石墨烯量子点（GQDs）是尺寸小于100 nm的石墨烯碎片，其性质源于石墨烯的二维结构，并因尺寸的减小而发生质变。

• sp²杂化碳晶格: GQDs的核心是一个或数个原子层厚的、由sp²杂化碳原子构成的蜂窝状晶格，这赋予了其优异的电学和机械性能。
• 零带隙 (石墨烯): 宏观的、无缺陷的单层石墨烯是一种零带隙半金属。

GQDs的独特性质完全来自于其纳米尺度的量子限域效应和边缘效应。

• 量子限域效应与可调谐光致发光 (PL): 这是GQDs最核心、最重要的特性。当二维的石墨烯被裁剪成准零维的量子点时，载流子的运动在三个维度上都受到限制，从而打开了能带隙。
  • 带隙可调: 其带隙的大小与GQDs的横向尺寸严格相关，尺寸越小，带隙越大，发射光的能量越高（波长越短）。通过精确控制尺寸，可以实现从蓝光到红光区域的颜色可调谐荧光发射。
  • 与碳点的区别: 与结构通常较为无定形的碳量子点（CDs）不同，GQDs的发光机理主要归因于其明确的石墨烯晶格的量子限域效应，因此其光学性质通常更纯净、更可预测。
• 丰富的边缘效应: GQDs具有极高的边长/面积比。这些边缘的原子结构（锯齿型 vs 扶手椅型）和表面连接的化学官能团，对其电子能带结构和发光特性有决定性的影响。
• 优异的光稳定性与生物相容性: 源于石墨烯的化学惰性，GQDs的荧光具有极高的抗光漂白能力。同时，其纯碳的组成使其成为一种理想的无毒、绿色荧光探针。

对于石墨烯量子点，其性能调控的核心手段是在其碳骨架中或边缘官能团上引入杂原子（Heteroatoms），以精细调控其光学和电学性能。

目标: 将非碳元素（如N, S, P, B）共价地掺入GQDs的结构中。

• 氮（N）掺杂: 这是最常用、最有效的掺杂方式。通过使用含氮的前驱体或对GQDs进行后处理，可以将N原子以吡啶N、吡咯N、石墨N等多种形式掺入。N掺杂可以：
  • 提高荧光量子产率: N的引入可以有效地钝化表面缺陷，并引入新的辐射复合中心，从而显著提高发光效率。
  • n型半导体行为: 石墨N的引入可以为sp²碳晶格提供额外的电子，使其表现出n型半导体特性，这对于构建光电器件至关重要。
• 硫（S）、磷（P）、硼（B）掺杂: 掺杂S, P, B等其它杂原子，同样可以有效地调控GQDs的电子能带结构，从而改变其光学特性（如实现红光发射）或引入特定的催化活性位点。

石墨烯量子点作为一种储量丰富、成本低廉、环境友好的“零维石墨烯”，在无金属光/电催化领域展现出巨大的应用潜力。

• 光催化降解/产氢: GQDs具有优异的光吸收能力和电子传输能力。在光照下，它可以作为光敏剂产生电子-空穴对，进而产生活性氧（ROS）以降解有机污染物，或作为电子受体/导体，与其它半导体（如TiO₂）形成异质结，高效地促进光生电荷的分离，从而极大地提高光催化产氢效率。

这是杂原子掺杂的GQDs最重要的催化应用，旨在替代昂贵的铂族金属催化剂。

• 氧还原反应 (ORR): 氮（N）掺杂的石墨烯量子点，是目前性能最优异的无金属ORR电催化剂之一。其石墨烯晶格保证了优异的导电性，而N的引入则在碳原子上诱导出正电荷中心，使其成为高效的ORR活性位点。这使其在燃料电池和金属-空气电池中具有巨大的应用潜力。
• 析氢/析氧反应 (HER/OER): 经N, S, P等杂原子共掺杂的GQDs，在电解水中也表现出优异的HER和OER催化活性。

石墨烯量子点（GQDs）凭借其优异的光学特性、高光稳定性、良好的水溶性和卓越的生物相容性，已成为生物成像和传感领域最有前途的下一代荧光探针。

GQDs是传统半导体量子点（如CdSe）的一种完美的无毒、绿色替代品。

• 细胞与组织成像: GQDs表面丰富的官能团使其易于进行靶向修饰。修饰后的GQDs可以用于对活细胞、组织甚至活体动物进行高对比度、长时程的荧光成像。
• 多色成像: 通过精确控制GQDs的尺寸，可以制备出不同颜色的探针，用于多色成像。
• 双光子与上转换成像: GQDs具有优异的双光子吸收和上转换光致发光（UCPL）特性，可以使用穿透深度更深的近红外光作为激发源，在几乎没有生物组织自发荧光干扰的条件下，获得信噪比极高的深层组织荧光图像。

GQDs是构建高灵敏度荧光传感器的理想平台。

• 原理: GQDs的荧光强度对其周围的化学环境极其敏感。当其表面吸附或结合待测物（如金属离子、pH、小分子、蛋白质）时，会通过电子转移、能量转移等机制，导致其荧光发生猝灭（“关”）或增强（“开”）。
• 应用: 通过监测荧光信号的变化，可以实现对多种重要分析物的高灵敏度、高选择性检测。

石墨烯量子点（GQDs）的多功能性使其成为构建诊疗一体化（Theranostics）平台的理想选择，能够将成像、治疗和药物递送功能集成在同一个纳米颗粒上。

• 光动力学治疗 (PDT): 与富勒烯类似，GQDs也可以作为一种高效的光敏剂。在光照下，它可以将能量传递给氧气，产生具有强细胞毒性的单线态氧（¹O₂），用于选择性地杀死癌细胞。
• 光热治疗 (PTT): 通过调控合成，可以制备出在近红外区具有强吸收的GQDs。这种GQDs可以作为一种高效的光热治疗剂，在近红外光照射下产热烧蚀肿瘤。

GQDs的表面化学和光学特性使其成为一种智能的药物递送载体。

• 药物负载: GQDs巨大的比表面积和表面丰富的官能团，可以通过共价键或非共价作用（如静电吸附、π-π堆积）高效负载化疗药物（特别是具有芳香环的药物，如阿霉素DOX）。
• 成像指导的递送: GQDs本身优异的荧光特性，使其可以在递送药物的同时，实时地追踪药物在体内的运输、分布和富集过程，实现“可视化”的药物递送。

石墨烯量子点（GQDs）最突出的优势之一就是其普遍被认为具有优异的生物相容性和低细胞毒性，是传统含重金属半导体量子点最理想的“绿色”替代品。

• “绿色”的元素组成: GQDs主要由生物体中最丰富的碳、氢、氧、氮等元素组成，从根本上避免了重金属离子（如Cd²⁺, Pb²⁺）泄漏带来的严重细胞毒性问题。
• 良好的水溶性与表面化学: GQDs表面通常富含亲水性基团，使其在生理环境中具有良好的分散性，不易发生团聚。

尽管GQDs总体上是安全的，但其生物安全性仍需根据具体情况进行评估。

• 前驱体与纯化: 如果使用有毒的有机溶剂或前驱体进行合成，最终产物中未反应完全的残留物可能会带来毒性。因此，充分的纯化（如透析、柱层析）是保证其生物安全性的关键。
• 表面电荷: 表面带有大量正电荷的GQDs（如经PEI修饰后）可能会与带负电的细胞膜产生强烈的静电作用，破坏细胞膜完整性，表现出较高的细胞毒性。
• 生物降解与清除: GQDs的尺寸通常小于肾脏的清除阈值（~5.5 nm），因此有望通过尿液被快速排出体外，从而避免长期蓄积。其石墨烯骨架在体内的长期降解行为仍在研究中，可能涉及酶促氧化等过程。

石墨烯量子点的合成方法极其多样、简便、低成本，是其能够被广泛研究和应用的重要原因。

这类方法从大的碳材料（如石墨、氧化石墨烯、碳纤维）出发，通过物理或化学手段将其“裁剪”成纳米尺寸的GQDs。

• 化学氧化/剥离法: 这是最常用、最经典的合成方法。
  1. 首先通过Hummers法等强氧化手段将石墨氧化为氧化石墨烯（GO）。
  2. 然后通过水热、超声或进一步的化学处理，将大的GO片层“裁剪”成纳米尺寸的氧化石墨烯量子点（GOQDs）。
  3. 最后通过还原剂（如水合肼）将其还原，得到GQDs。
• 水热切割法: 将碳纤维、石墨粉等置于强酸或强碱溶液中，在高压反应釜内进行水热处理，可以直接将其切割成GQDs。

这类方法从有机小分子出发，通过化学反应“拼接”成GQDs。

• 分子碳化法: 将一些有机小分子（特别是柠檬酸）通过水热、微波或热解等方法，使其脱水、聚合、碳化，最终形成GQDs。这种方法与制备碳量子点的方法类似，产物的结构（石墨烯晶格 vs 无定形）高度依赖于反应条件的精确控制。

对石墨烯量子点（GQDs）的精确表征是确认其石墨烯结构和理解其发光机理的关键。

• 高分辨透射电子显微镜 (HRTEM): 这是区分GQDs和无定形碳量子点（CDs）的金标准技术。在HRTEM图像中，必须能够清晰地观察到代表石墨烯sp²晶格的、间距约为0.21-0.24 nm的晶格条纹。
• 拉曼光谱 (Raman): 这是鉴定石墨烯结构的另一个关键技术。GQDs的拉曼光谱应包含两个特征峰：位于~1350 cm⁻¹的D峰（代表缺陷和边缘）和位于~1580 cm⁻¹的G峰（代表sp²碳的振动）。D峰与G峰的强度比（Iᴅ/Iɢ）可以反映其缺陷程度。有时还可以观察到代表石墨烯层数的2D峰。
• 原子力显微镜 (AFM): 用于精确测量单片GQDs的厚度，以确认其为单层或少数层结构（单层厚度~1 nm）。

• 荧光光谱: 荧光分光光度计是表征GQDs的核心技术。通过测量其发射/激发光谱、荧光量子产率（PLQY）和荧光寿命，可以全面评价其作为荧光探针的性能。

石墨烯量子点的“表面”（主要是边缘）是其功能的灵魂所在。其表面工程的核心任务是调控其边缘化学态以优化发光，和引入功能性分子以实现特定应用。

这是获得高荧光量子产率GQDs的关键。

• 原理: GQDs边缘的缺陷（如悬挂键）是主要的非辐射复合中心，会导致荧光猝灭。通过化学方法将这些缺陷位点“钝化”掉，可以极大地提高发光效率。
• 策略:
  • 杂原子掺杂: 在合成过程中，通过选择合适的含氮或含硫的前驱体，可以在GQDs形成的同时，实现对其边缘的原位钝化。
  • 后处理钝化: 将合成好的GQDs与具有大量氨基的聚合物（如聚乙烯亚胺, PEI）进行反应，也可以有效地钝化其边缘。

这是将GQDs与生物系统连接，实现靶向递送和传感的关键。

• 原理: 利用GQDs边缘天然存在或通过化学修饰引入的丰富官能团（特别是羧基-COOH和氨基-NH₂），作为“化学手柄”。
• 典型策略:
  • EDC/NHS化学: 这是最经典的生物偶联方法。利用EDC和NHS活化GQDs边缘的羧基，使其能够高效地与抗体、多肽、核酸适配体等生物分子上的氨基形成稳定的酰胺键，从而赋予GQDs主动靶向特定细胞或组织的能力。