戚晨雨, 周 杰, 張耀偉, 徐東輝*,, 劉廣洋

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜花卉研究所，北京 100081)

0 引言

近年來，基于多孔納米材料研發(fā)納米農(nóng)藥已成為農(nóng)藥新劑型創(chuàng)制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。多孔納米材料是指粒徑在1～1000 nm 之間的晶體材料[1]，而金屬-有機(jī)骨架 (metal-organic frameworks，MOFs)由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和功能特性，作為多孔納米載體在農(nóng)藥緩控釋領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注[2]。MOFs 是由不同的金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體連接而成的新型多孔納米材料，通過改變金屬離子與有機(jī)配體的組成，可設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)、不同孔徑大小和表面積的MOFs 納米載體[3]。MOFs 作為納米農(nóng)藥載體具有以下優(yōu)勢(shì)：其孔徑可調(diào)節(jié)，可負(fù)載不同尺寸的農(nóng)藥；孔隙率大，對(duì)農(nóng)藥的負(fù)載率較高；易通過功能化表面修飾，使其具有環(huán)境刺激響應(yīng)特性[4]。將農(nóng)藥負(fù)載于MOFs 納米載體上，并通過進(jìn)一步修飾功能基團(tuán)，可靶向遞送農(nóng)藥，從而改善農(nóng)作物病害發(fā)生部位對(duì)農(nóng)藥的吸收和代謝，顯著減輕傳統(tǒng)農(nóng)藥對(duì)環(huán)境和非靶標(biāo)生物造成的不良影響[5]。MOFs 納米農(nóng)藥的常規(guī)尺寸在10～1000 nm 之間[6]，不同尺寸的MOFs 納米農(nóng)藥具有不同的屬性，從而具有與其尺寸特性相關(guān)的不同功能，其尺寸大小與載體的負(fù)載效率、溶解度以及聚合物修飾等相關(guān)。與常規(guī)劑型農(nóng)藥相比，MOFs 納米農(nóng)藥具有粒徑小、黏附性高、靶向運(yùn)輸和可控釋放農(nóng)藥等特性[7]，可充分發(fā)揮有效成分的藥效，提高農(nóng)藥利用率，降低施用成本[8]。此外，MOFs 納米載體不同于其他多孔無機(jī)載體，其易在環(huán)境中降解，釋放出有機(jī)配體成分 (如可合成組氨酸的咪唑類配體) 和金屬元素 (如銅、鐵、鋅等)，作為營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)植物生長發(fā)育[9]。因此，將MOFs 納米載體應(yīng)用于農(nóng)藥緩控釋領(lǐng)域，研究開發(fā)新型環(huán)境友好型農(nóng)藥控釋劑已逐漸成為農(nóng)藥創(chuàng)制的重要發(fā)展方向[10]。陳慧萍等[11]對(duì)MOFs 在農(nóng)藥吸附和負(fù)載方面進(jìn)行了綜述，指出以MOFs 作為吸附劑而替代傳統(tǒng)吸附劑具有重要意義，Rojas 等[6]綜述了MOFs具有出色的吸附、識(shí)別和催化性能，主要展示了其在農(nóng)藥的釋放、吸附、檢測(cè)等方面的應(yīng)用。然而，大部分綜述報(bào)道對(duì)MOFs 納米載體的制備及功能化修飾方面涉及較少。本文擬從MOFs 納米載體的制備方法和MOFs 的功能化修飾策略，以及基于MOFs 納米復(fù)合材料在農(nóng)藥緩控釋方面應(yīng)用研究展開綜述，并對(duì)MOFs 納米農(nóng)藥載體存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期為后續(xù)的相關(guān)研究提供參考。

1 MOFs 納米載體的制備與功能化修飾

近年來，MOFs 納米載體以其優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于化學(xué)催化[12]、氣體儲(chǔ)存[13]、藥物遞送[14]和色譜分離[15]等多個(gè)領(lǐng)域，并且取得了較大進(jìn)展，而將其作為農(nóng)藥釋放載體的研究才剛剛開始。目前，常用于制備納米農(nóng)藥的MOFs 納米載體有以下幾個(gè)系列：ZIF (zeolitic imidazolate framework)、MIL (material of institute lavoisier)、UiO(university of oslo) 和PCN (porous coordination network) 等，制備方法也多種多樣[16]。同時(shí)，為了增加MOFs 納米載體的比表面積和孔徑，提高M(jìn)OFs作為載體的農(nóng)藥負(fù)載率，滿足納米農(nóng)藥對(duì)不同環(huán)境刺激的響應(yīng)控釋性能，在優(yōu)化調(diào)節(jié)MOFs 載體制備方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)MOFs 納米載體進(jìn)行表面功能化修飾，從而制備出負(fù)載率高、環(huán)境刺激響應(yīng)性好、農(nóng)藥緩控釋性優(yōu)良的MOFs 農(nóng)藥納米載體。

1.1 MOFs 納米載體的制備

目前應(yīng)用于負(fù)載農(nóng)藥的MOFs 納米載體的制備方法主要有：水熱/溶劑熱法、一鍋法和溶膠凝膠法，各類方法均有自身優(yōu)勢(shì)，拓展了MOFs 作為農(nóng)藥載體的應(yīng)用。

1.1.1 水熱/溶劑熱法 水熱/溶劑熱法 (hydrothermal/solvothermal method) 是一種重要的MOFs納米載體合成方法，是將金屬中心和有機(jī)配體的前驅(qū)體與反應(yīng)溶劑置于特制的密閉反應(yīng)體系 (一般是高壓釜)中，通過控制反應(yīng)溫度和時(shí)間進(jìn)行合成的一種有效方法 (圖1)[17]。水熱/溶劑熱法通過控制動(dòng)力學(xué)的方式來調(diào)控體系中化合物的反應(yīng)，其中通過溶劑、溫度和壓力的協(xié)同作用使前驅(qū)體 (包括常態(tài)下難溶或不溶的物質(zhì)) 參與合成，可以更好地使金屬中心與有機(jī)配體配位，合成的MOFs 晶粒結(jié)構(gòu)完整，具有較高的穩(wěn)定性。因該方法具有簡便、易操作、產(chǎn)率高、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前應(yīng)用最廣泛的MOFs 納米載體合成技術(shù)[18]。采用該方法制備MOFs 納米載體時(shí)，反應(yīng)溫度和時(shí)間、pH 值、反應(yīng)物物質(zhì)的量之比、添加表面活性劑和聚合物均是調(diào)控MOFs 納米載體結(jié)晶速率、晶體形貌和產(chǎn)率的關(guān)鍵因素[19]。Dong 等[20]以FeCl3·6H2O 和2-氨基對(duì)苯二甲酸 (2-aminoterephthalic acid，2-NH2-BDC) 為原料，在N,N′-二甲基甲酰胺 (DMF) 溶液中，采用溶劑熱法合成了MIL-101，其結(jié)晶良好，直徑為125～150 nm，呈規(guī)則的八面體結(jié)構(gòu)，可較好地負(fù)載和控釋烯唑醇(diniconazole，Dini)。

圖1 水熱/溶劑熱法 (或微波輔助法、超聲法) 合成示意圖[23]Fig.1 Schematic diagram of hydrothermal/solvothermal synthesis method (microwave/ultrasonic-assisted)[23]

水熱/溶劑熱法通常還可結(jié)合微波法和超聲法，以改善MOFs 晶體結(jié)構(gòu)，提高合成速率和產(chǎn)率[21]。微波輻射具有內(nèi)熱效應(yīng)，施加的高頻磁場(chǎng)能迅速使分子產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而使反應(yīng)體系的溫度迅速升高而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，大大減少了反應(yīng)時(shí)間，提高了反應(yīng)速率。Arenas-Vivo 等[22]為實(shí)現(xiàn)Fe-MOFs 商業(yè)化生產(chǎn)，比較了微波輔助合成Fe-MOFs 納米載體的過程中，不同反應(yīng)參數(shù) (如時(shí)間、溫度、濃度、反應(yīng)介質(zhì)) 對(duì)3 種Fe-MOFs 產(chǎn)物MIL-101-NH2、MIL-88B-NH2和MIL-53-NH2納米載體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，反應(yīng)介質(zhì) (水、乙醇及其混合溶液) 是微波輔助合成過程的主要影響因素，同時(shí)MOFs 前驅(qū)體溶液濃度、反應(yīng)溫度和時(shí)間是影響MOFs 納米載體合成的重要因素，決定了合成MOFs 結(jié)晶類型。低濃度前驅(qū)體溶液和低溫條件下可形成微孔的MIL-88B-NH2，而當(dāng)溫度低于100 ℃或反應(yīng)時(shí)間大于20 min 時(shí)，則MIL-88B-NH2轉(zhuǎn)化為晶體結(jié)構(gòu)較差的MIL-101-NH2；反之，濃度增加和溫度升高時(shí)則形成MIL-53-NH2。該反應(yīng)揭示了微波輔助水熱/溶劑熱合成MOFs 用于工業(yè)化生產(chǎn)的巨大潛力。然而，水熱/溶劑熱法也有一定的局限性，如其反應(yīng)周期較長，且需要高溫、高壓的反應(yīng)條件，使其對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求比較高，難以大規(guī)模生產(chǎn)，因此影響著該方法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.1.2 一鍋法 一鍋法 (one-pot method) 是指將金屬中心與有機(jī)配體分別溶于水或有機(jī)溶劑中，在常溫開放環(huán)境中將其混合，在反應(yīng)容器中進(jìn)行連續(xù)多步反應(yīng)，通過控制反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行材料合成的方法。Zhang 等[24]通過對(duì)溶劑體系的研究，優(yōu)化了ZIF-67 的制備工藝，確定了ZIF-67 在甲醇中具有良好的熱穩(wěn)定性，足以用于載藥。將2-甲基咪唑 (2-MIM) 與硝酸鈷按照質(zhì)量比1 : 8 的比例混合溶于甲醇中，并磁力攪拌4 h，制備出ZIF-67 微晶產(chǎn)物，粒徑在300～800 nm 之間，具有粒徑均勻性和顆粒分散性好的優(yōu)點(diǎn)，且表面光滑，可用于農(nóng)藥裝填。Liang 等[25]采用簡單的一鍋法，將合成ZIF-8 的原料Zn2+和2-MIM 與咪鮮胺 (prochloraz，Pro) 和多巴胺 (dopamine，DA) 同時(shí)放入反應(yīng)容器中，經(jīng)連續(xù)反應(yīng)合成了具有光觸發(fā)pH 響應(yīng)釋放的PD@ZIF-8。該方法從相對(duì)簡單易得的原料出發(fā)，不經(jīng)中間體的分離，可直接獲得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的MOFs 納米載體。由于一鍋法不需要使用特制容器，操作簡單，通常在室溫中即可進(jìn)行，是MOFs納米載體最為簡便的合成方法，但該方法只適用制備ZIF 系列MOFs 納米載體。

1.1.3 溶膠凝膠法 溶膠凝膠法 (sol-gel method)是制備MOFs 納米載體的常用方法。該方法是在溫和條件下，將兩種或兩種以上的金屬醇鹽 (或金屬氧化物) 溶解在溶劑 (通常是水、醇類有機(jī)溶劑及其混合溶液) 中得到均一、穩(wěn)定的前驅(qū)體溶液，在該溶液中加入酸、堿、鹽與前驅(qū)體發(fā)生水解反應(yīng)，使金屬化合物顆粒聚集在一起，形成分散的細(xì)小固體顆粒，此時(shí)該溶液稱為溶膠[26]；隨后加入特定的酸、堿、鹽類溶液使分散的固體顆粒聚合，通過固體顆粒之間的理化作用，最終形成透明溶膠狀液體，即凝膠[27]；最后，經(jīng)分散干燥得到固體介孔材料。在此過程中，前驅(qū)體經(jīng)過多次不可逆的化學(xué)反應(yīng)形成最終產(chǎn)物[28]。溫度是控制無機(jī)物與金屬鹽體系凝膠化結(jié)晶、決定凝膠化行為的關(guān)鍵因素，可使前驅(qū)體分子快速形成三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)，從而制備出純度高、孔徑結(jié)構(gòu)可控、熱穩(wěn)定性好、生物相容性優(yōu)異的MOFs 納米載體[29]。與水熱/溶劑熱法相比，該方法反應(yīng)條件溫和，適用于不同類型金屬離子，可制備出多種結(jié)構(gòu)的MOFs 納米載體。

Liu 等[30]向ZIF-8 溶液中引入小分子乙酸以達(dá)到ZIF-8 顆粒聚合的效果。乙酸與ZIF-8 之間的電子轉(zhuǎn)移以及氧吸附位點(diǎn)的還原增強(qiáng)了兩者之間的水解反應(yīng)，使溶液中的ZIF-8 固體顆粒迅速聚集形成膠體溶液，隨后將ZIF-8 溶膠涂在石英玻璃上，經(jīng)100 ℃干燥后形成ZIF-8 納米膜。通過改變n(Zn2+)、n(2-MIM)之比或乙酸體積來調(diào)節(jié)ZIF-8 納米膜的性能，以優(yōu)化ZIF-8 納米膜的物理化學(xué)性質(zhì)。使用溶膠凝膠法還可以制備MOFs與其他無機(jī)物的復(fù)合材料。Ramasubbu 等[31]將Co-MOF 加入鈦的異丙氧化物和乙酸的混合溶液中，攪拌24 h，然后在氨氣中反應(yīng)30 min，使溶液中的固體顆粒聚合，整個(gè)溶膠溶液凝膠化，去除凝膠體系中的雜質(zhì)和水，在室溫下進(jìn)行干燥得到新型的三維多級(jí)孔TiO2氣凝膠/Co-MOF 復(fù)合材料。TiO2氣凝膠/Co-MOF 納米載體復(fù)合材料增加了材料的金屬離子的種類、孔徑密度、比表面積，從而增加了農(nóng)藥吸附量。溶膠凝膠法為MOFs納米載體的功能化提供了有效途徑，但是該方法也存在以下不足：由于存在大量微孔，干燥過程中會(huì)導(dǎo)致膠粒體積的劇烈收縮，孔結(jié)構(gòu)也隨之減??；該方法所用時(shí)間較長；所用原料的價(jià)格較為昂貴。

1.2 MOFs 納米載體功能化修飾

MOFs 型納米農(nóng)藥作為一類綠色可持續(xù)的農(nóng)藥新劑型，可減少農(nóng)藥用量，增加農(nóng)藥防治效果，并可明顯提高對(duì)使用者、非靶標(biāo)生物及環(huán)境的安全性[32]。然而，單純地基于MOFs 納米載體的農(nóng)藥緩釋劑仍存在許多問題，如常規(guī)的MOFs納米載體只能被動(dòng)地緩釋農(nóng)藥，無法根據(jù)作物病蟲害的發(fā)生規(guī)律和發(fā)生部位進(jìn)行針對(duì)性地靶向控釋，存在早期農(nóng)藥釋放速率過快、后期存藥量少而釋放不足等問題，無法達(dá)到預(yù)期的防治效果。而隨著對(duì)作物病蟲害危害機(jī)理的深入研究，在MOFs納米載體上進(jìn)行功能化修飾可達(dá)到環(huán)境響應(yīng)控釋、精準(zhǔn)施藥的目的。通過對(duì)MOFs 納米農(nóng)藥進(jìn)行功能化修飾，對(duì)MOFs 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，可使MOFs 納米載體暴露更多的結(jié)合位點(diǎn)，從而增加對(duì)農(nóng)藥的吸附率；同時(shí)，修飾的功能基團(tuán)還能增強(qiáng)MOFs 載體抗環(huán)境干擾能力，增加其穩(wěn)定性；更重要的是，功能化修飾還使MOFs 復(fù)合材料具有良好的環(huán)境刺激響應(yīng)釋放性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥的靶向、精準(zhǔn)及按需施用[33]。

1.2.1 調(diào)節(jié)策略 MOFs 納米載體具有可控的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、特殊的理化性質(zhì)和有機(jī)配體的多樣性等優(yōu)勢(shì)[34]，在金屬離子與有機(jī)配體的配位過程中，通過引入其他金屬離子和有機(jī)配體，增加原體系中的金屬離子與配位基團(tuán)之間的競(jìng)爭(zhēng)性配位能力，以調(diào)節(jié)舊鍵斷裂和新鍵形成之間的平衡，從而暴露出更多的活性位點(diǎn)，增加載體對(duì)農(nóng)藥的負(fù)載和緩控釋性能[35]。

Li 等[36]將Ni2+和Co2+加入到含2-MIM 的溶液中，使兩種金屬離子發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)配位，合成了ZIF-67@Co-Ni 納米載體。該納米載體由于具有兩種不同金屬節(jié)點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)是具有不同物理特性的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性。這種修飾策略由于增加了不同金屬節(jié)點(diǎn)而增加了農(nóng)藥的結(jié)合位點(diǎn)，提高了農(nóng)藥負(fù)載率。除了金屬離子的配位競(jìng)爭(zhēng)作用，也可通過加入不同種類的單羧酸與有機(jī)配體競(jìng)爭(zhēng)，從而形成孔隙更大的介孔結(jié)構(gòu)。Feng等[37]以苯二酸二甲酯 (denzene dicarboxylate，BDC)為配體，4-磺基苯甲酸酯 (4-sulfonatobenzoate，PSBA) 為偶聯(lián)調(diào)節(jié)劑合成了UiO-66。其中，PSBA不僅作為一種具有功能化特性的調(diào)節(jié)劑，而且作為競(jìng)爭(zhēng)性配體，參與了UiO-66 的合成，在保持納米載體結(jié)構(gòu)完整的前提下，對(duì)烯醛類殺菌劑具有較高的選擇性和吸附性。調(diào)節(jié)策略的修飾機(jī)理是調(diào)節(jié)劑通過競(jìng)爭(zhēng)配位的方式阻礙金屬節(jié)點(diǎn)與有機(jī)配體之間的配位作用，因此，競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)可以調(diào)節(jié)成核速率和晶體生長。這種修飾策略為多功能MOFs 納米載體材料的制備提供了新思路。

1.2.2 后合成策略 MOFs 納米載體基于孔徑的尺寸可分為微孔材料 (孔徑小于 2 nm) 和介孔材料(孔徑在2～50 nm 之間)，傳統(tǒng)的制備方法，如水熱/溶劑熱法制備的MOFs 納米載體的孔徑通常為小于2 nm 的微孔MOFs 納米載體。MOFs 納米載體的微孔結(jié)構(gòu)在表觀上表現(xiàn)出比表面積較大的特性，有利于活性位點(diǎn)的分布。雖然這類MOFs 載體具有較高的比表面積和對(duì)小分子農(nóng)藥選擇性，但難以吸附或包封尺寸較大的農(nóng)藥分子[38]。MOFs納米載體的介孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了傳質(zhì)過程，具有較大的孔徑與孔容，可以負(fù)載更多的農(nóng)藥，但是介孔MOFs 納米載體在農(nóng)藥分子釋放過程中會(huì)發(fā)生塌縮，造成農(nóng)藥的快速釋放，不能達(dá)到緩控釋效果，同時(shí)介孔MOFs 納米載體對(duì)農(nóng)藥的應(yīng)用范圍有限[39]。通過使用后合成策略，選擇不同的蝕刻劑與MOFs 納米載體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，對(duì)MOFs晶體的孔隙度進(jìn)行微調(diào)，形成微孔結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)共存的多級(jí)孔MOFs 納米載體。與常規(guī)MOFs納米載體相比，此類納米載體增加了對(duì)不同農(nóng)藥的選擇性吸附范圍和農(nóng)藥的負(fù)載效率[40]。因此，后合成策略為合成不同孔徑的MOFs 納米載體提供了一種新的方法。

Fang 等[41]通過四氯金酸 (HAuCl4) 和DA 的原位氧化聚合，形成聚多巴胺 (polydopamine，PDA)，隨后將Au/PDA 包覆在ZIF-8 上，同時(shí)蝕刻ZIF-8，得到了Au/PDA-ZIF-8 的立方形雜化晶體材料。該方法蝕刻過程是Au3+和Zn2+同時(shí)螯合到ZIF-8 的有機(jī)配體2-MIM 和PDA 上，其中PDA不僅作為ZIF-8 的蝕刻劑，還作為配體參與了ZIF-8 的再合成，增加了材料的穩(wěn)定性。該方法擴(kuò)大了ZIF-8 的孔隙度，同時(shí)也保存了固有的結(jié)晶度和外部形態(tài)，可為合成特定的MOFs 納米載體提供了一種簡單的途徑。Xiao 等[42]用10 g/L 原花青素蝕刻介孔ZIF-8 顆粒，通過調(diào)整蝕刻時(shí)間得到了不同尺寸的親水性空心立方體籠形結(jié)構(gòu)和蛋黃殼結(jié)構(gòu)的ZIF-8。由于花青素的空間體積比配體2-MIM 更大，經(jīng)花青素改性后，ZIF-8 的孔隙數(shù)量顯著增加，出現(xiàn)了大量微孔和介孔結(jié)構(gòu)，有效提高了對(duì)柏樹精油的負(fù)載率 (26%)，并對(duì)黑曲霉顯示出良好的抑菌性能。Yang 等[43]以1,4-苯二甲酸 (1,4-benzenedicarboxylate，1,4-BDC) 為有機(jī)配體，鋯離子簇[Zr6O4(OH)4]為金屬節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了Zr-MOFs 納米載體。使用丙酸 (propionic acid，PA) 作為蝕刻劑來調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)、形貌和孔徑尺寸，通過Zr4+與羧酸鹽的之間新鍵的合成，可將微孔Zr-MOFs 轉(zhuǎn)化為介孔Zr-MOFs，表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性 (圖2)。結(jié)果表明，Zr-MOFs 載體經(jīng)丙酸蝕刻，其配體結(jié)構(gòu)部分缺失，骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生了部分改變，同時(shí)引入了新的活性位點(diǎn)。隨著蝕刻程度的加深，導(dǎo)致了整個(gè)金屬簇的缺失，在納米載體表面形成了較大的孔隙結(jié)構(gòu)，可以負(fù)載體積較大的農(nóng)藥分子。由于蝕刻程度對(duì)MOFs 載體結(jié)構(gòu)影響較大，因此在使用后合成策略時(shí)，掌握適當(dāng)?shù)奈g刻程度，選擇合適的蝕刻劑，是成功修飾MOFs 載體材料的重要前提。

圖2 采用PA 作為蝕刻劑后合成策略制備分層多孔Zr-MOFs 的示意圖[43]Fig.2 Schematic illustration for the fabrication of hierarchical porous Zr-MOFs using PA as an etching agent[43]

1.2.3 復(fù)合體修飾策略 在納米農(nóng)藥應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，單一的MOFs 納米載體難以達(dá)到控釋效果，而將二氧化硅 (SiO2)、殼聚糖 (chitosan，CS)、PDA 等無機(jī)或有機(jī)聚合物作為MOFs 納米載體的保護(hù)性外殼，可賦予MOFs 納米農(nóng)藥環(huán)境刺激響應(yīng)功能[44]。MOFs 納米載體結(jié)構(gòu)具有特殊的的配位位點(diǎn)，可以更好地與客體分子及反應(yīng)中間體結(jié)合[45]。基于MOFs 材料復(fù)合而成的新型納米載體具有顯著的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，不僅可以有效地負(fù)載農(nóng)藥，其理化性質(zhì)也可通過與多功能化合物復(fù)合進(jìn)一步優(yōu)化，從而增強(qiáng)載體和農(nóng)藥的環(huán)境穩(wěn)定性，防止農(nóng)藥泄露，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的靶向控制釋放[46]。其外層的包覆物質(zhì)還可以根據(jù)材料的特性響應(yīng)pH 值、光、溫度等不同的環(huán)境刺激從而釋放農(nóng)藥。這種農(nóng)藥控釋載體可通過高效精確控制農(nóng)藥釋放，最大限度地減少農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的危害。Gao等[47]構(gòu)建了氯蟲苯甲酰胺 (chlorantraniliprole,CAP) 控釋載體MIL-101@ SiO2。結(jié)果表明，制備的CAP@MIL-101@ SiO2尺寸約為 270 nm，具有穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)，呈高度結(jié)晶的正八面體。SiO2的引入賦予了載體較強(qiáng)的穩(wěn)定性、良好的水分散性和高生物相容性，且SiO2具有堿觸發(fā)釋放的特性，既防止了CAP 的過早釋放，又提高了CAP@MIL-101(Fe)@SiO2在紫外光照射下的光穩(wěn)定性(提高了16.5 倍)。生物測(cè)定結(jié)果顯示，CAP@MIL-101@SiO2處理對(duì)小蛾幼蟲的死亡率 (86%) 顯著高于CAP 原藥 (36.7%)，具有良好的殺蟲活性。因此結(jié)合MOFs 和SiO2制備的納米復(fù)合材料可作為智能納米農(nóng)藥控釋體系，提高農(nóng)藥的施用效率。富馬酸二甲酯 (dimethyl fumarate) 是一種高效的殺菌劑，Huang 等[48]提出了將羧甲基殼聚糖(carboxymethyl chitosan，CMCS) 與MOFs(HKUST-1) 結(jié)合，構(gòu)建生態(tài)友好、可循環(huán)利用、持效期長的富馬酸二甲酯載體 (HKUST-1@CMCS)的新策略。其中，CMCS 具有良好生物相溶性、低毒性、生物可降解性、循環(huán)利用性等特性，是一種良好的藥物釋放載體。HKUST-1@CMCS 的控釋機(jī)制是通過環(huán)境中不同強(qiáng)度的磷酸鹽刺激，使CMCS 逐步被分解，以實(shí)現(xiàn)富馬酸二甲酯的智能釋放。結(jié)果表明，DMF@HKUST-1@CMCS 抑菌活性優(yōu)越且長效。此外，MOFs 的金屬節(jié)點(diǎn)與CMCS 的活性基團(tuán) (即 -COOH、-NH2和 -OH) 之間的相互作用，減少了載體中的金屬離子在環(huán)境中的遷移性，因此，通過金屬節(jié)點(diǎn)與聚合物交聯(lián)制備復(fù)合材料HKSUT-1@CMCS 可以有效地避免金屬離子可能帶來的生物安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 MOFs 納米載體的農(nóng)藥緩控釋應(yīng)用

納米技術(shù)最初被應(yīng)用于農(nóng)藥緩控釋領(lǐng)域時(shí)，研究主要集中在使用生物可降解聚合物作為納米載體，而這些納米載體熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較差，易在光照下降解或在酶的作用下水解[49]。相反，多孔納米材料具有較高的穩(wěn)定性，因此受到越來越多的關(guān)注，特別是MOFs 載體材料。MOFs納米農(nóng)藥具有分散性好、光熱穩(wěn)定性強(qiáng)、環(huán)境響應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，從而延長了農(nóng)藥使用時(shí)間，提高了藥效[50]。其中MOFs 納米農(nóng)藥主要用來負(fù)載殺菌劑、殺蟲劑與植物生長調(diào)節(jié)劑 (表1)。

表1 基于MOFs 的刺激響應(yīng)性載體用于農(nóng)藥控釋Table 1 MOFs-based stimuli-responsive carriers for controlled release of pesticides

2.1 殺菌劑

常見的殺菌劑種類有三唑類、甲氧基丙烯酯類以及酰胺類等，這些殺菌劑具有獨(dú)特的作用機(jī)理、較高的殺菌活性，對(duì)植物還能起到治療和保護(hù)的作用。啶酰菌胺 (boscalid) 是一種高效的殺菌劑，但其存在穩(wěn)定性、水溶性差等缺點(diǎn)，為改善這些問題，Zhang 等[24]制備了一種pH 敏感的啶酰菌胺控釋體系Boscalid@ZIF-67，啶酰菌胺通過物理吸附法負(fù)載到ZIF-67 載體，合成了裝載率高達(dá)18%、大小均勻、形狀為十二面體的Boscalid@ZIF-67。啶酰菌胺的釋放由于ZIF-67 結(jié)構(gòu)中的弱酸性基團(tuán)而表現(xiàn)出pH 敏感反應(yīng)，在酸性條件下，其控釋效果較好。與傳統(tǒng)啶酰菌胺懸浮劑、乳油等劑型相比，Boscalid@ZIF-67 表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和水溶性，具有較高的利用效率和病菌控制率，對(duì)灰霉病菌的抑菌效果是市售產(chǎn)品的4～6 倍，而同等條件下的生物毒性則遠(yuǎn)低于后者。Shan 等[54]以Dini 為模式農(nóng)藥，以Fe3+為節(jié)點(diǎn)，2-NH2-BDC 為有機(jī)配體，通過微波輔助溶劑熱法合成了八面體鐵基單晶體MOFs (NH2-Fe-MIL-101)。采用物理吸附法將殺菌劑Dini 負(fù)載到NH2-Fe-MIL-101中，得到了農(nóng)藥負(fù)載量為28.1%的Dini@NH2-Fe-MIL-101，隨后PDA 修飾在Dini@NH2-Fe-MIL-101 外層，形成核殼結(jié)構(gòu)，PDA 在酸性條件下加速降解，使負(fù)載的農(nóng)藥釋放，Dini 在酸性條件下的累積釋放率 (97%) 遠(yuǎn)高于在中性和堿性條件下的 (61%)。與Dini 原藥相比，所制備的納米農(nóng)藥對(duì)小麥赤霉病防治效果較好。同時(shí)，感染番茄青枯病的植株所在的土壤環(huán)境也呈酸性，Liang 等[51]開發(fā)了一種有效、安全的農(nóng)業(yè)細(xì)菌性疾病控制技術(shù)，將氧化鋅 (ZnO) 納米球和ZIF-8 分別作為核和殼，采用原位晶體生長策略制備了pH 響應(yīng)性核殼結(jié)構(gòu)的納米載體ZnO-ZIF-8，將殺菌劑小檗堿(berberine，Ber) 負(fù)載于納米載體形成Ber@ZnO-ZIF-8，用于防治番茄青枯病。結(jié)果表明，

Ber@ZnO-ZIF-8 能在酸性環(huán)境 (pH 為4.5～5.5) 中快速釋放Ber，體外試驗(yàn)表明，Ber@ZnO-ZIF-8 的抑菌活性分別是Ber 和ZnO-ZIF-8 的4.5 倍和1.8 倍，原因是Ber@ZnO-ZIF-8 能誘導(dǎo)活性氧(reactive oxygen species，ROS) 產(chǎn)生，導(dǎo)致DNA 損傷，細(xì)胞質(zhì)滲漏，細(xì)胞膜通透性改變，釋放的Ber 與DNA 結(jié)合后更容易穿透細(xì)菌，因此Ber 與ZnO-ZIF-8 載體結(jié)合能達(dá)到高效的協(xié)同殺菌效果，能有效防治土傳細(xì)菌性病害。

MOFs 納米農(nóng)藥可同時(shí)具有雙重環(huán)境刺激響應(yīng)模式。Tang 等[55]為實(shí)現(xiàn)雙刺激響應(yīng)的農(nóng)藥釋放，以金屬離子簇Zr4+和中-四 (4-羧基苯基) 卟吩[meso-tetra(4-carboxyphenyl)porphine，H2TCPP]合成了多孔卟啉MOFs (PCN-224) 納米載體，用于戊唑醇 (tebuconazole，TEB) 的負(fù)載和控釋，制備的PCN-224 對(duì)TEB 的負(fù)載率約為30%，隨后通過逐層自組裝果膠 (pectin) 和CS 制備了TEB 微囊TEB@PCN@P@C (圖3)。在酸性條件下或者果膠酶的存在下，使復(fù)合體中的果膠和CS 被分解，從而引起內(nèi)部負(fù)載的農(nóng)藥緩慢釋放，顯示出良好的雙重環(huán)境刺激響應(yīng)性能。生物測(cè)定表明，TEB@PCN@P@C微膠囊釋放的TEB 對(duì)油菜黃單胞菌表現(xiàn)出良好殺菌作用，且作用效果更持久。同時(shí)PCN-224 在光和氧的作用下產(chǎn)生單線態(tài)氧，使其在光照條件下(67.96%)的殺真菌效果比在黑暗條件下 (51.08%)更好，進(jìn)一步增強(qiáng)了殺菌效果，被證明是農(nóng)藥制劑中一種極具潛力的高效給藥系統(tǒng)。

圖3 (a) PCN-224 的制備機(jī)理和空間結(jié)構(gòu)；(b)果膠、殼聚糖包覆機(jī)制示意圖[55]Fig.3 (a) The mechanism and spatial structure for the preparation of PCN-224; (b) Schematic diagram of the coating mechanism of pectin and chitosan[55]

長期使用單一殺菌劑會(huì)增加靶向微生物的耐藥性，也會(huì)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成不良影響。為此，復(fù)合兩種及以上的殺菌劑可有效降低微生物的耐藥性。Chen 等[50]以Al3+為金屬節(jié)點(diǎn)，2-NH2-BDC 為有機(jī)鏈，通過微波輔助溶劑熱法制備出具有“花椰菜狀”結(jié)構(gòu)、高表面積 (2359.0 m2/g) 的Al-MOF (NH2-Al-MIL-101)。將嘧菌酯 (azoxystrobin，AZOX) 和Dini 兩種殺菌劑同時(shí)包封在NH2-Al-MIL-101 中，AZOX 和Dini 的負(fù)載率分別為6.71%和29.72%，與單獨(dú)農(nóng)藥負(fù)載率沒有差別，但AZOX@Dini@NH2-AlMIL-101 比單一農(nóng)藥復(fù)合體的農(nóng)藥釋放效率明顯提高，AZOX 和Dini 的最大累積釋放率均達(dá)到90%以上，增效比為1.83，對(duì)水稻紋枯病的協(xié)同防治效果顯著。同時(shí)納米載體NH2-Al-MIL-101 也起到了抗真菌作用，該研究為MOFs 作為載體同時(shí)控制釋放多種農(nóng)藥的應(yīng)用提供了可能。

2.2 殺蟲劑

MOFs 納米載體中常用來負(fù)載有機(jī)類殺蟲劑，例如煙堿類、擬除蟲菊酯類殺蟲劑。Meng 等[56]開發(fā)了一種高效氯氟氰菊酯 (lambda-cyhalothrin,LC) 載體MOFs (UiO-66)。使用溶劑熱法制備UiO-66，并通過調(diào)整LC 與UiO-66 的比例，得到的LC@UiO-66 具有較高的載藥率 (87.71%)，該復(fù)合體系能有效保護(hù)LC，防止其在光和熱條件下被分解，同時(shí)降低LC 的環(huán)境毒性，提高農(nóng)藥利用率。LC@UiO-66 與LC 原藥和市售殺蟲劑微囊相比，對(duì)蚜蟲表現(xiàn)出更優(yōu)異的殺蟲活性，具有長期的殺蟲效果。

利用環(huán)境刺激變化調(diào)節(jié)控釋載體的降解，從而智能、靶向地釋放農(nóng)藥分子，降低非靶標(biāo)毒性，提高殺蟲劑防治效果。Feng 等[57]以CMCS 作為農(nóng)藥早期釋放載體的外層，MIL-101 作為農(nóng)藥后期釋放的內(nèi)層載體，呋蟲胺 (dinotefuran，DNF)作為模式農(nóng)藥，通過化學(xué)交聯(lián)法制備了環(huán)保型長效控釋系統(tǒng)DNF@MIL101@CMCS，該控釋體系能有效防治DNF 被光解，直接避免了DNF 在使用過程中活性成分的損失，同時(shí)在環(huán)境中檸檬酸(citric acid，Cit) 的作用下，CMCS 降解而釋放出DNF，因而具有良好的環(huán)境刺激響應(yīng)性能，可有效地控釋DNF。生物活性測(cè)定結(jié)果表明，DNF@MIL-101@CMCS 對(duì)稻飛虱的實(shí)際殺蟲效果較好，在蟲害早期和蟲害爆發(fā)后期都表現(xiàn)出了有效的防治效果。Feng 等[58]利用UiO-66 與海藻酸鹽(alginate, Alg) 的化學(xué)結(jié)合制備了UiO-66/Alg 水凝膠農(nóng)藥載體，將噻蟲胺 (clothianidin，CTD) 負(fù)載于UiO-66/Alg 中，可顯著降低農(nóng)藥在環(huán)境中的殘留和對(duì)非目標(biāo)生物的危害。海藻酸鹽的引入賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的紫外線穩(wěn)定性能，與CTD 原藥相比，UiO-66/Alg-CTD 的抗光解能力提高了3.5 倍，在環(huán)境中不同濃度磷酸鹽的作用下，Alg 被分解，從而釋放出CTD，因此具有較好的環(huán)境刺激響應(yīng)性能。通過表征結(jié)果分析，UiO-66/Alg 對(duì)CTD 的載藥量可達(dá)45%，在45 ℃時(shí)CTD 的釋放量為93.52%。生物測(cè)定結(jié)果表明，該復(fù)合材料殺蟲效果好，且對(duì)植物生長影響較少，表明了UiO-66 作為生物友好、智能穩(wěn)定型農(nóng)藥載體的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2.3 植物生長調(diào)節(jié)劑

植物生長調(diào)節(jié)劑對(duì)植物具有調(diào)控生長，提高抗病和抗逆能力、改善品質(zhì)、提高產(chǎn)量等作用[60]。目前MOFs 納米載體主要用于乙烯的控釋，用來控制果實(shí)的采后催熟。Zhang 等[59]開發(fā)了一種固體多孔MOFs 來封裝乙烯并控制釋放，用于控制躍變期水果成熟。以Cu2+為金屬節(jié)點(diǎn)，對(duì)苯二甲酸 (terephthalic acid, TPA) 為有機(jī)配體，采用溶劑熱法制備了可負(fù)載乙烯的矩形CuTPA-MOF。結(jié)果表明，該Cu-MOF 具有高孔隙度，其孔體積為0.39 cm3/g，比表面積為708 m2/g。將50 mg 的Cu-MOF-乙烯放置于4 L 的容器中，3 h 后，乙烯累積釋放率達(dá)95.8%，顯著加速了香蕉和牛油果的成熟。Guan 等[53]建立了一種新型的乙烯控釋系統(tǒng)。通過水熱法制備了正六面體的Al-MOF，將Alg-Fe3+基體包裹在Al-MOF 外層，制備控制乙烯釋放的蛋盒結(jié)構(gòu) (Al-MOF@Alg-Fe3+)。檸檬酸鈉(NaCit) 可以促進(jìn)乙烯在Al-MOF@Alg-Fe3+中的釋放，在NaCit 的作用下，Alg 殼降解，從而引發(fā)乙烯的釋放 (圖4)。因此，Al-MOF 和CuTPA-MOF可用于控制乙烯釋放，適用于果蔬采后施用，刺激果實(shí)成熟。

圖4 檸檬酸鈉誘導(dǎo)Al-MOF 控制乙烯釋放示意圖[53]Fig.4 Illustration of the NaCit-induced Al-MOF exposure for the controlled release of ethylene[53]

3 結(jié)論與展望

近幾年，MOFs 作為一種極具前景的載體材料受到了各領(lǐng)域的青睞，因其多孔性、高表面積和可控性，且具有優(yōu)異的載藥能力，良好的穩(wěn)定性，改善了傳統(tǒng)農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用方式。同時(shí)開發(fā)了新型的具有環(huán)境刺激響應(yīng)功能的MOFs納米農(nóng)藥，有望通過環(huán)境刺激來控制農(nóng)藥的釋放，在一定程度上為開發(fā)高效、精確農(nóng)藥遞送納米平臺(tái)提供了良好的條件，做到農(nóng)藥的對(duì)環(huán)境友好的合理使用。

本綜述介紹了多種MOFs 納米載體的合成方法以及MOFs 功能化修飾的方法，總結(jié)了MOFs納米農(nóng)藥緩控釋應(yīng)用。MOFs 納米農(nóng)藥可增強(qiáng)農(nóng)藥防治效果，減少農(nóng)藥用量，延長持效期，最大限度地減少農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的危害，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，具有良好的推廣應(yīng)用前景。然而，目前納米技術(shù)在農(nóng)藥緩控釋領(lǐng)域的研究才剛剛開始，MOFs 納米載體的制備及其功能化修飾策略，仍處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，難以大規(guī)模生產(chǎn)，離商業(yè)化應(yīng)用還有一段距離，今后對(duì)MOFs作為納米農(nóng)藥載體仍需大量的研究工作，例如，為了負(fù)載不同種類的農(nóng)藥，必須賦予MOFs 納米載體更多的功能特性，并根據(jù)農(nóng)藥性質(zhì)調(diào)節(jié)載體的合成方法，研究MOFs 納米載體功能化修飾有效策略；要實(shí)現(xiàn)MOFs 納米農(nóng)藥的規(guī)?；a(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用，還需要進(jìn)一步了解MOFs 納米載體的理化性質(zhì)、環(huán)境因素、生物效應(yīng)之間的相互關(guān)系?？傊c傳統(tǒng)的多孔載體相比，MOFs 納米載體具有成為新一代農(nóng)藥載體的潛力，有利于推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。