（应用化学专业论文）竹红菌乙素光活化农药实用制剂研制及性能研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 竹红菌素( h y p o c r e l l i n ) 包括竹红菌甲素( h a ) 和竹红菌乙素( h b ) ，是我国 特产的一种新型天然花醌类光敏剂。竹红菌素及其衍生物具有易纯化、成本 低、有效组分结构清楚、化学修饰性好、光敏剂三重态量子产率和单重态氧 量子产率高、兼具类型i 和类型i i 双重光敏化功能、暗毒性低、从正常组织 的清除速度快等优点，是一种有应用前景的光疗药物。民间曾用竹红菌素治 疗胃痛、关节炎和皮肤病等。近年已证明它们抗艾滋病毒和抗肿瘤活性。前 期实验室阶段研究表明：竹红菌素作为光活化农药杀虫效果是肯定的：竹红 菌素类光敏剂在光动力治疗常见微血管类疾病方面具有特殊的优势。而作为 实用化药物需要解决的关键问题之是药物的制剂问题，即在不影响药物光 敏活性的前提下提供稳定、无毒、给药方便的制剂。我们继以往对竹红菌素 的基础研究，成功研制出高分散、高活性和低成本的水溶性制剂，并研究了 竹红菌素在新剂型中的光敏化机理和效率，从而为临床实用型光动力药物和 防治棉、粮、果、菜等广谱功能的新型光活化农药奠定基础。 在不影响竹红菌素自身的光动力效率前提下，制备具有高分散性、低成 本、易操作、安全性的实用制剂是首先需要解决的关键问题。因此，本论文 婆重墨旦盟厶- 畜安全的鏖鱼堑整! 墨周星士王些些生芒的麓曼延查塑塑鱼： 型旦室亘适焦赳坦渲的方法。童哒堡剑出笪丝堕圣苤巍适些壅苎壹蛹堕堕蛰 和制备友法z + 莹0 盔工县直纳米尺度佥馘煎红菌乙素光活化农药尊弛同时， 由于使用材料和加工技术的安全性，此论文中获得的技术和方法对于研制应 用于人类疾病( 如血管类疾病) 的光动力医疗药物也有借鉴价值。具体研究 内容和结果如下： 1 本文首先采用传统的有机物提取的方法，从竹红菌中提取竹红菌甲素，利 用竹红菌甲素在碱液中脱水反应，合成竹红菌乙素，经过分离、纯化等方 法，完成原药的制备。根据表面活性剂的亲水一亲油平衡值( h l b ) 和药 物在水有机相中的脂水分配系数，选择生物相溶性好、符合农药制剂使 用的表面活性剂作为乳化剂，适当加入缓冲剂( 磷酸盐类) 作为p h 调节 剂，加入抗坏血酸作教还原费啦避免制剂氧化失效。通过比较筛选，首次 提出性能稳定的制剂配方。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 利用安全、简单、易操作、利于工业化生产的技术和设备，采用超声一乳 化法，首次制各了具有纳米级尺度、分散性良好的竹红菌乙素光活化农药 制剂，给出了制剂的具体制备方法。该竹红菌素的制剂方法，可以针对性 的用于农药，也可以改善后用做特殊针对性的光动力医疗微血管类疾病的 光动力药物注射针剂。 3 本文应用紫外可见吸收光谱( u v v i s ) 和荧光光谱等手段，研究了竹红 菌乙素在下x 1 0 0 胶束中的光谱性质，计算出竹红菌乙素在t x 1 0 0 胶束 中的相对荧光量子产率为0 ，0 3 。比较了不同浓度下t x 1 0 0 胶束对竹红菌 素的增溶能力，测定了光、热对体系稳定性的影响，同时，胶束体系在进 一步稀释处理后，竹红菌素自身并不发生自聚集而沉淀所能锃持很好的稳 定性，常温避光条件下两周的分解率q 5 ，保存十个月无沉淀，使得实 用化问题能够解决。 4 利用透射电子显微镜( t e m ) 技术，观察竹红菌乙素胶束的大小和形貌， 比较放置不同时间后胶束形貌的变化。利用荧光光谱法对竹红菌乙素在胶 束中的结合能力进行了研究，通过荧光猝灭实验，计算出荧光猝灭分数为 0 6 5 ，为预测竹红菌乙素在胶束中的结合位置提供了依据。 5 利用电子顺磁共振( e p r ) 技术和紫外可见吸收光谱( u v v i s ) 等方法， 研究了竹红菌乙素在t x 一1 0 0 胶束中的光敏化产生活性物( o z 、o h 、0 2 。、 h 2 0 2 和h b 一) 效率和反应机制，结果表明，在胶束溶液中，保持了竹红 菌乙素很高的光动力活性。单重态氧的量子产率为0 7 2 ，与有机溶剂中相 当。光敏化反应机制同时包括类型i 一自由基机制( o h 、0 2 一和h b 。一) 和类型i i 一单重态氧机制( 1 0 2 ) 。 关键词：竹红菌素：光活化农药；胶束；光敏化；电子顺磁共振( e p r ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y p o c r e l l i n s ，i n c l u d i n gh y p o c r e l l i na ( h a ) a n dh y p o c r e l l i nb ( h b ) ，a r e n a t u r a l l yo c c u r r i n gp e r y l e n e q u i n o n ed e r i v a t i v e s t h a th a v e b e e nu s e da sf o l k m e d i c i n e sf o rc e n t u r i e si nc h i n a r e c e n ty e a r s ，p e o p l e p a ym o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt oc l i n i c a l a p p l i c a t i o n o fh y p o c m l l i n sa s p h o t o t h e r a p e u t i ca g e n t a d v a n t a g e so f h y p o c r e l l i n s c a nb el i s t e db e l o w ：p u r i f i e de a s i l y , l o wc o s t s ，d e f i n i t e c h e m i c a ls t r u c t u r e s ，c h e m i c a l l ym o d i f i e de a s i e r , h i 。g hq u a n t u my i e l d so ft r i p l e t s t a t ea n d s i n g l e to x y g e n ，b o t ht y p e ia n di i p h o t o s e n s i t i z a t i o nm e c h a n i s m s i n v o l v e d ，l i t t l et o x i c i t yi nd a r ka n dq u i c k l ye l i m i n a t e df r o mb o d y t h e yw e r eu s e d t oc u r es t o m a c hd i s e a s e s ，a r t h r i t i sa n ds o m es k i nd i s e a s e s r e c e n t l y , i th a sb e e n p r o v e d t h a th y p o c r e l l i n sp o s s e s st h ea n t i a i d sa n da n t i t u m o ra c t i v i t i e s ，b e s i d e s ，i t w a sc o n f i r m e dt h a t h y p o c r e l l i n s c o u l da l s o p l a yt h e r o l eo fk i l l i n gp e s t sa s p h o t o a c t i v a t e dp e s t i c i d e s m o r er e c e n t l y , i t h a sb e e nw e l l p r o v e d t h a t h y p o c e m l l i n sa r ee s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rp h o t o d y n a m i ct h e r a p yo f v a sc a p i l l a r y d i s e a s e s ，s u c ha s ，p o r tw i n es t a i na n da g e r e l a t e dm a c u l a rd e g e n e r a t i o n ( 舢“d ) ， b e c a u s eo ft h e i rs p e c t r a lp r o p e r t i e s h o w e v e r , t h e r ei ss d l lac r i t i c a lp r o b l e mf o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o fp h a r m a c e u t i c a l s ，t h a t i s ，ab i o l o g i c a la c c e p t a b l e ， p h y s i c a l l ya n dc h e m i c a i l ys t a b l e ，n o n t o x i cp r e p a r a t i o nw i t hh i g hp h a r m a c e u t i c a l a c t i v i t y i st h en e c e s s a r yp r e r e q u i s i t e b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s ，i nt h e c u r r e n tw o r k w e l ld i s p e r s e da n dw a t e r - s o l u b l ep h o t o a c t i v a t e dp e s t i c i d e s “t 1 1l o w c o s t sw e r ep r e p a r e da n dt h ep h o t o s e n s i t i v ee f f i c i e n c ya n dm e c h a n i s m sw e r e s t u d i e d ，w h i c hp r o v i d e dn o to n l yap r a c t i c a l l ya p p l i c a b l ep h o t o a c t i v a t e dp e s t i c i d e f o r p r o t e c t i n gc o t t o n ，g r a i n ，f r u i t ，v e g e t a b l e b u ta l s o a m e t h o d o l o g y f o r c o m p o s i t i o no f c l i n i c a i l ya p p l i c a b l ep h o t o t h e r a p e u t i cm e d i c i n e s i no r d e rt or e a l i z et h ea p p l i c a t i o no f h y p o c r e l l i n sa sp h o t o a c t i v a t e dp e s t i c i d e s w i t h o u tl o s i n go ft h ep h o t o d y n a m i ca c t i v i t y , t h ep r e p a r a t i o ns h o u l db eh i g h l y d i s p e r s e d ，l o wc o s t ，e a s i l yp r o c e s s e da n ds a f e t y t o h u m a n ，p l a n t s a n do t h e r a n i m a l s i nt h i sw o r k ，n a n o m e t e rs i z e da n dh i g h l yd i s p e r s e dh b - m i c e l l e sw e r e p r e p a r e df o rt h ef i r s tt i m eb yu s i n gc h e a pa n dn o th a r m f u lm a t e r i a l st oh u m a n s 哈尔演工程大学硕士学位论文 a n d a n i m a l s ，b e s i d e s ，t h e c u r r e n t t e c h n o l o g ya p p l i e d a sl e s sa n d s i m p l e e q u i p m e n t sa sp o s s i b l e i nc o n s i d e r a t i o no fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n m e a n w h i l e ， b e c a u s et h em a t e r i a l su s e di nt h i sw o r ka r es a f et oh u m a nb e i n g s ，i tm a yb e a p p l i e d a l s oa san e w d o s a g eo fc l i n i c a l l ya c c e p t a b l ep h o t o t h e r a p e u t i cm e d i c i n e t o v a s c a p i l l a r yd i s e a s e s t h ec o n t e n t sa n d r e s u l t sa r el i s t e db e l o w ： 1 h a ，i s o l a t e df r o mh y p o c r e l l ab a m b u s a e ( b e tb r ) s a c c ，w a sd e h y d r a t e di n a l k a l i n es o l u t i o nt od e r i v eh bq u a n t i t a t i v e l y t h es u r f a e t a n t s u s e df o r e m u l s i f i c a t i o no fh bw e r es e l e c t e di nt h el i g h to fh y d r o p h i l i c - l i p o p h i l i c b a l a n c e ( h l b ) a n d t h ep a r t i t i o nc o e f f i c i e n t s ( p c ) b e t w e e nw a t e ra n do r g a n i c p h a s e s n l ep h o s p h a t eb u f f e rw a s u s e dt oa d j l i s tt h ep hv a l u e v i t a m i ncw a s u s e da sar e d u c t i o na g e n tt op r e v e n tf r o mo x i d a t i o na n di n v a l i d a t i o n t h e c o m p o s i t i o n o ft h e p r e p a r a t i o n w a sd e t e r m i n e d b y t h e s t a b i l i t y a n d p h o t o d y n a m i ca c t i v i t y 2 t h en a n o m e t e r - s i z e da n dw e l l - d i s p e r s e dp r e p a r a t i o no fh b 懿p h o t o a c t i v a t e d p e s t i c i d e s w a sp r e p a r e d b yu l t r a s o n i c - e m u l s i f i c a t i o n t h ep r e p a r a t i o n o f h y p o c r e l l i n sc a nb en o to n l ys u i t a b l ef o rp h o t o a c t i v a t e dp e s t i c i d e s ，b u ta l s o a p p l i c a b l e t o p h o t o d y n a m i e a lt h e r a p y o fv a sc a p i l l a r yd i s e a s e s ，b ys o m e m o d i f i c a t i o n si f n e e e s s a r y 3 t h e s p e c t r a lp r o p e r t i e s o fh bi nt r i t o nx - 1 0 0 ( t x - 1 0 0 ) m i c e l l e sw e r e m e a s u r e do nu v v i sa b s o r p t i o ns p e c 仃o s c o p ya n df l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y t h er e l a t i v ef l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d ( o 0 3 ) w a se s t i m a t e d f o rh bi n t x 1 0 0m i c e l l e s t h es o l u b i l i t yo f h bw a se s t i m a t e d n ee f f e c t so f l i g h ta n d h e a to nt h es t a b i l i t yh a v eb e e ne x a m i n e d b e s i d e s ，t h es e l f - a g g r e g a t i o no f h y p o c r e l l i n sa n dd e c o m p o s i t i o no f t h em i c e l l e sw e r en o to b s e r v e di nf t l r t h e r d i l u t i o n t h e r ew a sn od e p o s i t i o ni nt h ed a r ks t o r e dm i e e l l e ss o l u t i o nf o rt e n m o n t h sa n dt w ow e e k s d e c o m p o s i t i o nr a t eo f t h a tw a sb e l o w 2 5p e r c e n t 1 1 1 e p r e p a r a t i o ni s c o n s i d e r e dt ob ep r a c t i c a l l ya p p l i c a b l ed u et ot h ee x c e l l e n t s t a b i l i t y 4 t h es i z ea n ds h a p eo fh b t x - 1 0 0m i c e l l e sw e r eo b s e r v e da n dc o m p a r e d u n d e rd i f f e r e n ts t o r a g ep e r i o d so ft h ep r e p a r a t i o n t h ec o m b i n a t i o no fh b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 、v i t l lt x 一1 0 0m i c e l l e sw a ss t u d i e db a s e do nt h ef l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y t h eq u e n c h e dc o e f f i c i e n to ff l u o r e s c e n c e ( o 6 5 ) w a sc a l c u l a t e db a s e do i lt h e f l u o r e s c e n c eq u e n c h i n g e x p e r i m e n t s ，w h i c hp r o v i d e dp r i n c i p a li n f o r m a t i o no f t h ec o m b i n a t i o ns i t e so f h y p o c r e l l i n si nm i c e l l e s 5 t h e p h o t o s e n s i t i z e de f f i c i e n c yo f h bi nt r i t o nx 一1 0 0 ( t x 一1 0 0 ) m i c e l l e sa n d p h o t o i n d u c e dg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f t h ea c t i v es p e c i e s ( 1 0 2 ，o h ，0 2 。， h 2 0 2a n dh b 。一) w e r es t u d i e du s i n ge l e c t r o np a r a m a g n e t i cr e s o n a n c e ( e p r _ a n ds p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d s r e s p e c t i v e l y t 1 1 eq u a n t u my i e l do fs i n g l e t o x y g e n ( 1 0 2 ) g e n e r a t e db yp h o t o s e n s i t i z a t i o no fh b i nm i c e l l e so ft x 1 0 0 w a se s t i m a t e dt ob e0 7 2 ，s i m i l a rt ot h a ti no r g a n i cs o l v e n t s a l lt h e s ef i n d i n g s s u g g e s t e dt h a th b i nt h em i c e l l e sc o u l d p l a yp h o t o d y n a m i cf u n c t i o nt h r o u g h n o to n l yt h et y p eim e c h a n i s mo ff r e er a d i c a l s ( 。o h ，0 2 。一a n dh b _ ) b u ta l s o t h et y p ei im e c h a n i s m o f s i n g l e to x y g e n ( 0 2 ) k e y w o r d s ：h y p o c r e l l i n s ；p h o t o a e t i v a t e dp e s t i c i d e ；m i e e l l e s ；p h o t o s e n s i t i z a t i o n ； e l e c t r o np a r a m a g n e t i cr e s o n a n c e ( e p r 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 1 1 1 生物农药的发展及其优越性 农药用于植物保护始于1 8 6 5 年，最早的农药属于砷化物，主要用来控制 棉花害虫。1 8 7 4 年制成滴滴涕( d d t ) ，但直到1 9 3 9 年，才发现它是一种有 效的杀虫剂，从而取代了剧毒的砷化物。 从几十年的发展历程来看，农药工业已经取得了长足的进步。农药是一 个巨大的产业，市场需求巨大。国际生产的化学农药产品约有2 0 0 种，中国 生产的有1 5 0 种左右。上世纪9 0 年代生产的化学农药品种、产量和产值虽仍 占主要地位，但是由于化学农药本身具有许多弊端，例如：化学农药对人畜 有高毒性作用；化学农药会在农产品中残留：化学农药在用量不当或制剂质 量不良时可能对植物产生药害；某些害虫可能对某一种或某一类化学农药产 生抗药性；某些化学农药由于难以被生物或环境降解，会在环境( 包括土壤、 大气、水体等) 中积累而成为长期污染源等。所以化学农药市场已停滞不前， 并出现负增长。代之化学农药的是蓬勃发展的生物农药。有资料报道称，到 2 0 世纪末，生物农药的产量已达到5 0 以上，占领农药市场的主导地位。 与化学农药相比，生物农药有如下几点优势：选择性强、无污染、不易 产生抗药性、生产原料广泛等i 近年来，生物农药发展迅猛，已经成为生物防治的重要手段。在世界范 围内，生物防治的历史大致可分为四个阶段：1 8 8 8 年以前是经典生物防治的 萌芽时期；1 8 8 8 年至第二次世界大战爆发是实现生物防治的时代，第二次世 界大战爆发后，由于有机合成杀虫剂的出现，使生物防治的研究和应用步入 低调，但生物防治工作仍取得了很大进展。2 0 世纪5 0 年代后期，欧洲和美 国首次进行苏云金杆菌杀虫剂的商业性生产；2 0 世纪6 0 年代初期重新确定 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了生物防治在植物保护中的地位；2 0 世纪8 0 年代以后，生物杀虫剂的商业 性生产研究较为活跃，发展迅速。 生物农药是指应用生物活体及其代谢产物制成的防治作物病害、虫害、 杂草的制剂，也包括保护生物活体的保护剂、辅助剂和增效剂，以及模拟某 些杀虫毒素和抗生素的人工合成的制剂。近年来，由于化学农药大规模的生 产和无限制的大量使用，严重污染了人类环境和农林木产品，严重危害了人 畜健康和水资源，并使害虫产生抗药性。为此，国内外在研制高效低毒化学 农药的同时，对生物农药的研究也给予了极大的重视。 1 1 2 生物农药的简介 通常情况下，可以将生物农药分为两大类：一类是微生物农药，包括病 毒农药、真菌农药、细菌农药；另一类是生物工程植物。 就微生物农药而言，目前已经研究成功的主要有微生物杀虫剂，微生物 除草剂和农用抗生素制剂等。它们已在农林病虫害防治和环境保护中发挥着 日益显著的作用。 微生物杀虫剂是应用昆虫病原体作为杀虫的制剂，这些病原体可以不加 修饰近乎以自然状态而应用，也可以通过标准的遗传操作或d n a 重组技术 将其杀虫活性予以改善。世界上昆虫病原体种类很多，已发现的有2 0 0 多种。 主要包括：病毒、细菌、真菌、原生动物、立克次体等。这些病原体都对各 自的寄主昆虫有致病、致死作用。目前国内外研究利用的主要是细菌、真菌、 病毒三大类。现着重介绍三者在农林方面的应用现状。 1 1 2 1 细菌杀虫剂 目前己鉴定的昆虫病原细菌约1 0 0 多种其中研究应用最广泛的是苏云金 杆菌类、日本金龟子芽孢杆菌和缓死芽孢杆菌。 苏云金杆菌，它的发现已有9 0 多年的历史，但作为杀虫剂被开发利用仅 一2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 0 多年的历史。据不完全的统计，世界上已生产的苏云金杆菌制剂有9 1 种 ( 1 9 9 1 年数据) ，其中5 5 种( 占6 0 以上) 是1 9 8 0 1 9 9 1 年间开发的新产品， 它是当前微生物杀虫剂中产量最多、应用面积最大的一种。 日本金龟子芽孢杆菌是一类专性病原体，只对某些金龟子科并有某些亲 缘关系的金龟子起感染作用，在大田应用中表现出很大的致病潜力。此类菌 在国外研究较多，其应用面积仅次于苏云金杆菌类( b t 类农药) 。目前，美 国、澳大利亚、新西兰等国已大面积应用。但是，这种芽孢杆菌在人工培养 上不能大量形成芽孢，因此还不能用人工方法进行大规模生产。近年来，我 国在晋、冀、鲁、豫等省已陆续开展了金龟子芽孢杆菌的菌剂制作、应用技 术和离体培养的研究，并已经取得阶段性成果。 1 1 2 2 真菌杀虫剂 据报道，虫生真菌约有7 5 0 多种，寄主达5 目2 4 科2 0 0 余种昆虫，是昆 虫病原微生物中最大的一个类群。其中半知菌类真菌由于在体外易于培养， 且某些种类具有很广的寄主谱而得到重视。利用虫生真菌防止害虫的研究已 有1 0 0 多年的历史。但是真正用于田问防治害虫是在1 9 6 0 年。美国堪萨斯卅i 第一次用白僵菌防治麦长蝽。此后许多国家如日本、美国、前苏联、巴西、 英国等也开始应用白僵菌、绿僵菌、黄僵菌、蚜霉菌等防治农林害虫，逐渐 将虫生真菌发展为一类微生物杀虫剂。在真菌杀虫剂中各国研究应用最多的 是白僵菌，其次是绿僵菌。 由于真菌杀虫剂是触杀性杀虫剂，具有其它微生物农药所没有的广谱杀 虫作用等优点，因此各国对虫生真菌的研究予以了足够的重视，并取得了较 大的发展，目前已进入了大面积应用阶段。 1 1 2 3 病毒制剂 现已知昆虫病毒有1 6 0 0 多种，6 0 左右为杆状病毒，可引起1 1 0 0 种昆 3 一 晗尔滨工程大学硕士学位论文 虫和螨类发病，可控制近3 0 的粮食和纤维作物的主要病虫害。迄今为止， 已有近3 0 多个国家和地区的近5 0 种病毒杀虫剂进行了登记、注册、生产和 应用。我国自2 0 世纪8 0 年代以来已先后建立了5 座病毒杀虫剂实验工厂， 有6 种病毒制剂投入生产和应用并对制剂生产工艺、病毒的活体增殖、病毒 的提取、病毒的助剂和剂型等进行了详细系统的研究，总产量约3 0 吨，防治 面积约6 0 0 0 平方公里。我国迄今已有2 0 种病毒进入大田实验。目前研究较 多、应用较广的是核型多角体病毒、颗粒体病毒和质型多角体病毒。 1 1 3 新型光活化农药的研究与开发 我国是一个农业大国，据统计，常年发生病虫害面积3 0 亿亩。由于病虫 害不能有效控制，每年减产水稻1 0 、小麦2 0 、棉花2 0 - 4 0 。1 9 9 2 年， 我国棉铃虫大爆发，造成棉花减产超过3 0 。近年我国西北大面积的蝗灾给 农、林、牧业造成巨大损害，因此开发高效、兆堵的新型农药，成为当务之 o - 急的重大任务。 光活化农药是近些年来发展的一种新型、高效、无毒的农药。其原理是 光动力作用，即光敏剂在光照和分子氧存在的条件下，对细胞、病毒、生物 体的杀伤作用，或在该条件下对生物分子诱发的化学修饰作用。光敏剂一般 是一些在可见光谱区有强吸收的染料。光敏剂在癌细胞上积累，光照后可以 杀死癌细胞，叫做光动力治疗( p h o t o d y n a m i ct h e r a p y ) 。如果作为农药，用来 杀死害虫，通常叫做光活化农药( p h o t o a c t i v a t e d p e s t i c i d e s ) 。光敏剂起的作用 实际上是光敏氧化( p h o t o s e n s i t i z e do x i d a t i o n ) 和自由基相关的过程。用于光 动力治疗的光敏剂，包括第一代和第二代光敏剂，主要是血卟啉衍生物、卟 啉类、绿素类、大环卟啉类、酞菁类和6 一氨基乙酰丙酸，这些光敏剂用于农 药显然太贵，除非降低成本。而可用于农药的光敏剂有黄素类、生物碱、呋 喃并香豆素、噻吩、吖啶和咕吨( x a n t h e n e ) 类等化合物。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 早在1 8 8 8 年，m a r c a c c i 就发现了光照能够提高某些生物碱对植物种孑和 两栖类动物卵的毒性反应。1 9 2 8 年，b a r b i e r 最先研究了几类光敏咕吨染料( 如 曙红、赤藓红、玫瑰红等) 对孑孓的光动力作用【1 】。以后有2 0 余中昆虫曾被 用来做过光动力作用的实验【2 3 】，其中主要是蚊、蝇，特别是果蝇。2 0 世纪 5 0 年代初发现植物次生产物n 三噻吩( a - t e r t h i e n y l ，简称i ) 具有杀线虫作 用，且紫外光照射能显著提高其杀虫活性【4 】。然而由于化学农药的快速高效 使得这些发现并未受到应有的重视。寂静的春天一书问世，不仅直接促使 美国于1 9 7 2 年成立了世界上第一个环境保护署，同时也给光活化农药的研究 注入了新的活力，相关的研究报道日益增多。美国农业部开发了荧光素 ( u r a n i n e ) 和根皮红( p h l o x i n eb ) 混合物作为活性组分，放在诱饵中，取 代马拉硫磷( m a l a t h i o n ) 。用来抑制果蝇。其它被实验的昆虫还有苹果蛾 ( c o d l i n gm o t h ) 、东方蜚蠊( o r i e n t a lc o c k r o a c h ) 、洋白菜蝶( c a b b a g eb u t t e r f l y ) 、 玉米耳虫( c o r ne a r w o r m ) 、小地老虎( b l a c kc u t w o r m ) 、苹果蝇( a p p l em a g g o o 等 【3 1 。将光敏剂混合于饲料或溶于水后喷在植物叶子上，甚至撒在蝇类喜欢吃 的粪便上，害虫吃了光敏剂以后经日光或荧光灯、白炽灯照射，在几天内就 可以被杀死。现已成功地用于鸡舍内除苍蝇，污水面上除蚊，果林中消灭果 蝇等。目前最新的进展是对南瓜十二星叶i 甲( c o r nr o o t w o r m ) 的防治，在诱饵 中放入光敏染料，害虫吃了以后，经太阳光的照射，几小时后就可以观察到 害虫的死亡情况 5 】。美国化学会分别于1 9 8 7 和1 9 9 5 年先后出版专集1 4 卅详尽 介绍全球光活化农药的进展情况。我国8 0 年代后期开始涉足该领域的研究， 徐汉虹等首先报道猪毛蒿( a r t i m i s i as c o p a r i a ) 精油中的茵陈二炔对斜纹夜蛾 ( s p o d o p t e r a1 i t u 】嘞的生物活性具有明显的光活化特性【7 】，随后与刘准等合作， 进一步以茵陈二炔为先导化合物，修饰合成了系列的衍生物，并发现其中 一个化合物对致倦库蚊( c u l e xq u a i n q u e f a s c i a t u s ) 和棉红蜘蛛( t e t r a n y c h u s t e a r i u s ) 具有显著的光活毒杀效应。陶志福等也相继合成了一系列新型结构的 一5 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 呋喃并萘并吡喃类化合物和1 , 8 - 萘亚酰胺衍生物，并进行了光敏作用机理研 究。 我们所研究的光敏剂竹红菌素是从天然微生物真菌竹红菌中提取的，竹 红菌( h y p o c r e l l ab a m b u s a e ) 是盛产于我国滇西北、川西南、藏东南等地区 特有野生资源。竹红菌，属于子束菌纲、肉座菌科、亚肉座菌属，属于真菌。 其性状为：子座肉质，干后软木质、褐红色，遇碱后变绿、半球型、有孔口、 直径1 - 2 厘米；子束圆筒形，( 2 0 3 0 ) ( 3 0 0 3 6 0 ) 微米，子束孢子8 个， 蠕虫形，有分隔，微黄色，右旋扭曲呈蝇状，( 7 5 1 0 ) ( 2 6 0 - - - 3 6 0 ) 微米， 侧丝纤细，内部菌丝深褐色。竹红菌寄主为箭竹，每年元月竹红菌子座开始 形成，八月大量成熟，十月后掉落。因此，每年8 、9 、1 0 月份采集为宜。从 竹红菌中提取的主要组分是竹红菌甲素( h y p o c r e l l i na ) 和竹红菌乙素 ( h v p o c r e l l i n b ) 。民间曾用竹红菌素治疗胃痛和关节炎，现已发展为治疗皮 肤顽症、抗艾滋病、抗肿瘤潜在的有效光敏药物。对于竹红菌素作为光活化 农药曾做过初步尝试，证明杀虫效果是肯定的。我们继以往对竹红菌素的基 础研究，通过对高分散、高活性和低成本农药制剂的研制并研究竹红菌素在 新剂型中的光敏化机理和效率，从而为将其开发成防治棉、粮、果、菜等广 谱功能的新型光活化农药奠定基础。 1 2 作用机理 竹红菌素，包括竹红菌甲素( h a ) 和竹红菌乙素( h b ) ，是一种新型的 优良光敏剂且是脂溶性化合物，它进入生物体内主要富集在细胞膜上，在有 光和氧存在的条件下，光活化农药的杀虫机理主要表现为光敏作用机理或光 动力作用机理。 光活化农药的关键是光敏剂，一般是在太阳光谱可见区有强吸收的有色 化合物。光敏剂吸光以后，由基态( 单重态) 跃迁到寿命较短的单重激发态， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 激发单重态经过系间窜跃生成寿命较长的激发三重态( 1 0 3 1 0 s ) 。在光敏剂 的激发三重态，将发生两类反应f 图1 1 ) ：( i ) 直接与底物发生抽氢反应或电 子转移，生成自出基或自由基离子，再和0 2 作用，产生超氧负离子0 2 ，这 一反应过程称类型i 反应；( i i ) 直接与氧发生能量转移反应，生成单重态氧 1 0 2 ；而单重态氧是一种具有高反应活性、高氧化性的活性体。这一反应过程 称类型反应1 6 - - l 。 类型i 反应和类型反应可同时发生，但这两个过程所占比重明显受光 敏剂、底物、氧浓度以及敏化剂微环境等因素的影响。整个过程可以说是一 个光敏氧化过程。通过光敏作用，不仅可产生半醌自由基( s e n s 一和s e n s + ) ， 还能产生活性氧( 0 2 、o h 、1 0 2 和h 2 0 2 ) 等中间体，这些活性瞬态物质会 引起细胞膜脂质过氧化，膜蛋白交联，导致活细胞死亡。以类型i i 反应机制 为例，光敏剂分子实际起催化剂的作用，光敏剂从被激发到单重态，通过能 量转移到氧而其自身回到基态，大约1 0 毫秒或更快。一个光敏剂分子有可能 在每分钟产生成千的0 2 ，可以破坏成千的靶标分子，而不象一般农药那样， 一个有机磷分子仅破坏一个目标分子 2 1 。杀虫过程取决于四个因素，即： 速度平衡式v = 酗【虫】【染料】【光】【氧】 光敏剂的杀虫效果取决于虫子、光敏剂的浓度、光强和氧的浓度等四个因素。 s e 璐且l 一鸟3 s e n s 器1 0 z type芦i(a)i s u b l t s u i r + + s e l l s 一旦4o j - + o h 图1 1 光动力作用示意图 1 3 国内外研究现状及发展方向 - 7 - 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 1 光敏剂 众所周知，光动力过程的核心问题是光敏剂，光动力效率取决于光敏剂 在规定波长范围( 光疗窗口) 的摩尔消光系数、三重态量子产率和寿命等因 素。能满足强吸收、三重态量子产率高和寿命长等理想条件要求的光敏剂一 直是人类大力寻求的目标。在过去近一个世纪的研究中，人们寻找到大量的 光敏剂，其来源既有天然的产物，也有人工合成产物，其总数不下千种。 1 3 1 1 天然的植物组分 现已从高等植物中鉴定出1 0 0 多种光敏剂或光毒剂，它们对植物本身起 保护作用，以免受害虫的侵蚀。这些化合物来自3 5 种不同科的植物，通过四 种不同的生物化学合成途径在植物体内生成，根据植物化学分类有1 5 种( 图 1 2 和图1 3 ) 。至今仍有大量的植物未被分析。搞清这些组分可有助于：( 1 ) 弄清含光毒剂化合物的植物间的类属关系；( 2 ) 评估高等植物间光活化防护 的普遍性；( 3 ) 提供可作为生物控制剂的新型光敏剂。 几十年来用做杀虫剂研究的天然光敏剂主要有：香豆素类、呋喃并香豆 素类、多炔类、联噻吩类、苯乙酮类、稠环醌类等1 2 ，它们有的具有杀虫杀 螨活性，有的则有杀菌除草作用，有的二者兼而有之。某些化合物如6 氨基 乙酰丙酸，虽然本身并无光敏特性，但却是卟啉或叶绿素合成的前体化合物， 通过它可以调控卟啉或叶绿素含量，见光后可敏化产生1 0 2 ，使绿色植物受 到损伤，甚至死亡，因而也有人称之为“光活化除草剂”或“激光除草剂”。 噻吩类化合物是大量存在于菊科植物中的一类特征性次生物质，对多种蚊虫、 线虫、螨类等，都具有很好的光活毒杀作用，最近研究发现，有的甚至还具 有抗h i v 的活性，a t 可谓其典型代表。例如，在近紫外光照的条件下，n t 对斑须按蚊( a n o p h e l e ss t e p h e n s i ) 4 龄幼虫的l 如为11 m g l ，黑暗时则为 1 5 4 m g l ，其光活化毒杀作用提高了1 4 倍；对埃及伊蚊( a e d e sa e g y p t i ) 、白纹 r 哈尔滨工程大学硕十学位论文 伊蚊( a a l b o p i c t u s ) 和致倦库蚊也有类似效果，而对果蝇卵的毒杀活性甚至可 提高4 3 3 3 倍。a 。t 还能抑制埃及伊蚊、白纹伊蚊的乙酰胆碱酯酶。从真菌 中提取出来的几种稠环醌类化合物，是效率极高的光敏剂，在有氧、光的存 在下，可产生1 0 2 ，属于类型i i 机制。如从一种真菌c e r e o s p o r a k i g u c h i i 属中 分离出来的尾胞素( c e r c o s p o e i n ) ，从h y p e r i c u m s p 中分离出来的金丝桃素 ( h y p e f i c i n ) ，从养麦花中分离出来的荞麦碱( f a g o p y f i n ) ，植物、龋齿动物 香豆素类 ( c o u m a r i n ) h h 苯并= 俳类 (