石墨烯量子点,可作为多功能的荧光探针和通用的荧光标记平台,自从发现以来一直处于诸多领域如——材料科学,医疗诊断和分析化学——的中心。这很大程度上是因为石墨烯量子点良好的光稳定性和生物相容性。作为氧化石墨烯的衍生物,石墨烯量子点大多数具有富氧的表面官能团,十分方便进行后续修饰。除了其独特的荧光特性之外,石墨烯量子点还在光催化和模拟生物酶方面具有广泛前景。其上述性质已经被成功应用于电化学和比色法传感器中。石墨烯量子点的最难能可贵的特性是可控的光学性质。换言之:石墨烯量子点的荧光由很多特征性指标和溶液环境所共同调控,例如:量子点尺寸、边缘修饰、官能团、表面势能和钝化,p H以及溶液极性等。石墨烯量子点是当下新型荧光探针发展的最有潜力的候选材料,在化学传感器和生物成像领域前景广泛。本论文分为五个部分,具体内容如下:第一章绪论在这一章,我们首先回顾了石墨烯量子点从被提出到广泛应用的近十年来的发展历程。接着又对石墨烯量子点常用的表征手段如透射电子显微镜、原子力显微镜、X-射线光电子能谱等技术进行了总结。作为一种低毒性、易修饰、荧光性能好的碳基纳米材料,石墨烯量子点在荧光传感和细胞成像、电化学及电化学发光传感器、光伏材料、类酶催化等领域应用十分广泛。本章节举例分析了近年来石墨烯量子点在各应用领域的代表性成果,并对其未来发展趋向进行了展望。第二章基于石墨烯量子点自催化荧光调控的比率型探针检测血清中铁蛋白比率型荧光探针通过设置一个内参比荧光通道以减少背景干扰,在分析化学研究中具有非常重要的研究意义。然而,传统的比率型荧光探针需要两种不同发射的发光材料。本章节报道了一种基于单波长荧光发射材料的新型比率型荧光探针。该探针通过在紫外线激发下的自催化机制来调控石墨烯量子点的荧光性质。该比率型荧光传感器对铁离子显示出很高的灵敏度和特异性。此外,该比率型传感器也成功地用于监测化学诱导急性肝损伤的SD大鼠血清中的铁蛋白水平。我们提出的单波长比率型荧光传感策略将会极大地扩大比率型荧光传感器在诊断设备、医疗应用和分析化学中的适用性。第三章基于功能化石墨烯量子点的高选择性葡萄糖荧光探针及其在大鼠血糖实时监测中的应用荧光石墨烯量子点具有较宽的紫外吸收范围、优异的光稳定性、良好的生物相容性和低细胞毒性,被认为是替代含重金属的无机量子点的未来材料。然而,石墨烯量子点在荧光测定中的应用受到了很多限制,这和它们量子产率相对较低密切相关。在这项工作中,我们构建了3-氨基苯硼酸功能化的石墨烯量子点作为高选择性、高灵敏度的葡萄糖荧光探针。硼酸官能化很大程度上改善了石墨烯量子点的荧光特性。我们的功能化石墨烯量子点的量子产率高达49.7%,在本文发表时是据我们所知量子产率最高的石墨烯量子点。此外,该工作也是基于石墨烯量子点的传感系统与大鼠脑内活体微透析系统的首次相结合。该工作可以极大促进石墨烯量子点在实际在线测定和医学诊断领域的应用。第四章石墨烯量子点的自组装结构的研究与应用本章节主要包含两个部分。在第一个部分我们构建了石墨烯量子点的配位组装体系。我们利用不同的金属离子,和石墨烯量子点周围的羧基等含氧官能团发生配位,从而诱导石墨烯量子点组装成纳米链、纳米球、纳米壳层结构、甚至星形超粒子结构等不同的组装形貌。我们详细研究了石墨烯量子点的不同组装条件对形貌的影响,并对石墨烯量子点组装纳米链进行了详细的结构和谱学表征。第二个部分里,我们讨论了石墨烯量子点/氧化石墨烯和细胞色素c的层层组装。我们对该层层组装复合物的结构形貌和形成过程进行了详细的研究,发现该复合材料具有极佳的过氧化物酶活性,并且酶活性高度稳定且易于回收。我们接着将该复合材料成功地拓展为一个检测致癌性芳香胺的比色传感器。该比色传感器对致癌性芳香胺(如萘胺等),具有优良的选择性和灵敏度,非常适合服装皮革样品的快速现场检测。第五章石墨烯量子点的计算化学和理论模拟研究在前一章节中,我们设计了一系列石墨烯量子点的组装体系,并且利用显微成像技术和光谱表征详细研究了这些组装体的形貌和物理化学性质。然而,我们对原子尺度下石墨烯量子点的组装结构仍然知之甚少。我们难以从实验上获得配位组装的金属离子周围化学键的直接信息,也难以解释为何石墨烯量子点组装形貌的多样性。因此,我们借助分子动力学和密度泛函理论计算,对石墨烯量子点的组装过程进行了研究。此外,对于氧化石墨烯/细胞色素c层层组装复合体系,虽然有很多课题组先前已经发现了类似材料中存在反常的酶活性增强现象,但有关此酶活性增强的机理一直缺乏相应的深入讨论。而且,在我们的层层组装复合材料中,大部分细胞色素c嵌入石墨烯层中间位置,这使得实验表征手段,无论是电子显微镜还是原子力显微镜均难以对材料内部的蛋白质结构进行分析。因此,我们利用原子尺度的分子动力学模拟,深入研究了氧化石墨烯/细胞色素c层层组装复合体系的酶活性增强机理。同时也对芳香胺分子对酶活性抑制作用的工作机理进行了讨论。在本章的最后,我们还对低维碳纳米材料的异质结——碳纳米管和石墨烯的复合体系进行了基于密度泛函理论的研究,深入讨论了这些异质结构的电子性质、磁学性质等以及这些性质和异质结结构参数的构效关系。