石墨烯量子點：石墨烯材料體系中的明珠

石墨烯的發現拉開了二維材料研究的大幕，以石墨烯為代表的碳基納米材料具有獨特的結構優勢，并具有奇異的電學、光學以及磁學性能，為微電子、光催化、光電轉換、能源存儲、生物診斷與治療等一系列領域的發展帶來了曙光，是學術界和產業界重點關注的新材料。眾所周知，石墨烯是一種零帶隙類金屬材料，但當石墨烯的橫向尺寸減小到量子尺度（＜100納米）時，石墨烯中的π電子發生局域化，其能帶隨之得到打開，因此石墨烯量子點展現出與石墨烯迥然不同的一系列性質。

性質獨特

通常情況下，橫向尺寸小于10納米、厚度為1～2個原子層的石墨烯被稱為石墨烯量子點。石墨烯量子點的制備有top-down和bottom-up兩種途徑：top-down方法主要以石墨烯或石墨為前驅體，通過化學、電化學或物理方法將橫向尺寸減小到幾納米；bottom-up方法主要以含苯環的小分子通過水熱、高溫氣相沉積或電化學合成等方法得到幾納米的量子點。

石墨烯量子點繼承了石墨烯sp2構型的原子排列結構，因而不同于其他化學性質不穩定的量子點材料，石墨烯量子點能夠承受強酸、強堿和較高溫度的極端環境。同時，石墨烯量子點具有一些石墨烯材料所不具備的獨特性質。

石墨烯與石墨烯量子點的化學及能帶結構

光致發光性質

大量研究表明，通過簡單的手段對石墨烯量子點的尺寸與化學結構（邊緣/表面基團修飾、晶格異質原子摻雜）進行控制，可有效調控石墨烯量子點的發光波長。當前廣泛應用于熒光成像技術的有機熒光染料，其光致發光波長調控需要通過大幅度修改有機分子的結構來實現，這一過程涉及對整個有機合成流程的修改，直接降低了有機熒光染料更新換代的效率。

與此同時，石墨烯量子點還具有傳統光致發光材料所不具備的一些光學行為，其中最值得一提的是激發波長依賴現象。通常情況下，熒光物質在其光致發光過程中，熒光發射波長不隨激發波長的改變而發生變化；而在石墨烯量子點中，隨著激發波長的變化，其熒光發射波長通常會發生50～200納米的移動。借助激發波長依賴現象，石墨烯量子點可以在不改變其他外在因素（例如化學組分和尺寸）的情況下，通過調控激發波長來改變熒光發射波長。這種方法能夠更為簡便地調控該類材料的光致發光行為。

界面性能

除了獨特的發光性質以外，石墨烯量子點的超小尺寸還使其具有石墨烯不具備的界面性能。石墨烯量子點具有更大的比表面積和更多的邊緣原子，邊緣原子的占比可高達20%。這些邊緣原子由于存在不飽和鍵，具有很高的化學活性，便于修飾和改性，從而改變石墨烯量子點的光學、分散和復合特性。

應用領域廣闊

獨特的光學特性使石墨烯量子點材料有望廣泛應用于生物診斷與治療領域。生物診斷與治療是臨床活動的核心過程。高效、快速的診斷方法和治療手段的開發是推動臨床治療的關鍵課題。作為生物診斷與治療過程中的一類常用技術，熒光成像技術是利用熒光物質在光激發下的熒光行為實現細胞或組織的成像，具有操作簡單、結果直觀、靈敏度高等特點。近年來，隨著熒光成像技術的發展，無損的活體熒光成像技術越來越受到重視。該技術使研究人員能夠對活體生物體內多種生物過程進行無損實時監控。與傳統的培養—宰殺—成像的技術流程相比，該方法能夠實現同一觀察目標（標記器官、組織、細胞或基因）的實時監控，得到的數據更加真實可信。

相比于傳統的有機熒光染料及半導體量子點，石墨烯量子點不僅具有新穎的光致發光性質，而且，其突出的穩定性和生物相容能力也使其更適合于生物診斷和治療過程。實驗結果表明，石墨烯量子點在細胞與活體組織中具有較長的代謝周期（＞7天），這使對細胞、組織進行長時間原位成像研究成為可能。大量的實驗證據也證明石墨烯量子點生物毒性較小。此外，基于石墨烯量子點的原位熒光檢測、光動力治療以及分子生物學應用也得到了廣泛的研究。石墨烯量子點通過多態敏化過程能夠高效地產生單線態氧（1O2），其1O2生成效率遠高于當前廣泛使用的各種PDT試劑。石墨烯量子點優異的熒光性能，可實現腫瘤活體成像與高效光動力治療的同時開展。

高比表面積、高比例邊緣原子和界面特性使得石墨烯量子點材料在能源應用領域（鋰離子電池、超級電容器、電催化等）以及環境保護領域（光催化降解、快速超濾膜等）具有極高的應用價值。與傳統的微米級石墨烯薄片相比，量子點的小尺寸性質使其更容易分散到鋰離子電池和超級電容器中，起到良好導電效果的同時有效地保留離子遷移的路徑。氮摻雜的石墨烯量子點已經被證明在電催化還原二氧化碳方面表現出類似于金屬催化劑的效率和選擇性。在光/電解水領域，石墨烯量子點也展現了優異的性能。石墨烯量子點能夠分散傳統的催化劑材料，并完美吸附在催化劑表面，形成協同效應。例如，當石墨烯量子點與傳統半導體光催化劑二氧化鈦復合后，有助于半導體光催化劑的光生電子空穴對的分離，同時，作為具有帶隙的半導體材料，量子點還能夠提供額外的激發態電子與空穴，從而實現光催化能力的進一步提升。超濾膜材料方面，通過碳基量子點的引入，可在保持優異機械強度和良好柔韌性的基礎上構建可控孔隙結構，從而實現離子和小分子篩選和水輸運的可能性，這有助于制備超薄、高通量和節能的超濾膜。

綜上所述，石墨烯量子點可以看作石墨烯材料體系中的明珠，因為其極限的尺寸和獨特的性能，石墨烯量子點應用前景廣闊。當前石墨烯量子點材料發展存在的最大問題是制備困難，現有國內外的制備技術要么產率極低，要么工藝污染嚴重，要么發光強度低，需要鼓勵一些生產效率高、綠色無污染、尺寸均一的原創制備技術發展，并推動光致發光機制和調控機制等方面的基礎研究，從而加速石墨烯量子點材料的應用開發。