杀虫剂穿透性penetration of insecticide

杀虫剂通过昆虫体壁、消化道或气管的接触或吸收等途径，穿透各种组织或细胞的生物膜，进入循环系统，以溶液或与蛋白质结合或溶于脂肪颗粒中的形式到达靶标部位，并积累到一定浓度而产生毒效的过程。这一过程受药剂的理化性质、生物转换、贮存、排泄和生物膜结构以及生物体的营养状况、性别、年龄等多种因子的影响。
表皮与穿透性 药剂由体壁进入昆虫体时，首先要穿透昆虫表皮.昆虫表皮由上表皮、外表皮和内表皮组成。上表皮的最外层是护蜡层，含有类脂及柔化蛋白；其次是蜡层，由25～34个碳原子的碳氢化合物构成；最里层是角质精层，主要含柔化脂蛋白、类脂等。外表皮与内表皮主要由几丁质及蛋白质构成。由于不同昆虫的蜡层厚薄和外表皮骨化程度的不同，昆虫体躯各部位表皮的厚薄，功能及与神经、血液连接关系等的不同，都会影响杀虫剂的穿透和毒性。如奥凯恩(W.C.O Kane,1933)用烟碱处理黄粉甲时，用药剂点头部比点尾部的毒效要高出一倍。克林格(H.Klinger,1936)和勒鲁(E. J. Le Roux,1955)用0.1微克滴滴涕滴在家蝇胸部引起40%的死亡率，以同样量滴在口器上就引起100%的死亡率。
生物膜与穿透性 昆虫生物膜包括体壁的真皮细胞、肠壁细胞、气管壁膜等。杀虫剂由昆虫体壁、消化道、呼吸道进入体内都须穿透生物膜。生物膜的基本结构通常由两面覆盖着蛋白质的双分子脂层组成，其中磷脂和胆固醇占主要部分。有些蛋白质的侧链穿插在脂层中，而有一些则穿过脂层。维持蛋白质和脂在膜结构中完整性的是疏水键，不同的膜结构中脂和蛋白质的比例不同，组成膜脂的脂肪酸不是刚性的结晶结构，而是半流性的。膜的这种流动性主要取决于其结构及其不饱和脂肪酸的比例。膜上并有许多直径约为0.4纳米的小孔道，孔径随膜的不同而异，一些小分子物质和水分子便通过这些孔道透过膜。膜表面的组成、蛋白质分子的形状及大小、膜的厚度、键的物理性质等，特别是膜中两种基团（极性基团和非极性基团）的性质都与杀虫剂的穿透性有关。
穿透速率 影响杀虫剂穿透昆虫表皮进入体内实际数量的因子主要有四个： 杀虫剂的脂溶性（或极性）；杀虫剂的电离程度； 杀虫剂对表皮组分（如蛋白质和几丁质等）的亲和力； 杀虫剂在血淋巴中的溶解度。杀虫剂的脂溶性是决定昆虫能否“抓住”它，而进入体内后，其在血淋巴中的溶解度便变得很重要。其次，施药方法对杀虫剂在昆虫体上的沉积量和穿透性也有影响。此外，杀虫剂的剂型组成特别是它的载体如油剂、乳化剂或粉剂对杀虫剂的穿透作用亦有影响。
脂溶性的影响 一般认为杀虫剂的穿透速率与它的脂溶性有关。脂溶性的大小取决于杀虫剂的分子结构，当分子结构中含有的非极性基团越大，其脂溶性也就越大。如含—CH₃<—C₂H₅<—C₃H₇，芳香基( -C₆H₅)和卤原子（如氯和溴）等都可增加它的脂溶性，相反极性基团（或离子化合物）如含有-OH、-COOH、-NH₂等基团的化合物而降低了它的脂溶性，化合物的脂溶性强弱可以它的分配系数（在水相和有机相中的分配比例）表示。一般说分配系数大、脂溶性强，穿透速率也大。但若杀虫剂的脂溶性过大，穿透速率反而降低，因它虽能溶解昆虫蜡层，比较容易穿透昆虫的上表皮，但难于穿透外、内表皮，要继续穿透外表皮和内表皮就要有一定的水溶性。因而要提高杀虫剂的穿透性要选择一个最佳的分配系数。例如，滴滴涕的分配系数尽管很大，脂溶性很强，但它的水溶性极小，所以穿透速率远远小于脂溶性小而水溶性大的乐果。
电离程度的影响 杀虫剂的穿透速率和毒效也与它的电离程度有关。因电离的化学物质带有电荷，很难穿透细胞膜，非电离形式的杀虫剂就易于穿透细胞膜。杀虫剂的电离程度取决于它的pK_a值(即化合物电离50%时的pH值)和它所处介质的pH。例如烟碱的pK_a为8，当它在人唾液中pH8.5时，大多数的烟碱呈非电离状态，易穿透口腔粘膜，对人有毒，而在胃中pH2时，烟碱呈电离状态，所以不易透过胃膜。不同昆虫中肠的pH值不同，故烟碱在昆虫中的毒效也不同。霍伊尔(G.Hoyle,1953)最先提出昆虫的血淋巴与神经系统之间有一个“血—脑屏障”存在，杀虫剂进入血淋巴后必须穿透屏障，才能到达作用部位神经系统，而昆虫的屏障也是类似生物膜的结构，因此杀虫剂的电离常数及溶液的pH等因素就会影响杀虫剂的穿透作用，如能控制溶液的pH，降低电离度，可增加杀虫剂对屏障的穿透能力，从而增加对昆虫的毒力。
对表皮亲和力的影响 杀虫剂的穿透与它对昆虫表皮亲和力有一定关系，理查兹(A. G. Richards,1964)证实滴滴涕透过表皮后即被几丁质吸收，并以几丁质颗粒转移进入体内，六六六等氯化烃类杀虫剂也有同样的能力，这是杀虫剂穿透昆虫表皮进入体内的一个重要因子。
亲脂性强的杀虫剂，极易透过昆虫外表皮，然后逐渐扩散到内表皮水溶性组织中去。这种扩散平衡的过程受化合物的性质，以及虫体不同部位的组分和杀虫剂的最初浓度控制。亲水性的杀虫剂不能靠扩散作用，但可靠膜上嵌入的蛋白质作为导体，形成暂时性的结合，使蛋白质分子的构型产生变化，把结合物转移进入膜内。大多数杀虫剂通过膜是靠被动的扩散作用，受膜内外浓度梯度的影响，由高浓度向低浓度扩散，在这一过程中如杀虫剂被代谢、排泄或往内部渗透，一旦平衡被破坏，杀虫剂又进一步向内移动。杰罗特(P.Gerolt,1969)根据狄氏剂从表皮到血淋巴运送较慢，而在表皮内水平扩散较快的事实，提出了杀虫剂从气管进入比表皮穿透更重要的观点。但另一方面贝尼泽特(H.J.Benezet,1972)等发现用点滴法处理马拉硫磷（其极性比狄氏剂更大）在15秒钟内便能在血淋巴中见到，表明了循环系统在马拉硫磷的分布中起着重要作用。
在血淋巴中溶解度的影响 杀虫剂在血淋巴中的溶解度是与杀虫剂的脂溶性和与蛋白质的亲和力等有关，尽管亲脂性高的有机磷杀虫剂在血淋巴液中的溶解度低，但它们与血淋巴液中的某些蛋白质亲和力大，增加了在血淋巴液中的浓度。例如狄氏剂与美洲蜚蠊血淋巴液中的分子量为1.89万和>16万的蛋白质结合，在整个蜚蠊血淋巴液中及血球中狄氏剂占37%。同时，杀虫剂在血淋巴中的浓度与毒效是密切相关的。伯特和洛德(P.E.Burt & K.A.Lord,1968)用 LD₉₀(2.6微克/虫)的二嗪氧磷（弱亲脂性）滴加美洲蜚蠊，有75%的量在2小时内穿透入表皮，而在1小时之后在全部的液体中达到最高剂量0.403微克/毫升，并出现了中毒征象。这时，在血淋巴液中，二嗪氧磷的最大值为0.518微克/毫升，接近于全部液体中的浓度，而神经索上二嗪氧磷浓度只有0.173～0.288微克/毫升，说明二嗪氧磷是经血淋巴液输送到达神经索产生毒效的。
松村模式 松村(F.Matsumura)曾以昆虫表皮作为膜，讨论了杀虫剂穿透作用动力学。他根据杀虫剂穿透表皮的速率与表皮性质和杀虫剂性质两个因子有关，假定昆虫表皮是一个物质能扩散的均一薄膜，在一定的温度与压力下，在均一介质中物质的扩散速率可用 下式表示：

式中 t为时间（小时）;c0为最初应用的浓度或扩散细胞中的最初浓度(微克/毫升);c_i为扩散细胞中最终浓度(即膜内浓度，微克/毫升);P是渗透常数；V为扩散细胞体积(厘米³); A是物质与膜之间接触范围(厘米²)。从方程式(1)中可看到残留在膜外物质的百分比与时间成负对数。而实际穿透作用是物质进入膜内的浓度与扩散细胞体积的比值，因此可用下式表示：

式中 s为穿透速率。从(2)式可看到穿透速率与所给物质浓度成正比，并和穿透时间成指数关系。特里赫恩(J.E.Treherne,1957)和松村1963年利用方程(1)，而奥尔森(W.P.Olson,1963)等利用方程(2)分别测定了杀虫剂对昆虫的穿透速率，其结果较好地符合理论速率，并且重复性好。松村1963年也发现杀虫剂在低浓度时的穿透速率超过理论值，而高浓度时低于理论值。这种双相关系被解释为由于杀虫剂首先很快被表皮吸收，然后才开始第二阶段的缓慢扩散。
孙氏图解法 孙云沛(1968)曾用图示法表示杀虫剂的穿透和解毒速率。先是以时间对穿透百分率及解毒百分率作图，得到常态曲线；在适当的时间间隔内，测定这些曲线的斜率；然后用取得的数据，依据穿透或解毒百分率/小时对处理后的时间作图。这样的曲线图揭示出最大的穿透率及达到这个穿透率所需要的时间。测定得出： 有机磷杀虫剂如甲基涕巴（昆虫化学不育剂）、对硫磷、对氧磷、乐果等穿透快，而滴滴涕、狄氏剂、甲萘威和3-异丙基-N-甲基氨基甲酸酯的穿透较慢；抗药性家蝇的幼虫中没有滴滴涕积累，在整个观察期内穿透速率等于解毒速率。而在感性品系中，由于滴滴涕代谢较慢，在观察期内它的组织中都含有滴滴涕，这也说明了穿透代谢作用与抗药性的关系。