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(jì)、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(xué)家張子勇教授就此進(jìn)行了全面的介紹。

南京善思科技首席科學(xué)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(fù)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(dāng)農(nóng)藥品種不變時。”張子勇說，農(nóng)藥“高效”當(dāng)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(dāng)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(biāo)越充分，藥效發(fā)揮就越高。”

植保從業(yè)者們在仔細(xì)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(biāo)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(biāo)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(hù)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(dāng)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(yán)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(rèn)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(dá)爾現(xiàn)象來進(jìn)行識別，也就是用一個激光筆來識別，當(dāng)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(dá)爾現(xiàn)象，丁達(dá)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(dāng)然也可以用科學(xué)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(jìn)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粒或無定型顆粒并將其分散在水中，離子尺寸在50-200nm范圍。當(dāng)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(xué)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(dāng)初發(fā)現(xiàn)它時對其并不科學(xué)的稱謂。微乳劑于1928年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(rèn)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(jì)、環(huán)境友好；同時它是一種熱力學(xué)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(xué)穩(wěn)定之外，只有微乳劑熱力學(xué)穩(wěn)定，所謂熱力學(xué)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(jìn)有效成分對靶標(biāo)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(rèn)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(xì)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(xué)穩(wěn)定體系，納米乳劑是動力學(xué)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(xué)穩(wěn)定和動力學(xué)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(xué)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(jìn)行，由熱力學(xué)控制，成為熱力學(xué)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(jìn)行，只是速度很慢，以至不能檢測出來，由動力學(xué)因素——速度控制，成為動力學(xué)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(xué)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(hù)有效成分，賦予緩/控釋性能的納米農(nóng)藥。

“這里有聚合物負(fù)載、脂質(zhì)體負(fù)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(hù)，免于過早分解。

聚合物負(fù)載分兩類，一種叫納米微球，是聚合物分子摻雜、負(fù)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(dāng)?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(xì)菌和真菌的數(shù)量。總的來說，它的毒性被認(rèn)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(jìn)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(xué)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(jì)、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(dāng)保護(hù)作用，實現(xiàn)“緩控釋”性能。