噻虫嗪在水中的溶解度，增强了其杀虫效果。

图1(A) G2载体与噻虫嗪的相互作用图示；(B)G2/TMO喂食的幼虫死亡率高于H2O/TMO；(C) 喂食G2/TMO的幼虫在5 d内的死亡率＞90%；(D)G2/TMO复合物抑制幼虫的生长[12]Fig.1(A) Interaction between G2 carrier and thiamethoxam(TMO);(B)Larvae mortality of G2/TMO-fed was higher than that of H2O/TMO;(C) Mortality rate of larvae fed with G2/TMO was more than 90% within 5 days (D)G2/TMO complex inhibits larvae growth[12]

Mohsen Adeli 等[13]以聚柠檬酸（PCA）和聚乙二醇（PEG）为原料合成了ABA 型三嵌段的线形-树状共聚物（PCA-PEG-PCA）。作者经超分子自组装作用封装茚虫威（IND），通过调节TiO2的用量制备了两种具有光降解性和生物相容性的纳米茚虫威，分别称为nano-IND 和nano-IND/TiO2。TEM 观察发现，nano-IND 的平均尺寸为10 nm，加入TiO2后，nano-IND/TiO2的平均尺寸增加到12 nm。此外，nano-IND 和nano-IND/TiO2中IND 的降解速率在UV 光和日光下都高于游离IND/TiO2体系。生物模型实验结果显示，用nano-IND 和nano-IND/TiO2控制病虫害，所需杀虫剂的用量均显著降低。由于高封装量和缓慢的释放速率，nano-IND 是一个有应用前景和环境友好的杀虫剂体系。

吡虫啉是第一代烟碱类接触性杀虫剂，对害虫活性高，对人体的毒性小。Mohsen Adeli 等[14]在不同溶剂中，通过共聚物的自组装将吡虫啉直接封装于PCA-PEG-PCA 三嵌段的线形-树枝状共聚物中，制备了纳米吡虫啉。他们发现，第一天自组装体的平均尺寸为10～20 nm。由于选取的溶剂、封装时间和药物浓度等不同，纳米吡虫啉的形貌由纤维状变化为球状再变化为管状，尺寸由10 nm 增加到几mm。在单主寄生的桑树害虫的肠中，可观察到吡虫啉从高负载的纳米吡虫啉中缓慢释放，其最佳释放条件为pH=10（图2）。这表明纳米吡虫啉具有选择性和可控释放性质，生物实验结果说明，使用纳米吡虫啉，农药的基本用量和对环境污染的风险都显著降低。

图2a) 茚虫威在pH=7，10条件下从nano-IND和nano-IND/TiO2中的累计释放量[13]；b)吡虫啉在不同pH条件下的释放曲线[14]Fig.2a) Cumulative release of indoxacarb from nano-IND and nano-IND/ TiO2at pH=7,10[13];b) Release curve of imidacloprid under different pH[14]

1.2 多臂碳纳米管-超支化聚合物对杀菌剂的纳米封装与可控释放

自上世纪四十年代面世后，代森锰和代森锌广泛用于保护许多水果、蔬菜、干果和农作物免受大范围真菌的侵害。Nahid Sarlak等人[15]将超支化柠檬酸聚合接枝于氧化多臂碳纳米管表面，得到了含多臂碳纳米管（MWCNT）的杂化材料MWCNT-g-PCA。他们在水溶液中将代森锰和代森锌分别封装在MWCNT-g-PCA的超支化聚柠檬酸壳层内（图3）。试验结果发现，封装代森锰和代森锌的最佳pH值分别是3和8，完全封装所需搅拌时间分别是35和80 min。此外，与游离代森锌比较，封装代森锌的纳米粒子对链格孢菌病具有非常好的杀菌效果，10 d可达最高杀菌效率。这说明，通过调节pH和搅拌时间等因素，纳米封装农药对特定真菌具有更好的药效。

图3 封装代森锰锌和代森锌的MWCNT-g-PCA的合成[15]Fig.3 Synthesis of MW CNT-g-PCA for encapsulation of mancozeb and zineb[15]

1.3 树枝状、超支化聚合物对植物激素和植物源杀虫剂的纳米封装与可控释放

植物韧皮部是一种转运光合成产物和营养物质的管状组织，其pH（8.0～8.5）高于周围植物组织。利用该特点，设计新型的靶向农药及杀虫剂，使其有效的投递于植物韧皮部可极大的提高农药的使用效率，同时降低农药和营养物质的使用量。Zhenli He与Brent S.Sumerlin等[16]通过α-氨基酸-N-羧基环内酸酐（NCA）的开环聚合，制备了两亲性星形聚多肽。经除去保护基团、后续聚合物修饰和部分天冬氨酸基团的关环反应等步骤，得到了分子量可控的基于聚丁二酰亚胺（PSI）的共聚物。该两性星形聚合物可自组装形成聚集体而封装植物激素萘乙酸（NAA）。与植物韧皮部的环境相似，在pH升高时，经封装的NAA可被快速释放并发挥作用。研究结果说明，所合成聚合物对植物组织毒性不大。与目前所使用的低效率肥料和杀虫剂比较，该类位点专一的投递体系将惠及现代农业生产并降低了环境污染的风险。

图4 树枝状分子对用鱼藤酮处理的细胞的保护作用的可能机理[17]Fig.4 Possible mechanisms for the protective effects of dendritic molecules on cells treated with rotenone [17]

鱼藤酮是从植物根部得到的异黄酮，属于豆科家族（毛鱼藤或鱼藤酮），多年来广泛用于杀虫剂、农药及生物水的维持剂。但鱼藤酮会干扰生物体内线粒体中的电子转移链，增加了其患帕金森氏症的风险。Katarzyna Milowska等[17]研究了PAMAM、磷、紫罗碱-磷等结构的树枝状分子防止鱼藤酮对胚胎小鼠mHippoE-18造成损伤的性质（图4）。作者对细胞活性、活性氧产生、线粒体横跨膜电势变化等进行了分析。mHippoE-18细胞用0.1 μM的树枝状分子进行处理。用树枝状分子孵育1小时后，加入1 μM的鱼藤酮样品继续孵育24 h。研究发现，含有树枝状分子的体系，细胞活性提高，ROS的产生受到抑制，线粒体的功能得以保护。这可能是由于树枝状分子的包封作用及其与表面基团的氢键或π-π相互作用（这取决于树枝状分子的代数和结构性质），使mHippoE-18细胞中的鱼藤酮含量减少，提高了其对mHippoE-18细胞神经的保护作用。

1.4 树枝状、超支化聚合物对除草剂的纳米封装与可控释放

采用树枝状、超支化聚合物使除草剂微胶囊化具有更加安全的优点，可有效降低除草剂的使用剂量并提高利用效率。二甲戊灵是一种用于早期防治大多数禾本科和阔叶杂草的旱田除草剂。但常规的乳油制剂会污染土壤和地下水。Rahul K Hedaoo等[18]通过界面聚合技术制备了一种新型聚脲改性的树枝状PAMAM材料，并对二甲戊灵除草剂进行纳米封装，制备成微胶囊。研究发现，该新型聚脲微胶囊的稳定性好。此外，溶液的pH值也对二甲戊灵除草剂的可控释放具有重要影响，在酸性条件下二甲戊灵除草剂的释放速率最高。

2 树枝状聚合物对农药的解毒作用

目前，在全球农作物生产中广泛使用有机磷脂化合物（OP）以保护或防止谷物等植物免受损坏。因为OP毒性高，欧盟等地区已经制定了严格的标准，规定了植物和食品中OP的残余量。但OP中毒事件仍有发生。早期对OP中毒的处理局限于清空患者的胃或使用活性炭等，但这些方法都不是十分有效[19]。标准的对OP中毒的药物治疗是采用阿托品抗胆碱疗法。目前，已经开发出的针对OP的解毒试剂仍存在生物降解难、保质期短、价格昂贵、库存短缺和毒副作用等诸多缺点。

2.1 树枝状、超支化聚合物用作敌敌畏的解毒剂

纳米载体是一种在没有解药情况下替代传统解毒方法的新兴技术。有效的纳米载体解毒剂需在血液中存留足够长的时间以隔离有毒物质及其代谢物，含有毒素的复合体也必须在从血液中清除出去之前保持稳定。有研究已经证明，树枝状分子是一种常用的纳米载体，毒性低、可快速经肾脏清除，符合有效的解毒剂的必要条件。

敌敌畏（DDV）是一种高毒性OP，在农业生产中广泛用作杀虫剂。DDV会降低人体重要神经传导物质的活性，造成流鼻涕、过多分泌唾液、盗汗、流泪、头痛、恶心、呕吐、腹痛、胸闷、呼吸困难、大小便失禁、肌肉收缩、癫痫和昏迷甚至死亡等症状。Grayson等[20]合成了0代、1代、2代三种可生物降解、结构明确的赖氨酸-聚酯树枝状分子（图5）。它们的外端分别带有4，8，16个赖氨酸基团。作者将这些赖氨酸功能化的树枝状分子作为DDV的解毒剂并对其性能进行了研究。三种细胞测试的结果说明，这些化合物毒性较低，无明显的代数依赖性。此外，树枝状分子比线形分子对DDV的结合具有明显的优势，特别是高代数树枝状分子对DDV的毒性有明显的抑制作用。这是因为高代数的赖氨酸功能化的聚酯树枝状分子中参与DDV结合的官能团数目增多、协同效应增强，从而提高了其在溶液中对DDV的俘获效率。

图5 赖氨酸功能化的树枝状分子（1C，3C，5C）的合成示意图[20]Fig.5 Schematic diagram of synthesis of lysine functionalized dendritic molecules(1C,3C,5C)[20]

2.2 树枝状、超支化聚合物用作甲基谷硫磷和甲胺磷的解毒剂

甲基谷硫磷（AZM）和甲胺磷（MMP）也是现代农业生产中常用的OP类杀虫剂。Santos等[21]发现采用氨基酸及其衍生物进行端氨基改性的PAMAM可以有效地吸附、包埋AZM和MMP。作者将G4和G5 PAMAM树枝状分子的端氨基用叶酸、精氨酸、赖氨酸和天冬酰胺等生物分子进行功能化（图6），所得产物用于包埋AZM和MMP等OP杀虫剂。研究发现，改性剂的选择明显影响其对两种OP类杀虫剂的吸附性质。他们特别研究了G4-天冬酰胺、G4-精氨酸和G4-赖氨酸对MMP的亲和性。测试和理论计算结果表明，分子之间的相互作用是PAMAM对MMP化学包埋率高和亲和性能好的关键因素。尤其是G4-天冬酰胺与MMP可形成较多的氢键，包埋效果最好。此外，与G4-PAMAM相比，体外实验研究发现，体系中存在G4-精氨酸，G4-赖氨酸和G4-天冬酰胺时，在溶液中的MMP对乙酰胆碱酶(AChE)的抑制作用大大降低，说明这些氨基酸及其衍生物改性的PAMMA能有效的捕捉溶液中的MMP，降低MMP对AChE的活性，因此，通过该类方法进行改性的PAMAM具有可作为OP类杀虫剂的纳米解毒剂的潜力。

图6 MMP与G4-天冬酰胺之间的氢键相互作用[21]Fig.6 Hydrogen bond interaction between MMP and G4-asparagine[21]

3 树枝状、超支化聚合物在残留农药分析中的应用

在粮食、蔬菜、水果、茶叶等农产品的产业化发展过程中，农药、抗生素和激素等外源物质的用量居高不下，这不仅导致农药进入生态水系统，对生态环境和人体健康造成危害，同时农产品中的残留农药，也极大的影响食用安全，成为使消费者致病、发育不良、甚至中毒死亡的重要因素。因此，需要采用精确、高灵敏度的检测技术实现对生态水系统、食品和生物样品中微量或痕量残留农药的检测。

3.1 负载噻吩衍生物的树枝状纳米仿生分子印迹压电传感器

有机氯（OCPs）类化合物是常用来控制害虫和菌类的农药。体外实验说明，OCPs 具有雌激素活性，对鱼和野生动植物的生殖有不利影响，对人有致癌和内分泌干扰作用。这类农药可通过饮食进入人体，并产生70，000 倍的毒副作用[22]。虽然世界各国针对OCPs 已制定了严格的生产、使用、废物处理甚至禁止使用的相关规定，但仍有大量的OCPs 残存于自然环境中，对生物体和人体健康造成危害。精确分析生态水系统和生物样品中的OCPs 等农药的残量，对掌握有机污染物分布、生物修复、生态风险管理等信息具有重要意义。

图7 DDT 和HCB 在分子印迹树枝状分子(MID)空腔里的结合示意图[23]Fig.7 Schematic diagram of DDT and HCB binding in molecularly imprinted dendritic molecule(MID)cavity[23]

目前，使用最为广泛的OCPs 是二氯二苯三氯乙烷（DDT）和六氯苯（HCB）。有效的针对这两种OCPs 进行残留农药分析，制备低检测线的纳米纤维分子印迹传感器具有重要的意义。Prasad等[23]制备了基于树枝状分子纳米纤维的双重模板仿生分子印迹压电传感器，用于样品中DDT 和HCB的残量分析。他们首先通过Au-S 键在金石英晶体表面固定了2，5-二酰氯噻吩，将这些分子共价连接于树枝状大分子上。然后将两种目标分析物与交联剂、引发剂混合，于65 ℃进行自由基聚合反应，在金表面自组装树枝状分子纳米纤维，制备得到了可用于检测痕量农药残余的分子印迹传感器（图7）。结果发现，该传感器对DDT 和HCB 的检测浓度分别在5～150 和5～75×10-3mg/L 范围内可观察到线性关系，检测浓度极限分别低至0.75 和0.69×10-3mg/L。

三唑类化合物也是一类重要的农用杀虫剂。由于它价格便宜，广泛用于保护水果、大麦和小麦等农作物。但是，这类化合物会干扰人体和哺乳类动物的内分泌，有诱变和致癌风险，用可靠和精确的分析方法检测其在环境中的痕量残余十分必要。Abolghasemi等[24]制备了纳米结构的星形聚噻吩树枝状分子，将其用做纤维涂料涂覆于不锈钢丝表面，用于从水样中选择性的萃取戊唑醇、己唑醇、戊菌唑、烯唑醇、苯醚甲环唑和灭菌唑等三唑类农药。此外，作者优化了纤维涂覆、萃取、搅拌速率、离子强度、pH值、解吸附温度和时间等实验条件。该方法具有快速、便宜、纤维的热稳定性高等特点。在最佳条件下，纤维的重复性（n=3）是4.3～5.6%，检测极限为0.8～1.2×10-5mg/L。

3.2 负载乙酰胆碱酶（AChE）的树枝状分子生物传感器

基于AChE的生物传感器广泛应用于检测痕量农药残余。但是OP或氨基甲酸酯类化合物可与该酶共价连接，抑制ACh水解为胆碱和乙酸。近年来，通过树枝状分子将AChE负载于载体表面制备生物传感器是一种新技术。树枝状分子形成的单分子层机械稳定性高、端基可被功能化、树枝状分子表面积大，利于提高所固定功能基团的数量，提高传感器的检测灵敏度。Tibor Hianik等[25]将AChE和胆碱氧化酶（ChO）固定在混有1-十六硫醇（HDT）的G4-PAMAM树枝状分子单层膜表面，制备了新型的酶传感器。研究发现，该传感器对DCV的检测极限是1.3×10-6mg/L，对卡巴呋喃、毒扁豆碱的检测极限分别1.0和3.0×10-5mg/L，该数值远低于目前报道的基于AChE的安培计和电位计检测器。

PessÔa CA等[26]将多晶金表面用第4代聚酰胺-胺（胱胺为核，PAMAM-G4）纳米单层膜进行修饰，并共价连接AChE（图8）。结果发现，用该树枝状分子修饰金电极，在其表面得到了具有反应活性的巯基，利于对农药的化学吸收，而且树枝状分子的三维结构和末端基也利于AChE在金表面的固定。与相似的传感器比较，该生物传感器具有孵化时间短，对农药西维因（胺甲萘）的检测极限检测线低至6.4×10-3mg/L。

图8 Au/PAMAM/GLUT/AchE生物检测器的制备示图[26]Fig.8 Preparation of Au/PAMAM/GLUT/AChE biological detector[26]

Guoyue Shi和Litong Jin等[27]通过自组装方法制备了AChE/PAMAM-Au/碳纳米管（CNTs）多层膜修饰的电极，并用其检测样品中残存的杀虫剂卡巴呋喃（图9）。研究发现，所制备的生物传感器灵敏度高、稳定性及重复使用性好，对卡巴呋喃的检测极限低至8.8×10-5mg/L。

图9 CNTs PAMAM-Au yu AChE多层膜的组装示意图[27]Fig.9 Schematic diagram of the assembly of CNTs PAMAM-Au yu AChE multilayer films[27]

Wang等[28]合成并表征了多臂碳纳米管/PAMAM树枝状分子杂化材料（MWCNT-PAMAM），并基于此材料构筑了一种压电免疫传感器。研究发现，经PAMAM修饰后，MWCNT在水溶液中的分散性良好，且其表面对抗体的吸附性能有明显的提高。该传感器稳定性好、检测灵敏度和精确度高，实验数据表明，该免疫传感器在苹果和橙汁样品检测中针对氨基甲酸酯类农药—速灭威的检测极限为1.9×10-2mg/L，检测准确度达到了81.9～101.2%，标准偏差为2.1～6.8%。

3.3 负载荧光材料的树枝状分子用于残量农药的检测

Liu等[29]制备了经第三代PAMAM的季铵盐修饰的量子点PAMAM@QDs（图10），并用其检测水溶液中残存的对氟苯氧乙酸杀虫剂。他们发现，PAMAM@QDs能很好的分散在水中，当在水样中存在对氟苯氧乙酸时，其荧光强度增强。PAMAM@QDs对该杀虫剂的最低检测极限是1.6×10-1mg/L，该最低检测极限值低于国家食品安全标准中的相关规定。

图10 PAMAM 四级铵盐树枝状分子修饰的量子点的制备[29]Fig.10 Preparation of quantum dots[29]modified by dendritic molecules of PAMAM quaternary ammonium salt

Marco Bonizzoni等[30]将市售染料和第5代（G5）PAMAM树枝状聚合物进行自组装，得到了一系列荧光开启传感器阵列，并将其应用于中性水中的有机磷酸盐快速检测和定量分析。他们采用模式识别方法对草甘膦、对甲基膦酸盐和无机磷酸盐（浓度范围1.0×10-2～2 mg/L）进行了分离和定量分析。该自组装传感器阵列所使用的原料树状大分子和荧光指示剂易得，为简单高通量分析检测有机磷酸酯开发了新途径。

4 总结与展望

采用树枝状、超支化聚合物载体在封装及检测杀虫剂、除草剂和杀菌剂等与农用化学品相关的诸多领域表现出优异的应用前景，为缓解农用化学品对环境的污染和人体健康的危害提供了重要的新途径和新手段，是发展环境友好的农药、杀虫剂，简单安全检测残留农药的发展方向。目前，Starpharma 公司开发的基于树枝状聚合物的新型农药已经在市场进行了推广，但该方面的研究仍任重道远。首先，发展低成本、易于操作、无毒、可大规模制备的树枝状、超支化聚合物作为纳米农药载体是重要的待解决的问题，采用价格低廉、生物相容性好且毒副作用低的天然生物原材料合成载体材料会成为今后的发展方向；其次，如何利用树枝状、超支化聚合物的结构特点以有效控制农药的释放，充分发挥活性成分的利用率以减少农药使用量是该研究领域的一个需要解决的关键问题；最后，提高纳米农药的使用效率，例如提高农药在土壤中的渗透力、耐候性、耐雨水冲刷等将是纳米农药的既定目标。