毕业论文范文——溶液法制备不对称杂化纳米粒子

学校代码： 学 号： 硕 士 学 位 论 文溶液法制备不对称杂化纳米粒子Solution-based Approaches to Hybrid Janus Nanoparticles院 系：高分子科学系专 业：高分子化学与物理姓 名：指 导 教 师： 完 成 日 期： 目录目录摘要iAbstractiii第一章 绪论11.1杂化纳米粒子11.1.1杂化纳米粒子简介11.1.2杂化纳米粒子的性质11.1.3杂化纳米粒子的应用11.2不对称杂化纳米粒子51.2.1不对称杂化纳米粒子简介51.2.2不对称杂化纳米粒子的制备方法71.2.3不对称杂化纳米粒子的应用151.3自组装231.3.1自组装简介231.3.2嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装231.3.3 DNA在自组装中的应用251.4本论文主要研究内容29参考文献30第二章 溶液法制备单分散不对称杂化纳米线382.1 引言382.2实验部分392.2.1原料和试剂392.2.2仪器和测试392.2.3 制备402.2.3.1金纳米粒子（AuNPs）的制备412.2.3.2大肠杆菌中提取模板质粒DNA（pcDNA3.1（-）412.2.3.3聚合酶链式反应（PCR）合成其中一个末端有多巯基修饰的DNA（bis（dithiol-phosphoramidite）（DTPA）-DNA）422.2.3.4 磁珠法提纯bis（DTPA）-DNA422.2.3.5原子转移自由基聚合（ATRP）合成两嵌段共聚物聚乙二醇-嵌段-聚4-乙烯基吡啶（PEG-b-P4VP）432.2.3.6共同溶剂-选择性溶剂法制备核壳胶束432.2.3.7 蝌蚪状AuNP/bis（DTPA）-DNA结合物的制备及其与聚合物胶束的组装442.3结果与讨论442.3.1金纳米粒子（AuNPs）的表征442.3.2 pcDNA3.1（-）和PCR产物bis（DTPA）-DNA的长度、浓度及纯度表征452.3.3蝌蚪状AuNP/bis（DTPA）-DNA结合物的制备462.3.4嵌段共聚物PEG-b-P4VP的分子量及分子量分布482.3.5 PEG113-b-P4VP60胶束的制备492.3.6不对称杂化纳米线的制备及裁剪502.4 本章小结53参考文献54第三章 模板法高效制备不对称杂化纳米粒子563.1引言563.2实验部分573.2.1原料和试剂573.2.2仪器和测试573.2.3制备583.2.3.1原子转移自由基聚合（ATRP）合成两嵌段共聚物聚乙二醇-嵌段-聚4-乙烯基吡啶（PEG-b-P4VP）593.2.3.2核内负载AIBN的PEG-b-P4VP胶束的制备603.2.3.3不对称杂化纳米粒子的制备603.2.3.4模板PEG-b-P4VP的回收和重复使用603.2.3.5 不加四氯钯（II）酸钠的对照实验603.3 结果与讨论613.3.1嵌段共聚物PEG-b-P4VP的分子量及分子量分布613.3.2核内包裹AIBN的PEG113-b-P4VP75胶束的制备623.3.3不对称杂化纳米粒子的制备632.3.4不对称杂化纳米粒子的形成机理673.4 本章小结68参考文献69第四章 全文总结71作者简介72硕士期间发表的论文72致谢73iv摘要溶液法制备不对称杂化纳米粒子摘要不对称杂化纳米粒子（HJNPs）的组成及结构特点使其在光学、磁学、催化、生物医疗等领域有着广泛的应用前景。但是HJNPs的发展受限于它的制备，相较于对称纳米粒子的制备，HJNPs的制备往往需要调控不同组分之间的相互作用及其空间分布，使得其制备难度大大增加。另外，要精确控制HJNPs的形貌、结构及尺寸，或者高效、简单地制备HJNPs显得更加困难，这也是人们在纳米技术发展方面所面临的挑战之一。本论文通过对纳米粒子的结构设计和自组装技术的运用，并通过溶液法实现了对HJNPs的形貌、结构及尺寸的精确调控，以及其简单而高效的制备。论文研究工作主要分以下两个部分：1.溶液法制备单分散的不对称杂化纳米线不对称杂化纳米粒子（HJNPs）的性能跟它的形貌、结构及尺寸有着密切的关系，尤其当其中的无机组分是金属纳米粒子，因此制备具有精确形貌、结构及尺寸的HJNPs对其后续应用至关重要。在我们的体系中，利用单分散的金纳米粒子（AuNP）和修饰有多个巯基的单分散长链DNA（bis（DTPA）-DNA）制备得到了蝌蚪状的AuNP/（bis（DTPA）-DNA）络合物（一个AuNP连有一根DNA链）。然后用蝌蚪状AuNP/（bis（DTPA）-DNA）络合物与两亲性嵌段共聚物聚乙二醇-嵌段-聚4-乙烯基吡啶（PEG113-b-P4VP60）胶束在pH为4.6的条件下进行组装，并通过交联嵌段共聚物中的P4VP核得到稳定且具有两相结构的单分散不对称杂化纳米线（HJNFs）。另外，通过改变AuNPs的大小和DNA的长度可以实现对HJNFs的裁剪。这种制备方法的优势在于得到的AuNP/（bis（DTPA）-DNA）结合物只有一种，不需要分离提纯；最后得到的HJNFs具有单分散性，而且还可以对其进行裁剪。2.模板法高效制备不对称杂化纳米粒子虽然，近几十年来已经发展了不少制备不对称杂化纳米粒子（HJNPs）的方法，但是简单而高效的制备方法却少有报道。在我们的体系中，以两亲性嵌段共聚物PEG113-b-P4VP75为模板原料自组装形成P4VP核内包裹偶氮二异丁腈（AIBN）的胶束。然后加入四氯钯（II）酸钠和氯金酸使胶束核内负载部分四氯钯（II）酸钠和氯金酸；再加入亲水性单体异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和水溶性交联剂N, N-二亚甲基双丙烯酰胺（MBA）使其溶解在胶束体系中。当升温至76 ，AIBN引发胶束核-壳界面的NIPAM与MBA共聚合，并同时还原氯金酸，金粒子在核壳界面处形成，并随着NIPAM和MBA的继续共聚和金纳米粒子（AuNP）的进一步生长而形成HJNPs先驱体。反应结束后，降低体系的pH值至3使胶束解离，通过离心分离得到含有嵌段共聚物的上清液和含有HJNPs（一端为AuNP，另一端为MBA交联的PNIPAM）的沉淀。最后通过提高嵌段共聚物上清液的pH值至7，聚合物重新组装形成胶束，作为模板循环制备HJNPs（有没有做重复制备？如果没有做的话就不要写）。这种制备方法的特点是简单、方便，可以实现大规模生产；另一方面，胶束模板的重复使用，在提高制备效率的同时也大大降低了生产成本。关键词：不对称杂化纳米粒子，嵌段共聚物，自组装，单分散，模板中图分类号：O631Abstract Solution-based Approaches to Hybrid Janus NanoparticlesAbstractThe composition and structure features of hybrid Janus nanoparticles (HJNPs) broaden their application prospects in the optical, magnetic, catalytic, biomedical and other fields. However, the development of the HJNPs is restricted by their preparation; compared with the preparation of symmetrical nanoparticles, the preparation of HJNPs requires finely controlling the nano-spatial distribution of the components and tuning the interactions in between, which increase the difficulty of their preparation. In addition, efficient and facile preparation of HJNPs is still a challenge in nanotechnology. In this thesis, we realized precise control of the morphology, structure and size of HJNPs. Besides, facile and efficient preparation of HJNPs was achieved. Two sections are included：Section 1：A robust solution-based approach to monodisperse hybrid Janus nanofibers.The properties of hybrid Janus nanoparticles (HJNPs) are closely related to their morphology, structure and size, especially when the inorganic components are metal nanoparticles, so preparing HJNPs with precise morphology, structure and size is crucial to their subsequent applications. In our system, monodisperse Au nanoparticles (AuNPs) and monodisperse long DNA chains modified by bis(dithiol-phosphoramidite) (bis(DTPA)-DNA) were used to prepare tadpole-like AuNP/(bis(DTPA)-DNA) conjugates (one DNA chain binding to one AuNP). Then the tadpole-like conjugates self-assembled with the micelles of amphiphilic block copolymer poly(ethylene glycol)-block-poly(4-vinylpyridine) (PEG113-b-P4VP60) at pH of 4.6, with the P4VP core of the block copolymer being cross-linked to achieve stable monodisperse hybrid Janus nanofibers (HJNFs) with a two-phase structure. Furthermore，the HJNFs could be tailored by tuning the size of AuNPs and the length of DNA. The advantages of this preparation method are: (1) the obtained product is specific AuNP/bis(DTPA)-DNA one-to-one conjugate, which avoids the further separation and purification that other methods require; (2) the final HJNFs are monodisperse and tailorable.Section 2：Template approach to effectively prepare hybrid Janus nanoparticles.Although plenty of methods have been developed for preparing hybrid Janus nanoparticles (HJNPs) over the last decades, facile and efficient approaches were rarely reported, which are of great significance for industry production and practical applications. In our system, micelle template was obtained by self-assembly of amphiphilic block copolymer PEG113-b-P4VP75, with azobisisobutyronitrile (AIBN) being loaded in the P4VP core during micelle formation. Then, tetrachloropalladate (II) sodium and chloroauric acid were added into the system and partial tetrachloropalladate (II) sodium and chloroauric acid were loaded in the core area of the micelles. Followed by the addition of hydrophilic monomer isopropylacrylamide (NIPAM) and water-soluble cross-linker N, N-methylene-bisacrylamide (MBA), the system was heated at 76 . At the temperature, AIBN initiated the copolymerization of NIPAM and MBA at the core-shell interface of the micelle, and meanwhile reduced chloroauric acid to AuNP; Au nanoparticles formed at the core-shell interface. Afterwards, the pH of the system was adjusted to 3.0 to dissociate the micelle template, and then the mixture was centrifugated to separate the protonated block copolymer (in the supernatant) and the HJNPs (in the precipitate) composed of AuNP (at the one end) and P(NIPAM-co-MBA) microgel (at the other end). Furthermore, the block copolymer in the supernatant re-assembled to micelle template when the supernatant pH was adjusted to 7, which could be used as template again to prepare HJNPs. Keywords: hybrid Janus nanoparticle, block copolymer, self-assembly, monodisperse, templateClassification Code：O631第一章 绪论78第一章 绪论1.1杂化纳米粒子1.1.1杂化纳米粒子简介杂化纳米粒子是指含有两个或者两个以上组分的纳米粒子，按照组分的不同大致可以分为有机/无机杂化纳米粒子、有机/有机杂化纳米粒子和无机/无机杂化纳米粒子。但是不管是从传统意义上还是研究价值上来说，有机/无机杂化纳米粒子才称得上是严格的杂化纳米粒子，而且由于其结合了有机、无机这两个性质差异较大的组分往往会使得最后得到杂化纳米粒子具有较好的综合性能甚至一些特殊性能。这些性能使得杂化纳米粒子在光学、电子、磁学、催化、生物医疗等领域具有广泛应用前景，对纳米科技的发展也具有重要的意义。本文也将着重介绍有机/无机杂化纳米粒子（下文中没有特殊说明，杂化纳米粒子指有机/无机杂化纳米粒子）。1.1.2杂化纳米粒子的性质杂化纳米粒子包含了有机、无机两种组分。其中的有机组分，相对常见的是聚合物，聚合物往往具有较好的溶液稳定性1、生物相容性2, 3、表面修饰能力4, 5等，此外某些聚合物还具有对温度、pH等的环境响应性；而其中的无机组分，比如金属纳米粒子，由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效应等而表现出很好的光电性能6、光热性能7、催化性能8等。相较于单一组成的纳米粒子，杂化纳米粒子将有机、无机两种组分结合起来，往往既具有有机材料的性质也具有无机材料的性质，很好地弥补了单一组分所存在的缺陷，更加完善了杂化纳米粒子的性质，甚至有时候杂化纳米粒子还有可能具有两种组分都没有的特殊性质9-12。1.1.3杂化纳米粒子的应用正是由于杂化纳米粒子的结构组成使得它具有很好的综合性能以及一些特殊性能，这也大大拓展了其在光学、电子、催化、生物医疗等领域的应用。Evans, S. D. 等13利用杂化纳米粒子发展了一种检测溶液极性的传感器。作者首先通过在硫醇衍生物存在的环境中直接还原氯金酸的方法制备得到了金纳米粒子表层由硫醇衍生物稳定的杂化纳米粒子（Figure 1.1）。他们采用了含-OH、-COOH、-NH2、-CH3四种不同末端基团的巯基衍生物对金纳米粒子表面进行修饰，由于杂化纳米粒子末端相同基团的排斥作用减弱了杂化纳米粒子之间的相互聚集的作用，使得这种杂化纳米粒子不会形成大的聚集体，而且由-CH3末端稳定的杂化纳米粒子可以分散在有机溶剂中，拓展了纳米粒子的溶液选择范围。然后作者通过溶剂蒸发的方法制备了单层的杂化纳米粒子膜，而这个杂化纳米粒子膜的电导性能受杂化纳米粒子的核间距和相对介电常数r的影响14。Figure 1.1 Schematic representation of two surfactant stabilized nanoparticles each of radius r, separated by a dielectric of relative permittivity r and thickness (twice the ligand length). Four different functional ligands were used to stabilize the particles (I-IV).作者利用杂化纳米粒子膜的特性搭建了一个蒸汽检测器（Figure 1.2）。其中N2作为流动气体带动待测溶液的蒸汽到检测器中，当蒸汽进入杂化纳米粒子膜检测器时，由于其与杂化纳米粒子表面的配体的作用会改变杂化纳米粒子的核间距和相对介电常数r从而使得杂化纳米粒子膜的电导性能发生改变，最终使得输出电流发生改变而达到检测的目的。当然，杂化纳米粒子表面修饰的基团极性不同，对于检测同种溶剂会有不同强度的信号产生；或者同种杂化纳米粒子膜对于检测不同极性的溶剂会产生不同的信号。Figure 1.2 Experimental set-up for measuring the electrical response of films up on exposure to analytes in a carrier gas. The flow meters were used to control the flow rate in each of the arms.Kim, J. S.等15利用层层自组装（Layer-by-layer，LbL）的方法来制备一种多功能性的杂化纳米粒子，其制备的过程如Figure 1.3所示。首先作者根据文献中报道的方法16制备得到了杂化硅球（记为NP0，NP0核中含有发冷光的Ru(bpy)3Cl2，NP0外层是顺磁性的钆-（丙基甲氧基硅烷）二乙烯三胺四乙酸（Gd-DTTA），由于此时的NP0表面带有负电荷，那么带正电Gd(III)-DOTA寡聚体1通过静电相互作用会沉积到杂化硅球的表面形成NP1A，然后在NP1A上沉积一层带负电的聚苯乙烯磺酸（PSS）得到NP1B；这个过程不断地循环就可以制备具有多层壳结构的杂化纳米粒子。Figure 1.3 Layer-by-layer (LbL) self-assembly strategy for the synthesis of cancer-specific multifunctional nanoparticles.这种具有多层壳结构的杂化纳米粒子还可以通过静电作用结合上特定的蛋白质K7RGD（a peptide sequence containing arginine-glycine-aspartate (RGD) and seven consecutive lysine (K) residues）。由于高度无序的、水溶性的寡聚体1和PSS的存在，使得水分子可以顺利的进入到Gd中心形成有效的质子弛豫，进而使得杂化纳米粒子的纵向（r1）和横向（r2）磁共振弛豫会随着壳层数的增加而延长（Figure 1.4a）。Figure 1.4b是HT-29细胞与不同种类的杂化纳米粒子进行培育后的磁共振图像，可以明显看出当使用K7RGD修饰后的杂化纳米粒子具有较强的信号加强效果，而没有杂化纳米粒子或者没有K7RGD修饰的杂化纳米粒子的样品都没有信号增强。虽然第四个样品（从左往右）加入了K7GRD修饰后杂化纳米粒子，但是K7GRD不会与细胞中的整合受体进行作用，不能有效地进入细胞，使得磁共振弛豫时间增加，所以没有明显的信号增强。同样在laser scanning confocal fluorescence microscopic（LSCFM）图像中（Figure 1.4d, f, h, and j），没有加入杂化纳米粒子或者没有加入K7RGD修饰的杂化纳米粒子以及加入K7GRD修饰后杂化纳米粒子的细胞都没有荧光产生或者荧光强度非常弱，而只有加入了K7RGD修饰后的杂化纳米粒子的细胞具有较强的荧光产生。这种多功能性的杂化纳米粒子在生物成像中具有很好地应用价值，而且可以通过改变不同的靶向蛋白质序列对多种疾病细胞进行靶向，这对生物医疗的发展具有非常重大的意义。Figure 1.4 a. Dependence of per particle r1 and r2 values on the number of deposited Gd-DOTA oligomer 1 on NP0. b. T1-weighted MR images of HT-29 cells that have been incubated with various nanoparticles. From left to right: control cells without any nanoparticle, cells with NP3B particles, cells with NP3B particles that have been noncovalently functionalized with K7RGD, and cells with NP3B particles that have been noncovalently functionalized with K7GRD. c-j. Phase contrast optical (c, e, g, and i) and LSCFM microscopic images (d, f, h, and j) of HT-29 cells that have been incubated with various nanoparticles: control cells without any nanoparticle (c and d), cells with NP5B particles (e and f), cells with NP5B particles that have been noncovalently functionalized with K7RGD (g and h), and cells with NP5B particles that have been noncovalently functionalized with K7GRD (i and j).Jiang Y.等17将Pd（0）纳米粒子（PdNPs）负载在树枝状大分子中做成了一种杂化纳米粒子并应用到了催化反应当中。他们通过两步法合成了树枝状大分子（polyamide amine，PAMAM）中负载PdNPs的杂化纳米粒子。通过硅烷偶联剂的偶联反应使得介孔分子筛SBA-15表面带有氨基，然后加入甲基丙烯酸与氨基反应带上双键，再加入乙二胺反应得到一代的G1-PAMAM-SBA-15，不断重复这两个步骤就可以得到Gn-PAMAM-SBA-15；第二步是将修饰后的分子筛放入（NH4）2PdCl4水溶液中搅拌，再加入NaBH4还原即可得到杂化纳米粒子（Figure 1.5）。作者用得到的杂化纳米粒子来催化烯丙醇的氢化反应，从Table 1中的数据可以看出这种杂化纳米粒子的催化效率以及转化率都比较高，其中选择性几乎随着代数的增加而上升，而且其反应副产物与之前报道的类似催化剂相比也要少很多。Figure 1.5 Schematic representation for the preparation of SBA-15 supported dendrimers and formation of nanoparticles.Table 1 Hydrogenation activities and selectivities of the catalysts.1.2不对称杂化纳米粒子1.2.1不对称杂化纳米粒子简介纳米粒子通常可以分为对称纳米粒子（symmetric nanoparticles）和不对称纳米粒子（asymmetric nanoparticles）。对称纳米粒子间相互作用没有选择性和方向性，跟不对称纳米粒子相比，其功能相对单一，而且在高级组装方面的研究相对较少，所以科学家对不对称纳米粒子的研究更加感兴趣。不对称纳米粒子通常是指两个半球或者半面具有不同化学性质或形貌结构的粒子。由于不对称粒子与古罗马神话中有着两副不同面孔的Janus神（Figure 1.6）十分相像，因此不对称粒子又被称为Janus particles18。按照粒子半球的形状来分，不对称粒子又可以分为“两相（bicompartmental）”粒子、“哑铃（dumbbell-like）状”粒子、“橡树果（acorn-like）状”粒子、“山莓半球（half raspberry-like）状”粒子和“雪人（snowman-like）状”粒子等（Figure 1.7）19。Figure 1.6 The double-faced “Janus” god in ancient Rome myth.Figure 1.7 Schematic representation of Janus and comparable particles (Note: spheres and diamonds symbolise particles and chemical functions, respectively).在不对称纳米粒子中，不对称杂化纳米粒子（asymmetric hybrid nanoparticles or Janus hybrid nanoparticles）最受人们关注。不对称杂化纳米粒子由有机与无机两个组分组成，其中无机组分多由金、银、硅、碳，以及它们氧化物等无机物构成，有机组分多由不同种类的聚合物分子，生物大分子和一些小分子有机物构成，相较于单一组分的不对称纳米粒子，不对称杂化纳米粒子的性能更具有多样性。另外，相较于作为分子自组装构筑单元的嵌段共聚物或者表面活性剂，不对称杂化纳米粒子的优势在于粒子的尺寸、形状、乃至作用位点在粒子表面的空间分布等都是可以调控的，这对于形成具有特殊有序结构或者新功能的高级组装结构是非常重要的。1.2.2不对称杂化纳米粒子的制备方法近十几年来，人们已就不对称杂化纳米粒子的制备开展了大量的研究工作，设计并合成特定结构或形状的不对称杂化纳米粒子已成为化学与材料科学领域中的一个新兴热点20-24。不对称杂化纳米粒子多是从对称结构的先驱体粒子制备而来的，在制备的过程中使用一些物理或者化学方法改变了先驱体粒子的对称结构，从而得到具有不对称结构或形貌的粒子。不对称杂化纳米粒子的制备需要控制不同组分的空间分布和调控不同组分之间的相互作用，另外如果要制备具有精确形貌、结构和尺寸的不对称杂化纳米粒子或者简单而高效的制备不对称杂化纳米粒子将是非常困难的，这也是科学研究者所面临的重大挑战，而且这对纳米科技、物理和化学的发展与进步具有非常重要的意义。目前，不对称杂化纳米粒子的制备方法主要是通过以下四种方法所实现的：1）选择性表面改性法（selective surface modification）；2）模板导向组装法（template-directed self-assembly）；3）相分离法（phase separation）；4）直接合成法（direct synthesis）。1）选择性表面改性法（selective surface modification），是一种对先驱体粒子表面的特定位置进行精确的修饰功能化的制备方法，也是目前获得不对称杂化粒子的主要制备方法。该方法的技术难点在于对先驱体粒子的半球进行修饰改性的同时，必须保证粒子另外的半球不受影响。早在1989年，Casagrande, C.等25就利用选择性表面改性的方法制备了不对称杂化粒子。其方法是先将已经工业化生产的先驱体玻璃球（粒径为40-50 m）堆积于表面涂敷了纤维素保护层的固体基质中，保护层的厚度可控，一般为先驱体的半径，其作用一方面是固定玻璃球，另一方面是避免被保护的半球与外界的反应。未受到保护的半球然后再与八烷基三氯甲烷作用，使得相应的半球表面变为疏水，经过这样的改性后再将纤维素层溶解将球体整个释放出来，得到不对称杂化纳米粒子。将制备的不对称杂化粒子置于水蒸气中，发现水蒸气在疏水的半球表面上冷却形成了小液滴，而亲水的半球表面上则是连续均匀的水膜覆盖了整个半面，由此证明了不对称杂化粒子的两亲性（Figure 1.8）。这一方法在对较大粒径的先驱体粒子表面的修饰改性方面是相当成功的，但是却不适用于制备纳米级别的不对称杂化纳米粒子，主要的原因还是在于无法控制在纳米级别的保护层厚度。不过，这种制备不对称杂化粒子的方法，为后续制备不对称杂化纳米粒子的发展提供了一种思路。正是由于作者的这种思路，很多后来发展的选择性表面改性法来制备不对称杂化纳米粒子是以它为基础的，所以这个工作在不对称杂化纳米粒子制备方法的发展中具有相当重要的历史地位。Figure 1.8 A schematic plot and a microphotography of a Janus bead. is the separation line between the polar (P) and apolar (A) parts of the bead. This boundary is visualized on the photography by breath patterns (figures de souffle): the water spreads on the hydrophilic part and makes a film, whereas on the hydrophobic part one observes small droplets as water does not wet completely.那么在后续的发展中，科学研究者的确利用选择性表面改性法制备了多种纳米级别的不对称杂化纳米粒子26-28。举例来说，Pradhan, S.等29将己硫醇稳定的金纳米粒子（AuNPs）分散到水溶液中，由于己硫醇的疏水性使得AuNPs漂浮在水面上；然后在机械挤压的作用力下，由于相邻的AuNPs之间存在着疏水相互作用，AuNPs会相互靠近，最后在表面形成单层的AuNPs膜；再注射亲水的配体基团mercaptopropanediol（MPD）到水层中，此时直接与水界面接触的AuNPs表面会发生配体交换而形成不对称的杂化纳米粒子（Figure 1.9）。Figure 1.9 Schematic of the preparation of Janus nanoparticles based on the Langmuir technique.2）模板导向组装法（template-directed self-assembly）主要用于哑铃状、山莓半球状及雪人状不对称杂化粒子的制备，使用模板的目的在于可以通过事先设计好的模板形状来调控先驱体粒子的组装行为，从而获得特定形貌的不对称杂化纳米粒子。Yin, Y.和Xia, Y.等30-32利用模板导向组装法制备了多种结构的不对称杂化纳米粒子。其中Yin, Y.等31首先在玻璃基底上用光刻胶得到了圆柱形状的孔洞，并用平行排列的两块玻璃基板构成一个狭窄的空间（Figure 1.10）；当分散有先驱体球形粒子的水溶液流入构建好的空间后，在溶剂挥发的过程中球形粒子由于受到毛细作用力会落入圆柱体形的孔洞中，且每个孔洞中只能存在一个粒子（孔洞的高度和大小经过精确的设计）。在第一批先驱体大粒子polystyrene（PS）球进入孔洞后对基底进行适当加热（略高于粒子的玻璃化转变温度），就可以将其固定在孔洞中，然后再将含有较小粒径的先驱体粒子硅球的溶液流入同一空间，小粒子会以相同的方式落入孔洞中；由于孔洞空间体积的限制，每个孔洞中只能容纳一个大粒子和一个小粒子；再将孔洞中的大小粒子通过加热的方法粘结成一体，最后将基底上的光刻胶超声溶解于乙醇溶液后释放得到的就是雪人状的不对称杂化纳米粒子（Figure 1.11）。在这个制备方法中，孔洞与先驱体粒子的半径大小比例是控制每个孔洞中粒子个数的决定因素，所以可以制备更复杂的含有不同粒子个数的不对称杂化纳米粒子。模板导向组装法能够有效地制备结构非常规整的不对称杂化纳米粒子，其主要不足在于不对称杂化纳米粒子的产率较低以及制备模板的成本过高。Figure 1.10 Schematic illustration of the experimental procedure. The liquid was allowed to dewet from the surface along the direction indicated by the arrow.Figure 1.11 (A, B) Scanning electron microscopy (SEM) images that illustrate the procedure used to assemble two different types of spherical colloids (2.8m polystyrene beads, 1.6m silica balls) into dimeric units under the physical confinement exerted by the cylindrical holes (5 and 2.5m in diameter and height, respectively) patterned in a thin film of photoresist. (C) The transmission electron microscopy (TEM) image of one of the dimers after they had been released from their original support by dissolving the photoresist pattern in ethanol, followed by redeposition onto a TEM grid. (D) The fluorescence microscopy image of a 2D array of dimers that were self-assembled from polystyrene beads that were different in both size and color: 3.0m beads doped with a green dye (FITC) and 1.7m beads doped with a red dye (Rhodamin). The green and red dye molecules were selectively excited and recombined into an overlapped image.3）相分离法（phase separation）制备不对称杂化纳米粒子以纳米粒子表面的多种配体由于结晶或者疏水相互作用等原因而发生相分离进而形成聚集体得到不对称结构为主33, 34。相分离法有以下优点：方法简便，制备价格低廉而且可以大规模生产；可以用不同的配体制备多种多样的纳米结构；不同配体可以调控杂化纳米粒子的性能。Chen, T.等35用混合-加热法合成了不对称杂化纳米粒子，制备过程如Figure 1.12所示。简单地说就是将柠檬酸钠稳定的AuNPs，PS154-b-PAA60，LA和LB（Figure 1.13）一起加入到DMF/H2O（体积比为4:1）的混合溶剂中加热到110保持两小时，然后再慢慢的冷却诱导聚合物组装即可得到不对称杂化纳米粒子。其中的机理是：在两亲性嵌段共聚物PS154-b-PAA60形成胶束的条件下加入疏水性的巯基配体LA与AuNPs作用形成核壳结构的AuNPs（AuNPpolymer）36, 37，得到的核壳结构是PS连接在LA稳定的AuNPs上而PAA暴露在最外面的壳层；当在整个包裹的过程中存在另一种亲水性配体LB时，LB就会与聚合物进行竞争吸附到AuNPs表面而形成不对称杂化纳米粒子，显然加入LB的量不同，会使得最终得到的杂化纳米粒子的不对称程度发生变化。Figure 1.12 Schematic diagram showing the formation of homocentric (a and b) and eccentric (a, c, and d) AuNPpolymer. TEM images of puried AuNPpolymer when 1:2 = 1:0 (e); 1:22 (f); 1:132 (g), corresponding to b, c, and d, respectively. All scale bars are 50 nm.Figure 1.13 Chemical structure of LA and LB.Jackson, A. M.等38用一种简单的方法制备了monolayer-protected metal nanoparticles （MPMN），且其表面配体的聚集体呈波浪形（Figure 1.14c）。他们首先是将氯金酸从水溶液中萃取到含有四辛基溴化铵的甲苯溶液中，然后再加入配体OT（CH3-（CH2）7-SH）/MPA（HOOC-（CH2）2-SH）（摩尔比为2:1）和硼氢化钠水溶液搅拌两小时后，浓缩后加入到大量乙醇中进行沉淀即可得到不对称杂化纳米粒子。在这个过程中两种配体的亲疏水性以及它们的配比对于形成不对称杂化纳米粒子具有很大的影响，另外这种方法来制备不对称杂化纳米粒子，可以很方便的来调控粒子表面配体聚集体的高度，间距和形状，这在一般的制备方法中是很难做到的，这对纳米技术的发展具有重要的意义。Figure 1.14 MPMNs with phase-separated ordered (rippled) domains on their ligand shell. a. STM image of OT/MPA (2:1 molar ratio) gold nanoparticles showing phase-separated ripples on their ligand shell. Scale bar 10 nm. b. STM image of one rippled nanoparticle. c. Schematic drawing of one single rippled nanoparticle in which the yellow lobes represent OT molecules and the red lobes represent MPA,shown to help the reader understand the morphology of the ligand shell. d. Surface plot of the ligand shell contour showing the order that is present there (scales are in nm).4）直接合成法（direct synthesis）的优势在