石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）是指石墨烯片層尺寸在100nm以內(nèi)，片層層數(shù)在10層以下的一種新興碳質(zhì)熒光材料。通常來(lái)講，石墨烯量子點(diǎn)是包含了石墨烯量子點(diǎn)、氧化石墨烯量子點(diǎn)、部分還原的氧化石墨烯量子點(diǎn)的一大類結(jié)構(gòu)類似性能相同的碳質(zhì)熒光材料及其衍生物的總稱。

由于石墨烯量子點(diǎn)中的C=C雙鍵結(jié)構(gòu)，能夠發(fā)生π-π躍遷，因此它能夠在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)大量吸收光子。通常來(lái)說(shuō)，會(huì)在紫外吸收譜260-320nm范圍內(nèi)顯示出較強(qiáng)的吸收峰，并伴隨延伸至可見(jiàn)光范圍的拖尾。同時(shí)，由于n-π躍遷的影響，石墨烯量子點(diǎn)還有可能在270-390nm范圍內(nèi)出現(xiàn)肩峰。并且，由于表面修飾官能團(tuán)和表面鈍化的影響，紫外吸收峰的位置和峰形均會(huì)受到影響。

石墨烯量子點(diǎn)的光致發(fā)光性能

石墨烯量子點(diǎn)的發(fā)光性能是其最重要的性能，也是被研究人員研究最廣泛和最貼近實(shí)際應(yīng)用的性能。相比于球狀的碳量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，片層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯量子點(diǎn)具有更加規(guī)整的晶狀結(jié)構(gòu)，因而會(huì)有更高的熒光量子產(chǎn)率。

石墨烯量子點(diǎn)的合成

石墨烯量子點(diǎn)的制備有自上而下和自下而上兩種方法。

自上而下合成

自上而下的方法是指經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)方法將大尺寸的物質(zhì)刻蝕成納米尺寸的石墨烯量子點(diǎn)，有溶劑熱法、電化學(xué)和化學(xué)剝離等制備路徑。

溶劑熱法是制備石墨烯量子點(diǎn)中許多方法中的一種方法，其工藝可以分三步：首先將氧化石墨烯在真空狀態(tài)下通過(guò)高溫還原成石墨烯納米片；在濃硫酸和濃硝酸中氧化并切割石墨烯納米片；最后將氧化后的石墨烯納米片在溶劑熱環(huán)境下還原并形成石墨烯量子點(diǎn)。

電化學(xué)法制備石墨烯量子點(diǎn)工藝的工藝過(guò)程可總結(jié)為三個(gè)階段：第一階段是石墨即將剝落形成石墨烯的誘導(dǎo)期，電解液的顏色開(kāi)始從無(wú)色到黃色再到暗棕色的變化過(guò)程；第二階段是陽(yáng)極的石墨發(fā)生明顯膨脹；第三階段是石墨片已經(jīng)從陽(yáng)極剝落，與電解液一起形成黑色的溶液。在第二和第三階段中發(fā)現(xiàn)燒杯底部有沉淀物體。電化學(xué)反應(yīng)中有水與離子液體中陰離子的相互作用，因此產(chǎn)物的形狀和尺寸分布可以通過(guò)改變水和離子液體的比例來(lái)調(diào)節(jié)。離子濃度大的電解液比濃度小的電解液制備出的量子點(diǎn)的尺寸大。

化學(xué)剝離碳纖維法則是將碳源經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)而層層剝離制得石墨烯量子點(diǎn)。Peng等以樹(shù)脂基碳纖維作為碳源，再將在纖維中堆垛的石墨經(jīng)過(guò)酸處理進(jìn)行剝離。只需一步就能得到的石墨烯量子點(diǎn)，然而它們的粒徑不均一。

自下而上合成

自下而上的措施則是指以較小的構(gòu)造單元作為前體經(jīng)過(guò)一系列互相作用力制備成石墨烯量子點(diǎn)，主要有溶液化學(xué)法、超聲波和微波法等制備路徑。

溶液化學(xué)法主要是通過(guò)芳基氧化縮合的溶液相化學(xué)方法制備石墨烯量子點(diǎn)。合成過(guò)程是用小分子（3-碘-4溴苯胺或其他苯衍生物）聚合物逐漸縮合反應(yīng)制備得到聚苯樹(shù)突狀前驅(qū)體，再通過(guò)氧化反應(yīng)制備得到石墨烯基，最后再經(jīng)刻蝕制備得到石墨烯量子點(diǎn)。

微波法則采用糖類（如葡萄糖、果糖等）為碳源，原因在于糖類脫水后能形成C=C從而能構(gòu)成石墨烯量子點(diǎn)的基本骨架單元。羥基、羧基中的氫和氧元素會(huì)在水熱環(huán)境中脫水除去，而剩余的官能團(tuán)則仍然結(jié)和在石墨烯量子點(diǎn)的表面，它們作為“鈍化層”而存在，這樣可以使石墨烯量子點(diǎn)具有很好的水溶性和熒光性質(zhì)。

GQDs的實(shí)際應(yīng)用

石墨烯量子點(diǎn)在生物、醫(yī)藥、新型半導(dǎo)體器件等范疇具備重要潛在應(yīng)用。能實(shí)現(xiàn)單分子傳感器，也可能催生超小型晶體管或是使用半導(dǎo)體激光器所進(jìn)行的芯片上通訊用來(lái)制作化學(xué)傳感器、太陽(yáng)能電池、醫(yī)療成像裝置或是納米級(jí)電路等等。

在生物傳感器中的應(yīng)用

Zhao等研發(fā)了一種新型通用信號(hào)傳導(dǎo)設(shè)備，就是利用石墨烯與石墨烯量子點(diǎn)之間的發(fā)光能量共振轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光淬滅來(lái)靈敏地檢測(cè)人免疫球蛋白G(HIgG)。

在生物成像技術(shù)中的應(yīng)用

石墨烯量子點(diǎn)在生物醫(yī)藥運(yùn)用的研究，是基于大量報(bào)道是關(guān)于因石墨烯具有大的比表面積故可以用作生物傳感器。而石墨烯量子點(diǎn)不僅具有穩(wěn)定光致發(fā)光、生物毒性低和好的生物相容性等性質(zhì)，使其能成為很好的生物成像探針。

2019年6月4日-5日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在江蘇·蘇州·福朋喜來(lái)登酒店舉行“2019第二屆低維碳納米材料制備及應(yīng)用技術(shù)高峰論壇”，來(lái)自西南大學(xué)的郭鳴明教授將為大家?guī)?lái)《石墨烯量子點(diǎn)：過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)；合成、表征、應(yīng)用》的報(bào)告。