CN111149798A - 一种水基氧化石墨烯纳米农药及其制备方法与应用 - Google Patents

一种水基氧化石墨烯纳米农药及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米技术领域，特别涉及一种用于农作物真菌性病害防控的水基氧化石墨烯纳米农药及其制备方法与应用。该水基氧化石墨烯纳米农药中的杀菌剂通过π‑π共轭效应、氢键作用及静电吸附作用粘附在氧化石墨烯表面，通过氧化石墨烯对真菌细胞造成损伤，进而让药物进行精准释放，实现药物的高效利用，使氧化石墨烯与农药表现出优异的协同增效机制。通过乳化‑冻干法制备的水基氧化石墨烯纳米农药应用于植物真菌性病害防控时，缓解了纳米农药存在的漂移问题。而且表现出良好的水溶性与抗漂移性能，是一种新型的水基纳米农药。

Description

一种水基氧化石墨烯纳米农药及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于纳米技术领域，特别涉及一种用于农作物真菌性病害防控的水基氧化石墨烯纳米农药及其制备方法与应用。
背景技术
传统农药因其载药粒子粗大，从而存在着分散性差、稳定性差、低生物活性、低降解率等问题，且其靶标作物利用率不到30％，有害生物受药量不足0.1％。有数据表明，农药在田间喷施过程中，因药滴滚落、粉尘漂移、雨水冲刷等造成的药剂流失高达70％以上。农药的大量使用，造成严重的环境污染、农药残留超标，严重威胁到人类的身心健康。纳米技术可以有效的缓解农药残留污染，提高农药的有效利用率。另外，纳米载药系统有提高农药分散性、稳定性、利用率和延长持效期、降低残留量等优点。
石墨烯是2004年英国科学家Novoselov和Geim等人首次发现的单层碳原子构成的二维纳米材料。氧化石墨烯是属于石墨烯的衍生物，因其表面含有丰富的含氧官能团，从而表现出良好的水溶性和稳定性。同时，氧化石墨烯还具有通过π-π堆积、疏水作用、氢键作用负载苯环类似结构药物的能力，使得氧化石墨烯被广泛应用于生物医药领域。氧化石墨烯纳米材料类二维薄片的边缘刀片，被称为纳米刀，可对菌细胞的细胞膜产生切割作用。通过氧化应力机制可以影响菌细胞的正常新陈代谢，从而导致细胞衰亡。另外，当大量的氧化石墨烯类纳米薄片吸附在菌细胞的表面时，可以将菌彻底包裹，使其与周围环境产生物理隔绝以致微生物缓慢死亡。以上杀菌机理表明二维氧化石墨烯可以作为药物载体发挥抗菌增效作用。
申请号为201310550703.7的发明专利申请《一种甲基硫菌灵纳米农药的制备方法》，公开了甲基硫菌灵纳米农药的制备，降低了用药量，提高了药效。然而，现有的关于纳米农药的专利主要就纳米农药的增效来进行了研究，纳米农药本身存在的漂移问题无法解决。
发明内容
为了克服传统农药的缺点，解决传统农药带来的环境以及社会问题，本发明的首要目的在于提供一种用于农作物真菌性病害防控的水基氧化石墨烯纳米农药的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法得到的水基氧化石墨烯纳米农药。该纳米农药具有良好的水溶性与抗漂移性能，可显著提高药物的杀菌能力，实现农药的减量增效。
本发明的再一目的在于提供上述水基氧化石墨烯纳米农药的应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种水基氧化石墨烯纳米农药的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯溶于水中，剧烈搅拌，形成氧化石墨烯水分散液；将杀菌剂溶于二甲基亚砜、N-N二甲基甲酰胺或甲醇中，形成有机相杀菌剂溶液；
所述的氧化石墨烯水分散液的浓度为0.5～1g/L；
所述的杀菌剂溶液的浓度为1.25:1～3.75:1；
(2)在剧烈搅拌下将杀菌剂溶液逐滴加入氧化石墨烯水分散液中，自滴加开始剧烈搅拌24～48h，得到混合溶液，然后通过透析或用反应液清洗的方式除去游离的农药分子，再通过高速离心移除上清液，冷冻干燥，所得产物即为固体水基氧化石墨烯纳米农药；
所述的混合溶液中的杀菌剂与氧化石墨烯的质量比为2:1～2:3；
(3)将固体水基氧化石墨烯纳米农药以1:100～1000的比例分散于水溶液中，加入1％的吐温80，震荡，所得乳液即为水基氧化石墨烯纳米农药。
优选的，所述的杀菌剂为多菌灵或氟环唑，适用于防治真菌性病害。
优选的，所述的透析的时长为6h。
优选的，所述的用反应液清洗的次数为3次。
优选的，所述的高速离心的转速为10000rpm。
本发明进一步提供一种由上述制备方法得到的水基氧化石墨烯纳米农药。
本发明进一步提供上述水基氧化石墨烯纳米农药在农作物真菌性病害防控方面的应用，所述的农作物真菌性病害包括稻瘟病、纹枯病、白粉病、立枯病、炭疽病或叶斑病。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明制备的水基氧化石墨烯纳米农药(GO-Carbendazim)中的杀菌剂通过π-π共轭效应、氢键作用及静电吸附作用粘附在氧化石墨烯表面，通过氧化石墨烯对真菌细胞造成损伤，进而让药物进行精准释放，实现药物的高效利用，使氧化石墨烯与农药表现出优异的协同增效机制。通过乳化-冻干法制备的水基氧化石墨烯纳米农药应用于植物真菌性病害防控时，因氧化石墨烯的二维片状结构疏水表面易于附着于植物叶片，从而其携带的纳米农药更容易粘附在植物表面，缓解了纳米农药存在的漂移问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
本实施例提供一种水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药及其制备方法。
称取20mg的氧化石墨烯粉末，置于40mL去离子水中，剧烈搅拌，形成氧化石墨烯分散液。称取10mg的多菌灵原药，溶于8mL的N-N二甲基甲酰胺中，配成多菌灵溶液。将多菌灵溶液在剧烈搅拌下缓慢滴加到氧化石墨烯水分散液中，剧烈搅拌48h，透析6h除去游离的多菌灵，以10000rpm离心10min，移除上清液，冻干，再将固体水基氧化石墨烯纳米农药以1:100的比例分散于水溶液中，加入1％的吐温80，震荡，所得乳液即为水基氧化石墨烯纳米农药。
实施例2
本实施例提供一种水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药及其制备方法。
称取20mg的氧化石墨烯粉末，置于40mL去离子水中，剧烈搅拌，形成氧化石墨烯分散液。称取30mg的多菌灵原药，溶于8mL的N-N二甲基甲酰胺中，配成多菌灵溶液。将多菌灵溶液在剧烈搅拌下缓慢滴加到氧化石墨烯水分散液中，剧烈搅拌48h，透析6h除去游离的多菌灵，以10000rpm离心10min，移除上清液，冻干，再将固体水基氧化石墨烯纳米农药以1:1000的比例分散于水溶液中，加入1％的吐温80，震荡，所得乳液即为水基氧化石墨烯纳米农药。
实施例3
本实施例提供一种水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药及其制备方法。
称取20mg的氧化石墨烯粉末，置于40mL去离子水中，剧烈搅拌，形成氧化石墨烯分散液。称取20mg的多菌灵原药，溶于8mL的N-N二甲基甲酰胺中，配成多菌灵溶液。将多菌灵溶液在剧烈搅拌下缓慢滴加到氧化石墨烯水分散液中，剧烈搅拌48h，透析6h除去游离的多菌灵分子，以10000rpm离心10min，移除上清液，冻干，再将固体水基氧化石墨烯纳米农药以1:500的比例分散于水溶液中，加入1％的吐温80，震荡，所得乳液即为水基氧化石墨烯纳米农药。
实施例4
本实施例提供一种水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药及其制备方法。
称取20mg的氧化石墨烯粉末，置于40mL去离子水中，剧烈搅拌，形成氧化石墨烯分散液。称取20mg的多菌灵原药，溶于8mL的N-N二甲基甲酰胺中，配成多菌灵溶液。将多菌灵溶液在剧烈搅拌下缓慢滴加到氧化石墨烯水分散液中，剧烈搅拌48h，离心，以DMF：水＝1:5的反应液清洗3次，除去游离的多菌灵分子，以10000rpm离心10min，移除上清液，冻干，再将固体水基氧化石墨烯纳米农药以1:600的比例分散于水溶液中，加入1％的吐温80，震荡，所得乳液即为水基氧化石墨烯纳米农药。
实施例5
本实施例提供一种水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药及其制备方法。
称取20mg的氧化石墨烯粉末，置于20mL去离子水中，剧烈搅拌，形成氧化石墨烯分散液。称取20mg的多菌灵原药，溶于8mL的N-N二甲基甲酰胺中，配成多菌灵溶液。将多菌灵溶液在剧烈搅拌下缓慢滴加到氧化石墨烯水分散液中，剧烈搅拌48h，离心，以DMF：水＝1:5的反应液清洗3次，除去游离的多菌灵分子，以10000rpm离心10min，移除上清液，冻干，再将固体水基氧化石墨烯纳米农药以1:1000的比例分散于水溶液中，加入1％的吐温80，震荡，所得乳液即为水基氧化石墨烯纳米农药。
实施例6
本实施例提供一种水基氧化石墨烯-氟环唑纳米农药及其制备方法。
称取20mg的氧化石墨烯粉末，置于40mL去离子水中，剧烈搅拌，形成氧化石墨烯分散液。称取30mg的氟环唑原药，溶于8mL的甲醇中，配成氟环唑溶液。将氟环唑溶液在剧烈搅拌下缓慢滴加到氧化石墨烯水分散液中，剧烈搅拌48h，离心，以甲醇：水＝1:5的反应液清洗3次，除去游离的氟环唑分子，以10000rpm离心10min，移除上清液，冻干，再将固体水基氧化石墨烯纳米农药以1:1000的比例分散于水溶液中，加入1％的吐温80，震荡，所得乳液即为水基氧化石墨烯纳米农药。
实施例7
本实施例提供实施例4所得的水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药在抑制水稻稻瘟菌方面的应用。
具体地，通过平皿法测定该纳米农药抑制水稻稻瘟菌的效果。分别配制浓度梯度为0.2、0.4、0.6、0.8、1μg/mL的50mL含多菌灵和氧化石墨烯-多菌灵(GO-多菌灵)PDA培养基。在无菌操作条件下，根据试验处理将预先溶化的灭菌培养基在酒精灯旁打开，加入预先配制好的灭菌药液，充分摇匀。然后等量倒入3个以上直径为9cm的培养皿中，制成相应浓度的含药平板。
试验需要设置不含药剂的处理作空白对照，每次处理不少于3个重复。
将培养好的稻瘟菌病原真菌，在无菌条件下用直径为5mm的灭菌打孔器，自菌落边缘切取菌饼，用接种环将菌饼接种于倒好的含药平板中央，菌丝面朝上，盖上皿盖，使用封口膜封口，置于适宜温度与湿度的培养箱中培养。
在培养9天后，用直尺测量菌落直径，单位为毫米(mm)。每个菌落用十字交叉法垂直测量直径各一次，取其平均值。根据空白对照培养皿中菌的生长情况调查稻瘟菌菌丝生长情况。
实验结果表明：在同等药物浓度下，氧化石墨烯-多菌灵纳米农药对稻瘟菌具有更明显的抑制效果。
表1为水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药对稻瘟菌的抑制效果
Figure BDA0002361494470000061
实施例8
本实施例提供实施例4所得的水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药在抑制水稻纹枯病方面的应用。
具体地址，通过平皿法测定该纳米农药抑制水稻纹枯病的效果。分别配制浓度梯度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5μg/L的50mL含多菌灵和氧化石墨烯-多菌灵(GO-多菌灵)PDA培养基。在无菌操作条件下，根据试验处理将预先溶化的灭菌培养基在酒精灯旁打开，加入预先配制好的灭菌药液，充分摇匀。然后等量倒入3个以上直径为9cm的培养皿中，制成相应浓度的含药平板。
试验需要设置不含药剂的处理作空白对照，每次处理不少于3个重复。
将培养好的纹枯菌病原真菌，在无菌条件下用直径为5mm的灭菌打孔器，自菌落边缘切取菌饼，用接种环将菌饼接种于倒好的含药平板中央，菌丝面朝上，盖上皿盖，使用封口膜封口，置于适宜温度与湿度的培养箱中培养。
在培养2-3天后，用卡尺测量菌落直径，单位为毫米(mm)。每个菌落用十字交叉法垂直测量直径各一次，取其平均值。根据空白对照培养皿中菌的生长情况调查纹枯菌菌丝生长情况。
实验结果表明：在等药量的条件下，水基纳米农药对纹枯菌表现出更好的效果，0.4μg/mL的纳米农药就可以完全抑制纹枯菌的生长。
表2为水基氧化石墨烯-多菌灵纳米农药对纹枯菌的抑制效果
Figure BDA0002361494470000071
实施例9
本实施例提供实施例5所得的水基氧化石墨烯-氟环唑纳米农药在抑制水稻稻瘟菌方面的应用。
具体地，通过平皿法测定该纳米农药抑制水稻稻瘟菌的效果。分别配制浓度梯度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5μg/mL的50mL含氟环唑和氧化石墨烯-氟环唑(GO-氟环唑)PDA培养基。在无菌操作条件下，根据试验处理将预先溶化的灭菌培养基在酒精灯旁打开，加入预先配制好的灭菌药液，充分摇匀。然后等量倒入3个以上直径为9cm的培养皿中，制成相应浓度的含药平板。
试验需要设置不含药剂的处理作空白对照，每次处理不少于3个重复。
将培养好的稻瘟菌病原真菌，在无菌条件下用直径为5mm的灭菌打孔器，自菌落边缘切取菌饼，用接种环将菌饼接种于倒好的含药平板中央，菌丝面朝上，盖上皿盖，使用封口膜封口，置于适宜温度与湿度的培养箱中培养。
在培养9天后，用卡尺测量菌落直径，单位为毫米(mm)。每个菌落用十字交叉法垂直测量直径各一次，取其平均值。根据空白对照培养皿中菌的生长情况调查稻瘟菌菌丝生长情况。
表3为水基氧化石墨烯-氟环唑纳米农药对稻瘟菌的抑制效果
Figure BDA0002361494470000072
实验结果表明：相比于原药氟环唑，在同等药物浓度下，水基纳米农药对稻瘟菌表现出更显著的抑制效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水基氧化石墨烯纳米农药的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯溶于水中，剧烈搅拌，形成氧化石墨烯水分散液；将杀菌剂溶于二甲基亚砜、N-N二甲基甲酰胺或甲醇中，形成有机相杀菌剂溶液；
所述的氧化石墨烯水分散液的浓度为0.5～1g/L；
所述的杀菌剂溶液的浓度为1.25:1～3.75:1；
(2)在剧烈搅拌下将杀菌剂溶液逐滴加入氧化石墨烯水分散液中，自滴加开始剧烈搅拌24～48h，得到混合溶液，然后通过透析或用反应液清洗的方式除去游离的农药分子，再通过高速离心移除上清液，冷冻干燥，所得产物即为固体水基氧化石墨烯纳米农药；
所述的混合溶液中的杀菌剂与氧化石墨烯的质量比为2:1～2:3；
(3)将固体水基氧化石墨烯纳米农药以1:100～1000的比例分散于水溶液中，加入1％的吐温80，震荡，所得乳液即为水基氧化石墨烯纳米农药。
2.根据权利要求1所述的水基氧化石墨烯纳米农药的制备方法，其特征在于：所述的杀菌剂为多菌灵或氟环唑。
3.根据权利要求2所述的水基氧化石墨烯纳米农药的制备方法，其特征在于：所述的高速离心的转速为10000rpm。
4.根据权利要求3所述的水基氧化石墨烯纳米农药的制备方法，其特征在于：所述的透析的时长为6h。
5.根据权利要求4所述的水基氧化石墨烯纳米农药的制备方法，其特征在于：所述的用反应液清洗的次数为3次。
6.一种水基氧化石墨烯纳米农药，其特征在于：由权利要求1～5任一项所述的制备方法得到。
7.权利要求6所述的水基氧化石墨烯纳米农药的应用，其特征在于：将所述的水基氧化石墨烯纳米农药用于农作物真菌性病害防控。
8.根据权利要求7所述的水基氧化石墨烯纳米农药的应用，其特征在于：所述的农作物真菌性病害包括稻瘟病、纹枯病、白粉病、立枯病、炭疽病或叶斑病。
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