碳纳米材料是纳米材料界一类非常有魅力的物质，从零维富勒烯的发现，到随后的一维碳纳米管，再到二维石墨烯，碳纳米材料两度夺得诺贝尔奖，由此世界范围内掀起了碳材料的研究热潮。其中碳纳米管和石墨烯具有比表面积高、化学稳定好、生物毒性低、环境污染小等优点，可以作为吸附材料、敏化材料、导电材料等等。有机聚合物整体柱作为一种新型分离材料，具有选材广泛、制备方法简单、表面化学多样化、应用pH范围宽、柱容量高以及其独特的双连续结构和双孔分布等优势，适合作为分离富集材料，具有巨大的应用潜能。本研究工作围绕碳纳米管、石墨烯、有机聚合物整体材料与样品的分离富集技术而展开，并将其进行有机的结合，旨在设计出具有优异性能的功能化碳纳米复合材料。发展了简便快捷的合成路线，总结其机理和规律，基于这些材料的分离富集方法来探索其在金属、药品和生物样品检测领域的应用。具体工作如下：1.评述了碳纳米管、石墨烯以及有机聚合物整体柱用于分离富集领域的研究现状。首先，介绍了改性碳纳米管和石墨烯作为吸附剂和固相萃取材料的应用；其次，评述了有机聚合物整体柱的研究发展情况，着重介绍整体柱制备、改性以及在固相微萃取方面的应用。2.发展了不同的改性碳纳米管的方法，并研究其对稀土元素吸附性能的影响。在硝酸、次氯酸钠、过氧化氢、高锰酸钾四种改性方法中，次氯酸钠改性的多壁碳纳米管对稀土元素的吸附能力最强。考察了次氯酸钠改性的多壁碳纳米管吸附稀土元素钐、钆、镱过程中浓度、溶液pH值、离子强度、吸附剂用量、温度等因素对吸附性能的影响，计算了反应焓变，并用Langmuir和Freundlich方程对吸附等温线进行了模拟。3.提出了简单、快速制备单宁酸-碳纳米管功能化纳米材料的方法。通过红外光谱、透射电子显微镜表征制得的单宁酸改性多壁碳纳米管(TA-MWCNTs)，并将其用作吸附材料，构建了基于TA-MWCNTs吸附稀土元素的研究平台。为了获得较高的吸附能力，讨论了影响吸附性能的各个因素，并对吸附过程的吸附等温线、动力学、热力学函数进行了详细讨论。与其它用于吸附稀土元素的材料相比较，本工作合成的材料可以作为去除稀土元素的经济、简便的吸附剂。同时，本方法拓展了改性碳纳米管的普适性制备及其应用。4.发展了一锅法制备石墨烯掺杂聚(甲基丙烯酸丁酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯)整体柱(BMA-co-EDMA-co-GN)的方法，并将此整体柱用作富集材料。结合高效液相色谱-质谱法(LC-MS)，考察了此种杂化材料富集糖皮质激素的性能。结果表明：(BMA-co-EDMA-co-GN)整体材料具有较强的富集糖皮质激素的能力，而且重复性好、稳定性强。将此方法用于实际化妆品样品中糖皮质激素药物的痕量分析时，检出限和加标回收率都令人满意。由于(BMA-co-EDMA-co-GN)整体柱-LC-MS方法具有制备简单、检测快速、检测限低和线性范围宽等优势，在食品和生物样品的糖皮质激素的检测分析中也有很大潜力。5.基于化学键合的方法，成功发展了一种简单的策略合成石墨烯包覆的(甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯)有机聚合物整体柱(GN@GMA-co-EDMA)。合成方法是先将GMA-co-EDMA整体柱氨基修饰使其表面带多个氨基，随后与氧化石墨烯(GO)表面的羧基生成酰胺键，得到GO@GMA-co-EDMA整体柱，最后采用化学还原方法将其还原成GN@GMA-co-EDMA整体柱。以肌氨酸分子(潜在的前列腺癌症标记物)为探针，研究了GN@GMA-co-EDMA整体材料的富集能力，表明此复合整体材料综合了整体柱快速传质、丰富的多孔属性和石墨烯大的表面积、高的富集属性。