在航空植保的千億級市場里，納米農(nóng)藥無疑是“鶴立雞群”一樣的存在。其所有制劑都以水為介質(zhì)發(fā)展水性制劑，且可實現(xiàn)‘安全、經(jīng)濟、環(huán)境友好’性能，是實現(xiàn)農(nóng)藥用量“零增長”和綠色防控的需要，某種程度上，也是飛防藥劑發(fā)展的未來方向。

那么，到底什么是納米農(nóng)藥、為什么要發(fā)展納米農(nóng)藥、納米農(nóng)藥的適用范圍是什么、如何識別檢測納米農(nóng)藥、納米農(nóng)藥又有哪些類型？南京善思生物科技有限公司首席科學家張子勇教授就此進行了全面的介紹。

南京善思科技首席科學家張子勇教授/圖 來源宇辰網(wǎng)

什么是納米農(nóng)藥

納米本身是一個長度單位，一納米是千分之一個微米，百萬分之一毫米，十億分之一米。換言之，一個納米就是將一米分成十億份。

據(jù)張子勇教授介紹，納米農(nóng)藥是從納米材料和納米技術(shù)衍生而來，“最早出現(xiàn)的是納米材料，由于對納米材料的研究，慢慢才衍生到納米藥物和納米農(nóng)藥。”所謂納米材料的定義，就是任何物質(zhì)的外部尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)在納米尺度，上限一般在一百納米的時候，就稱之為納米材料，“我們現(xiàn)在說納米農(nóng)藥的定義和納米材料不同”。

納米農(nóng)藥航空專用制劑/圖 來源宇辰網(wǎng)

他表示，有三種情況都包括在納米農(nóng)藥的范圍，第一是制劑的有效成分微粒在納米尺度范圍，可以是幾個納米、幾十個納米、幾百個納米，這一點和納米材料是有區(qū)別的；第二個就是制劑形成的以制定的‘納米’為前綴的物質(zhì)，比如納米復(fù)合物、納米負載體都可以稱為納米農(nóng)藥；第三是制劑具有與小尺寸微粒相關(guān)的新穎特性，這個制劑的特性和常規(guī)的制劑明顯不一樣，它有小的尺寸，也可以稱為納米農(nóng)藥。此外，納米農(nóng)藥的微粒也可以具有不同的形態(tài)外觀，不同的形態(tài)結(jié)果。

為什么要發(fā)展納米農(nóng)藥

發(fā)展納米農(nóng)藥也是時代之需。“現(xiàn)在我們一直提倡農(nóng)藥減量增效，但要實現(xiàn)農(nóng)藥的減量增效，勢必面臨一個問題——如何使農(nóng)藥‘高效’？尤其是當農(nóng)藥品種不變時。”張子勇說，農(nóng)藥“高效”當然可以有不同的途徑，比如使用高效低毒來代替高毒低效的農(nóng)藥，這是其中的一個途徑，但是當農(nóng)藥的品種不變時，如何增效？“影響農(nóng)藥制劑發(fā)揮藥效高低的一個重要因素，就是有效成分在噴施以后，最終形成的微粒尺寸的大小會影響到藥效。農(nóng)藥微粒尺寸越小，比表面積越大，在作物葉面上分散越均勻，接觸生物靶標越充分，藥效發(fā)揮就越高。”

植保從業(yè)者們在仔細觀看納米農(nóng)藥/圖  來源宇辰網(wǎng)

所以，農(nóng)藥要實現(xiàn)高效，最有效的途徑應(yīng)該是盡可能減小農(nóng)藥有效成分的微粒尺寸，從通常的微米級減小至盡可能小的尺寸——納米量級。“隨著農(nóng)藥微粒的尺寸減小，微粒數(shù)量和表面積會急劇增加，例如，農(nóng)藥微粒由一微米減小到一納米，數(shù)量增加十億倍，表面積增加了一千倍。”

盡可能減小農(nóng)藥微粒尺寸的后果是，同樣的質(zhì)量，微粒數(shù)量越多，表面積就越大，與靶標接觸的面積就越廣，藥效發(fā)揮就越高，這就是為什么要發(fā)展納米農(nóng)藥的根本原因。“除了要提高藥效、減少施藥量的目標外，發(fā)展納米農(nóng)藥的目的還有兩個：提高低水溶性有效成分的表觀溶解度，同時，通過保護有效成分，賦予緩/控釋放性能。

納米農(nóng)藥的適用范圍

這里有一個問題：納米農(nóng)藥是不是適合于所有農(nóng)藥？是不是所有的農(nóng)藥都應(yīng)該發(fā)展成納米農(nóng)藥？

根據(jù)張子勇教授的介紹，農(nóng)藥根據(jù)其溶解性能大致可以分成三塊：一塊是可溶于水的農(nóng)藥，“農(nóng)藥手冊”920種農(nóng)藥品種，大致能夠溶于水的農(nóng)藥，占8%左右，其中大部分都是水溶性差，但可溶于有機溶劑的農(nóng)藥品種，還有就是既不溶于水，也難溶于有機溶劑的農(nóng)藥。

納米農(nóng)藥試驗田/圖 來源宇辰網(wǎng)

“農(nóng)藥本身溶于水，是什么概念？指的是農(nóng)藥的分子真正地單分子分散在水里，它的尺寸比一個納米還小，但這種真正的水溶性的農(nóng)藥還需要發(fā)展納米農(nóng)藥嗎？不需要，所以水溶性農(nóng)藥不用做成納米農(nóng)藥，真正做成納米農(nóng)藥的，其他兩類。”

如何檢測識別納米農(nóng)藥

根據(jù)張子勇教授的介紹，檢測識別納米農(nóng)藥主要有兩種方法，一種方法是用實際觀察來識別，“如果一個農(nóng)藥制劑看上去清澈透明，就表明里面的農(nóng)藥微粒是納米尺寸。依據(jù)是當農(nóng)藥微粒尺寸小于可見光波長的四分之一（400-760nm）時，不產(chǎn)生嚴重的折射和反射，光線幾乎全部透過，外觀上清澈透明。”所以，如果我們看到農(nóng)藥制劑是非常透明的，就可以認定它是納米農(nóng)藥，這種透明的農(nóng)藥制劑共有幾種：一種是水劑，因為它真正溶于水，第二種是乳油劑型在沒有稀釋之前，也是透明的，同時也是單分子分散的真正溶解，第三種是微乳劑。“制劑越透明，表明它的粒徑尺寸越小，處于納米量級，反之，如果制劑有乳光，或者是乳光越來越重，甚至不透明，表明農(nóng)藥制劑尺寸變大，有可能接近或超過一個微米。”

張子勇表示，在研究中，有時候為了更方便地鑒別尺寸的大小，會用丁達爾現(xiàn)象來進行識別，也就是用一個激光筆來識別，當一束光線透過一個膠體溶液時，可以觀察到一條光亮的“通路”，這種現(xiàn)象叫丁達爾現(xiàn)象，丁達爾現(xiàn)象越不明顯，表明粒徑越小。

這是直接的觀察。

納米農(nóng)藥識別/圖 來源宇辰網(wǎng)

除了直觀觀察，當然也可以用科學儀器檢測，首先用激光納米粒度儀，檢測農(nóng)藥粒徑的大小，粒徑分布以及zeta電位值；也可以通過投射電子顯微鏡來進行識別，可觀察液體制劑中農(nóng)藥微粒形態(tài)結(jié)構(gòu)和尺寸；還可以通過掃描電子顯微鏡來觀察噴施干燥后的農(nóng)藥分散形態(tài)。

納米農(nóng)藥有哪些類型

第一類是提高表觀溶解度的納米農(nóng)藥。

按照有效成分的分散形態(tài)和尺寸不同，分為納米分散劑、微乳劑、納米乳劑。

張教授說，納米分散劑實際上就是納米懸浮劑，是將農(nóng)藥有效成分制備成納米晶?；驘o定型顆粒并將其分散在水中，離子尺寸在50-200nm范圍。當粒徑較小時，納米分散劑呈透明狀，具有與真溶液類似的外觀。隨著粒徑變大，溶液會出現(xiàn)輕微乳光。為了增加低水溶性農(nóng)藥在水中的表觀溶解度，將粒子的表面積最大化，粒徑要小于50nm。

張教授說，納米分散劑存在兩個缺陷：有效成分含量較低，容易出現(xiàn)沉淀；穩(wěn)定性差，粒子之間由于熱運動會發(fā)生相互碰撞、合并、晶粒長大，最后導(dǎo)致尺寸變大。“這些缺陷使單純的納米晶粒分散劑難以成為一種商業(yè)化的農(nóng)藥劑型，研究開發(fā)內(nèi)容是如何實現(xiàn)它的長期穩(wěn)定性，一個重要的途徑，是選擇和加入高分子分散劑和小分子表面活性劑。”

微乳劑，是由溶解有效成分的有機溶劑、乳化劑（助乳化劑）和水組成。“兩種互不相容的液體在表面活性劑界面膜的作用下形成的熱力學穩(wěn)定的、各向同性的、透明的均相分散體系。”從微粒尺寸看，微乳劑是真正的納米制劑，而之所以使用前綴“微”，是當初發(fā)現(xiàn)它時對其并不科學的稱謂。微乳劑于1928年發(fā)現(xiàn)，當時是美國人做了這樣一種劑型用于皮革的處理劑，到了五幾年的時候，大家才慢慢認清它的實質(zhì)，又三四年以后，才真正知道它是我們現(xiàn)在描述的這種狀態(tài)，后來微乳劑被用到農(nóng)藥制劑上。從尺寸看，微乳劑是真正的納米有機溶劑。

南京善思科技的納米農(nóng)藥展示/圖 來源宇辰網(wǎng)

“微乳劑的優(yōu)點包括：相對于乳油劑型，用水代替了大量有機溶劑，安全、經(jīng)濟、環(huán)境友好；同時它是一種熱力學穩(wěn)定的水性溶劑，儲存穩(wěn)定性好。”在所有的農(nóng)藥制劑里面，除了水劑是熱力學穩(wěn)定之外，只有微乳劑熱力學穩(wěn)定，所謂熱力學穩(wěn)定意味著它儲存穩(wěn)定，是一個真正的平衡態(tài)，其有效成分含量可滿足相關(guān)規(guī)定，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)（瞬間形成），也已有許多產(chǎn)品面世；而高濃度的表面活性劑具有高的增溶能力，可降低表面張力，促進有效成分對靶標生物的滲透與吸收，提高藥效。

“業(yè)內(nèi)也有一些人對微乳劑有不同的看法，總結(jié)起來是這樣的，一個是認為微乳劑里使用的乳化劑量比水乳劑高，也可能會使用一些苯類的高毒溶劑，比如甲苯二甲苯，還有一個助劑叫壬基酚聚氧乙烯醚，乳化性能非常好，好多產(chǎn)家包括寫的專利里面也在寫壬基酚聚氧乙烯醚，但它是一個雌性化的助劑，噴灑到空間以后，會降解成壬基酚，魚蝦碰到它就會被雌性化，人們吃到這種雌性化的水產(chǎn)品，不孕不育的現(xiàn)象會越來越多。”張教授表示，有關(guān)微乳劑的配方，探索非常艱難。

而納米乳劑，又稱為超微細乳劑、亞微乳劑。與乳劑的組分基本不相同，外觀也是一種透明的溶液。納米乳劑和微乳劑的區(qū)別有：納米乳劑與微乳劑的液滴尺寸大小不同，納米乳劑的液滴尺寸大于微乳劑，通常在20-200nm范圍，與微乳劑典型的液滴尺寸（2-50nm）發(fā)生部分交蓋。“納米乳劑和微乳劑的平衡狀態(tài)不同，微乳劑是真正的熱力學穩(wěn)定體系，納米乳劑是動力學穩(wěn)定體系，具有分離成各組成相的趨勢，產(chǎn)業(yè)化條件先天不足。”所謂的熱力學穩(wěn)定和動力學穩(wěn)定指的是什么？“一個體系我們說它是穩(wěn)定的，即表觀上不隨時間而變化、物理化學上將穩(wěn)定體系分為兩類，一類是真正的穩(wěn)定體系，它處于能量最低的平衡狀態(tài)，各種可能變化都不能自發(fā)進行，由熱力學控制，成為熱力學穩(wěn)定性。第二是表觀穩(wěn)定體系，也就是表觀穩(wěn)定，但處于不平衡狀態(tài)，至少有一種變化可能會自發(fā)進行，只是速度很慢，以至不能檢測出來，由動力學因素——速度控制，成為動力學穩(wěn)定性。”張教授解釋說。

從這里可以看出來，納米體系如果只是動力學穩(wěn)定的話，并不適合工業(yè)化生產(chǎn)，但是很多人在研究這些東西，而且由于它是后來發(fā)現(xiàn)的，它被稱為納米乳劑。

這是第一類的納米農(nóng)藥。

第二類是保護有效成分，賦予緩/控釋性能的納米農(nóng)藥。

“這里有聚合物負載、脂質(zhì)體負載、多孔中空納米二氧化硅、層狀雙金屬氫氧化物。”張教授說，大多數(shù)的農(nóng)藥在噴時候，有效成分受環(huán)境因素（紫外線、氧、熱）影響，會發(fā)生降解或分解，影響藥效發(fā)揮，為了實現(xiàn)農(nóng)藥的緩釋長效，必須對有效成分實施保護，免于過早分解。

聚合物負載分兩類，一種叫納米微球，是聚合物分子摻雜、負載、纏裹農(nóng)藥分子的固體納米粒子，有效成分在微球的分布不確定。其制備方法分多采用復(fù)凝聚法，也有微乳聚合法。

還有一種是納米膠囊。實具有核-殼結(jié)構(gòu)，可作為儲存農(nóng)藥固定或農(nóng)藥溶液的一種納米容器理想的納米膠囊，應(yīng)在農(nóng)藥納米粒子之外“穿”一件薄厚適當?shù)?ldquo;外衣”。“現(xiàn)在的問題是，構(gòu)成外衣‘材料’是什么？是高分子？構(gòu)成一個膠囊合適的尺寸是多大？厚度是多大？農(nóng)藥分子容易出來嗎？如何實現(xiàn)速率與長效之間的平衡？”

第三類納米農(nóng)藥是納米金屬或納米金屬氧化物農(nóng)藥制劑。

“這里邊有兩類，一類是單獨的納米金屬制劑，目前主要指的是納米銀，具有抗菌性能，可以以不斷增加劑量的方式顯著抑制植物病原體的生長，是目前最受關(guān)注的一種納米制劑。”張教授透露，有實驗表明，不管是銀離子還是納米銀，都可以顯著地減少黑麥真菌疾病的發(fā)展，每周噴施一次納米銀溶液，可有效抑制白腐病的發(fā)展，另外，植物經(jīng)施用納米銀后，可增加發(fā)育率，并沒有大幅減少土壤細菌和真菌的數(shù)量?？偟膩碚f，它的毒性被認為相對較低，在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用屬于環(huán)境友好型。

納米農(nóng)藥的研究現(xiàn)狀

目前來說，有關(guān)納米農(nóng)藥的研究，國內(nèi)目前已有不少，發(fā)表的論文也比較多。

根據(jù)張教授介紹，其中前期存在多是針對某一種農(nóng)藥進行納米農(nóng)藥制備、表征和田間防效試驗。目前的研究趨勢，已經(jīng)從孤立性、發(fā)散性研究，向系統(tǒng)性、深入性研究轉(zhuǎn)變。不過總的來說，大部分的研究還是處于實驗室階段，距產(chǎn)業(yè)化還有一段距離，“制約納米農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)化的瓶頸有：制備的工藝是否復(fù)雜？工藝流程是否穩(wěn)定和易于操作？所需設(shè)備是否復(fù)雜？價格如何？所需原料是否易得？產(chǎn)品的成本和價格是否具有競爭優(yōu)勢？產(chǎn)品有效成分的含量是否合乎相關(guān)規(guī)定要求？產(chǎn)品的儲存和使用性能是否穩(wěn)定？所有這些都會構(gòu)成納米農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)化的問題。”

從2004年開始，張教授就開始做人用納米藥物的研究，后來在國外發(fā)表了一系列高影響因子的評論文章。起降為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，轉(zhuǎn)向納米農(nóng)藥的研究，申請并獲得三個國家自然科學基金的連續(xù)資助。通過十來年的研究，促成了善思公司目前的航空植保專用藥劑。目前，南京善思科技是全國唯一實現(xiàn)納米農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)化的公司，也是全世界第一個。

“在研究的過程中，我形成的理念是，一定要制造世界上性能最好的納米農(nóng)藥制劑，性能特性是：所有制劑都是以水為介質(zhì)，發(fā)展水性制劑，實現(xiàn)‘安全、經(jīng)濟、環(huán)境友好’性能。”張教授說，這種納米農(nóng)藥可拒絕使用壬基酚聚氧乙烯醚一類助劑，選擇綠色助劑，從天然產(chǎn)物或衍生物匯總選擇，且均可生物降解，實現(xiàn)“環(huán)境友好”性能；同時，拒絕使用苯、甲苯、二甲苯、甲醇類高毒溶劑，在必須使用溶劑時，選擇低毒溶劑，盡可能減少用量，實現(xiàn)“環(huán)境友好”；且 通過表觀水溶，制劑和稀釋液均保持透明，納米分散，實現(xiàn)“高效”性能；以及通過對納米粒子的適當保護作用，實現(xiàn)“緩控釋”性能。