石墨烯的發(fā)現(xiàn)拉開(kāi)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(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，并具有奇異的電學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)性能，為微電子、光催化、光電轉(zhuǎn)換、能源存儲(chǔ)、生物診斷與治療等一系列領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了曙光，是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的新材料。眾所周知，石墨烯是一種零帶隙類(lèi)金屬材料，但當(dāng)石墨烯的橫向尺寸減小到量子尺度（＜100納米）時(shí)，石墨烯中的π電子發(fā)生局域化，其能帶隨之得到打開(kāi)，因此石墨烯量子點(diǎn)展現(xiàn)出與石墨烯迥然不同的一系列性質(zhì)。

性質(zhì)獨(dú)特

通常情況下，橫向尺寸小于10納米、厚度為1～2個(gè)原子層的石墨烯被稱(chēng)為石墨烯量子點(diǎn)。石墨烯量子點(diǎn)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(qū)體，通過(guò)化學(xué)、電化學(xué)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(huán)的小分子通過(guò)水熱、高溫氣相沉積或電化學(xué)合成等方法得到幾納米的量子點(diǎn)。

石墨烯量子點(diǎn)繼承了石墨烯sp2構(gòu)型的原子排列結(jié)構(gòu)，因而不同于其他化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的量子點(diǎn)材料，石墨烯量子點(diǎn)能夠承受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和較高溫度的極端環(huán)境。同時(shí)，石墨烯量子點(diǎn)具有一些石墨烯材料所不具備的獨(dú)特性質(zhì)。

石墨烯與石墨烯量子點(diǎn)的化學(xué)及能帶結(jié)構(gòu)

光致發(fā)光性質(zhì)

大量研究表明，通過(guò)簡(jiǎn)單的手段對(duì)石墨烯量子點(diǎn)的尺寸與化學(xué)結(jié)構(gòu)（邊緣/表面基團(tuán)修飾、晶格異質(zhì)原子摻雜）進(jìn)行控制，可有效調(diào)控石墨烯量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)。當(dāng)前廣泛應(yīng)用于熒光成像技術(shù)的有機(jī)熒光染料，其光致發(fā)光波長(zhǎng)調(diào)控需要通過(guò)大幅度修改有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一過(guò)程涉及對(duì)整個(gè)有機(jī)合成流程的修改，直接降低了有機(jī)熒光染料更新?lián)Q代的效率。

與此同時(shí)，石墨烯量子點(diǎn)還具有傳統(tǒng)光致發(fā)光材料所不具備的一些光學(xué)行為，其中最值得一提的是激發(fā)波長(zhǎng)依賴(lài)現(xiàn)象。通常情況下，熒光物質(zhì)在其光致發(fā)光過(guò)程中，熒光發(fā)射波長(zhǎng)不隨激發(fā)波長(zhǎng)的改變而發(fā)生變化；而在石墨烯量子點(diǎn)中，隨著激發(fā)波長(zhǎng)的變化，其熒光發(fā)射波長(zhǎng)通常會(huì)發(fā)生50～200納米的移動(dòng)。借助激發(fā)波長(zhǎng)依賴(lài)現(xiàn)象，石墨烯量子點(diǎn)可以在不改變其他外在因素（例如化學(xué)組分和尺寸）的情況下，通過(guò)調(diào)控激發(fā)波長(zhǎng)來(lái)改變熒光發(fā)射波長(zhǎng)。這種方法能夠更為簡(jiǎn)便地調(diào)控該類(lèi)材料的光致發(fā)光行為。

界面性能

除了獨(dú)特的發(fā)光性質(zhì)以外，石墨烯量子點(diǎn)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(diǎn)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(dá)20%。這些邊緣原子由于存在不飽和鍵，具有很高的化學(xué)活性，便于修飾和改性，從而改變石墨烯量子點(diǎn)的光學(xué)、分散和復(fù)合特性。

應(yīng)用領(lǐng)域廣闊

獨(dú)特的光學(xué)特性使石墨烯量子點(diǎn)材料有望廣泛應(yīng)用于生物診斷與治療領(lǐng)域。生物診斷與治療是臨床活動(dòng)的核心過(guò)程。高效、快速的診斷方法和治療手段的開(kāi)發(fā)是推動(dòng)臨床治療的關(guān)鍵課題。作為生物診斷與治療過(guò)程中的一類(lèi)常用技術(shù)，熒光成像技術(shù)是利用熒光物質(zhì)在光激發(fā)下的熒光行為實(shí)現(xiàn)細(xì)胞或組織的成像，具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀、靈敏度高等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著熒光成像技術(shù)的發(fā)展，無(wú)損的活體熒光成像技術(shù)越來(lái)越受到重視。該技術(shù)使研究人員能夠?qū)铙w生物體內(nèi)多種生物過(guò)程進(jìn)行無(wú)損實(shí)時(shí)監(jiān)控。與傳統(tǒng)的培養(yǎng)—宰殺—成像的技術(shù)流程相比，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)同一觀察目標(biāo)（標(biāo)記器官、組織、細(xì)胞或基因）的實(shí)時(shí)監(jiān)控，得到的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。

相比于傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料及半導(dǎo)體量子點(diǎn)，石墨烯量子點(diǎn)不僅具有新穎的光致發(fā)光性質(zhì)，而且，其突出的穩(wěn)定性和生物相容能力也使其更適合于生物診斷和治療過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯量子點(diǎn)在細(xì)胞與活體組織中具有較長(zhǎng)的代謝周期（＞7天），這使對(duì)細(xì)胞、組織進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間原位成像研究成為可能。大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)也證明石墨烯量子點(diǎn)生物毒性較小。此外，基于石墨烯量子點(diǎn)的原位熒光檢測(cè)、光動(dòng)力治療以及分子生物學(xué)應(yīng)用也得到了廣泛的研究。石墨烯量子點(diǎn)通過(guò)多態(tài)敏化過(guò)程能夠高效地產(chǎn)生單線(xiàn)態(tài)氧（1O2），其1O2生成效率遠(yuǎn)高于當(dāng)前廣泛使用的各種PDT試劑。石墨烯量子點(diǎn)優(yōu)異的熒光性能，可實(shí)現(xiàn)腫瘤活體成像與高效光動(dòng)力治療的同時(shí)開(kāi)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(diǎn)材料在能源應(yīng)用領(lǐng)域（鋰離子電池、超級(jí)電容器、電催化等）以及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域（光催化降解、快速超濾膜等）具有極高的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)的微米級(jí)石墨烯薄片相比，量子點(diǎn)的小尺寸性質(zhì)使其更容易分散到鋰離子電池和超級(jí)電容器中，起到良好導(dǎo)電效果的同時(shí)有效地保留離子遷移的路徑。氮摻雜的石墨烯量子點(diǎn)已經(jīng)被證明在電催化還原二氧化碳方面表現(xiàn)出類(lèi)似于金屬催化劑的效率和選擇性。在光/電解水領(lǐng)域，石墨烯量子點(diǎn)也展現(xiàn)了優(yōu)異的性能。石墨烯量子點(diǎn)能夠分散傳統(tǒng)的催化劑材料，并完美吸附在催化劑表面，形成協(xié)同效應(yīng)。例如，當(dāng)石墨烯量子點(diǎn)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體光催化劑二氧化鈦復(fù)合后，有助于半導(dǎo)體光催化劑的光生電子空穴對(duì)的分離，同時(shí)，作為具有帶隙的半導(dǎo)體材料，量子點(diǎn)還能夠提供額外的激發(fā)態(tài)電子與空穴，從而實(shí)現(xiàn)光催化能力的進(jìn)一步提升。超濾膜材料方面，通過(guò)碳基量子點(diǎn)的引入，可在保持優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和良好柔韌性的基礎(chǔ)上構(gòu)建可控孔隙結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)離子和小分子篩選和水輸運(yùn)的可能性，這有助于制備超薄、高通量和節(jié)能的超濾膜。

綜上所述，石墨烯量子點(diǎn)可以看作石墨烯材料體系中的明珠，因?yàn)槠錁O限的尺寸和獨(dú)特的性能，石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用前景廣闊。當(dāng)前石墨烯量子點(diǎn)材料發(fā)展存在的最大問(wèn)題是制備困難，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的制備技術(shù)要么產(chǎn)率極低，要么工藝污染嚴(yán)重，要么發(fā)光強(qiáng)度低，需要鼓勵(lì)一些生產(chǎn)效率高、綠色無(wú)污染、尺寸均一的原創(chuàng)制備技術(shù)發(fā)展，并推動(dòng)光致發(fā)光機(jī)制和調(diào)控機(jī)制等方面的基礎(chǔ)研究，從而加速石墨烯量子點(diǎn)材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。