氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）是石墨经强氧化处理后得到的产物，其性质与原始石墨烯截然不同，主要由其丰富的含氧官能团决定。

• 丰富的含氧官能团: 这是GO最核心、最重要的特性。其二维碳骨架的平面上和边缘处共价连接着大量的羟基（-OH）、环氧基（-C-O-C-）和羧基（-COOH）。这些官能团破坏了石墨烯的sp²共轭体系，使其从导体转变为绝缘体。
• 优异的水溶性/分散性: 这些亲水性的含氧官能团使得GO能够在水中形成稳定的、单层分散的胶体溶液，通常呈现棕黄色。这一特性极大地克服了原始石墨烯难以处理和加工的难题，使GO成为实现石墨烯溶液法制备和应用的关键中间体。
• 两亲性: GO的结构包含疏水的sp²碳区域和亲水的含氧官能团区域，使其表现出类似表面活性剂的两亲性，能够在油水界面稳定乳液。
• 可还原性: GO表面的含氧官能团可以通过化学方法（如用肼、维生素C还原）或物理方法（如热处理、光照）被去除，使其sp²共轭结构得到部分或全部恢复，从而转变为导电的还原氧化石墨烯（rGO）。
• 荧光特性: 与不发光的石墨烯不同，GO由于其复杂的sp²/sp³混合电子结构，通常在可见光区（特别是红光区域）表现出宽谱的光致发光（荧光）。

氧化石墨烯是石墨烯家族中化学反应活性最高、最易于功能化的材料。其表面丰富的含氧官能团是进行各种化学修饰的理想平台。

目标: 利用GO表面的含氧官能团作为“化学手柄”，共价连接上各种功能性分子。

• 基于羧基的反应: GO边缘的羧基（-COOH）是最重要的反应位点。
  • 酰胺化/酯化: 通过经典的EDC/NHS化学，可以活化羧基，使其与胺类（R-NH₂）或醇类（R-OH）分子反应，形成稳定的酰胺键或酯键。这是将蛋白质、DNA、药物、聚合物等各种功能分子连接到GO表面的最常用方法。
• 基于环氧基/羟基的反应: GO平面上的环氧基和羟基可以与胺类、异氰酸酯等分子发生亲核开环或取代反应。

目标: 利用GO的π共轭区域和静电相互作用，物理吸附功能性分子。

• π-π堆积: GO表面残留的sp²区域可以与具有大π共轭体系的芳香族分子（如芘的衍生物、一些药物分子）发生强烈的π-π堆积作用。
• 静电吸附: 在中性或碱性pH下，GO表面的羧基去质子化，使其带负电，可以通过静电作用吸附带正电的分子或聚合物（如PEI）。

氧化石墨烯（GO）本身催化活性有限，但由于其巨大的比表面积和丰富的官能团，是构建高性能催化剂的理想载体和前驱体。

将金属或金属氧化物纳米颗粒负载于GO表面，可以构建出兼具高活性和高稳定性的复合催化剂。

• 超高的比表面积: GO的单层结构使其具有极高的理论比表面积（2630 m²/g），为催化活性组分（如Pt, Pd, Au, Fe₃O₄等）的高度分散提供了完美的平台，可以有效防止其团聚。
• 优异的锚定效应: GO表面的含氧官能团可以作为强力的“锚定位点”，通过配位或静电作用，牢固地固定金属纳米颗粒，防止其在反应过程中发生迁移和脱落。

GO是制备杂原子掺杂石墨烯催化剂的最重要前驱体。

• 原理: 将GO与含氮（如尿素、三聚氰胺）或含硫（如硫脲）的前驱体混合，然后进行高温热处理。在高温下，GO被还原为导电的rGO，同时杂原子也被共价地掺杂进石墨烯晶格中。
• 应用: 这样制备的氮掺杂还原氧化石墨烯（N-rGO）是性能优异的无金属电催化剂，在氧还原反应（ORR）中表现出接近于商业铂碳催化剂的性能。

氧化石墨烯（GO）凭借其独特的荧光猝灭能力、巨大的比表面积和易于功能化的特点，在生物传感领域是一种极具潜力的多功能平台。

这是GO在生物传感中最核心、最广泛的应用。

• 原理: GO的二维sp²共轭体系使其成为一种极其高效的宽谱荧光猝灭剂。它可以通过荧光共振能量转移（FRET）或光诱导电子转移（PET）机制，高效地猝灭附近几乎所有荧光染料或量子点的荧光。
• “关-开”式传感器:
  1. 将一个荧光标记的DNA单链探针（ssDNA）通过π-π堆积作用物理吸附到GO的表面。此时，荧光染料与GO距离很近，其荧光被高效地猝灭（“关”状态）。
  2. 当样品中存在互补的目标DNA序列时，它会与探针DNA杂交形成更稳定的双链DNA（dsDNA）。dsDNA刚性更大，与GO的亲和力更弱，会从GO表面脱离。
  3. 荧光染料远离GO表面，其荧光得以恢复（“开”状态）。通过检测荧光信号的恢复，即可实现对目标DNA序列的高灵敏度检测。该策略也可用于检测蛋白质、金属离子等。

氧化石墨烯（GO）因其无与伦比的载药能力、优异的生物相容性和独特的近红外光学特性，在药物递送和肿瘤治疗领域是研究最深入、最有前途的纳米载体之一。

GO的二维平面结构和表面化学使其成为一种理想的药物递送平台。

• 超高载药量: GO的两个表面都可用于负载药物，其理论载药量（>200% wt/wt）远高于其它所有纳米载体。它特别适合于通过π-π堆积作用，高效负载具有芳香环结构的化疗药物（如阿霉素DOX）。
• pH响应释放: 负载在GO表面的药物，在肿瘤组织的酸性微环境下，其结合力会减弱（如π-π作用减弱，或GO的质子化），从而实现药物的靶向释放。
• 基因递送: 将GO表面修饰上正电荷聚合物（如PEI），可以使其通过静电作用高效地压缩和包裹带负电的DNA或siRNA，保护它们不被降解，并将其有效地递送到细胞内部。

经过PEG化修饰和部分还原的GO（rGO）在近红外（NIR）光区具有强烈的吸收。

• 原理: 当近红外激光照射时，富集在肿瘤部位的GO/rGO吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: GO作为光热剂具有成本低、生物相容性好、载药能力强的优点，是构建光热-化疗协同治疗平台的理想选择。

氧化石墨烯（GO）的生物安全性是一个极其复杂且至今仍存在争议的课题，其毒性高度依赖于其层数、横向尺寸、表面化学、纯度和剂量。

• 物理损伤: 大尺寸、边缘锋利的GO片可能会像“纳米刀片”一样，通过物理切割的方式破坏细胞膜的完整性。
• 氧化应激: 这是GO最主要的细胞毒性机制。进入细胞后，GO可以与细胞内的重要生物分子（如谷胱甘肽）相互作用，破坏细胞的氧化还原稳态，并诱导产生大量的活性氧（ROS），引发剧烈的氧化应激，导致线粒体损伤和细胞凋亡。

• 生物降解性: 与化学性质极其稳定的原始石墨烯不同，GO由于其表面含有大量含氧官能团和缺陷，被认为具有一定的可生物降解性。研究发现，在髓过氧化物酶（MPO）等生物酶的作用下，GO可以被缓慢地氧化降解。
• 清除: 尺寸较小、经过PEG化修饰的GO纳米片可以被机体有效清除（主要通过肝胆系统）。

氧化石墨烯的合成是所有石墨烯化学的基础，其核心是通过强氧化剂处理石墨，以实现其在液相中的剥离。

这是目前实现氧化石墨烯大规模、低成本生产的唯一途径。

• Hummers法及其改进方法: 这是最经典、最主流的合成方法。
  1. 反应体系: 将天然的石墨粉分散在强酸（通常是浓硫酸 H₂SO₄）中。
  2. 氧化过程: 在冰浴下，缓慢地加入强氧化剂（通常是高锰酸钾 KMnO₄），并加入硝酸钠（NaNO₃，在改进法中被舍弃）。然后，将混合物在一定温度下（如35-50 °C）剧烈搅拌数小时。在这个过程中，石墨的片层被氧化，边缘和平面上被接上大量的含氧官能团。
  3. 终止与清洗: 反应结束后，加入过量的水和过氧化氢（H₂O₂）来终止反应并去除过量的高锰酸钾。
  4. 纯化: 通过反复的离心、洗涤（用HCl和去离子水）来去除残留的金属离子和酸，最终得到纯净的氧化石墨（Graphite Oxide）。
  5. 剥离: 将氧化石墨分散在水中，通过简单的超声处理，即可轻松地将其剥离成单层或少数层的氧化石墨烯（GO）片层，形成稳定的水性分散液。

对氧化石墨烯（GO）的精确表征是确认其剥离程度、氧化程度和化学结构的关键。

• X射线光电子能谱 (XPS): 这是表征GO化学结构的最核心、最关键的技术。通过分析C 1s的高分辨谱，可以精确地区分和定量其表面的sp²碳（C=C/C-C）、羟基/环氧基（C-O）和羧基（C=O）的相对含量。通过C/O原子比，可以评估其氧化程度。
• X射线衍射 (XRD): 这是判断石墨是否被成功氧化和剥离的关键证据。天然石墨在2θ ≈ 26.5°处有一个尖锐的（002）衍射峰。成功氧化后，由于含氧官能团的插入导致层间距增大，该峰会消失，并在2θ ≈ 10°处出现一个新的、更宽的衍射峰。
• 傅里叶变换红外光谱 (FTIR): 用于定性地鉴定GO表面存在的各种含氧官能团的振动峰，如O-H（宽峰, ~3400 cm⁻¹）、C=O（~1730 cm⁻¹）、C=C（~1620 cm⁻¹）和C-O（~1050 cm⁻¹）。

• 原子力显微镜 (AFM): 用于精确测量GO的厚度，以确认其为单层（厚度~1 nm）或少数层结构，并可观察其横向尺寸和表面形貌。
• 透射电子显微镜 (TEM): 用于直接观察GO的二维片状形貌、横向尺寸和褶皱结构。

氧化石墨烯本身就是石墨烯表面工程的产物，其进一步的表面工程是其实现所有高级应用（特别是生物医学和复合材料）的前提，其核心是利用其丰富的含氧官能团进行二次功能化。

目标: 在GO的表面共价连接上稳定的功能性分子。

• EDC/NHS化学: 这是最经典的生物偶联方法。利用EDC和NHS活化GO边缘的羧基，使其能够高效地与抗体、多肽、药物、聚合物等分子上的氨基形成稳定的酰胺键，从而赋予GO主动靶向、智能响应或其它特定功能。

目标: 去除GO表面的含氧官能团，恢复其sp²共轭结构和导电性，得到还原氧化石墨烯（rGO）。

• 化学还原: 使用强还原剂（如水合肼 N₂H₄·H₂O）或温和的“绿色”还原剂（如L-抗坏血酸/维生素C）进行处理。
• 热还原: 在高温（通常>800 °C）、惰性或还原性气氛中进行热退火。
• 光还原: 使用高强度的光（如激光、氙灯）照射，利用光热效应实现局部还原。

通过先对GO进行功能化，然后再进行还原，可以制备出既具有良好分散性/功能性，又具有优异导电性的功能化rGO材料。