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石墨烯是一种只有单原子层厚度的二维碳材料,它的发现也完善了碳材料的完整性,形成了从零维富勒烯、一维纳米管、二维石墨烯到三维金刚石和石墨的完整体系。石墨烯展现出优异的导电性、机械强度、延展性以及轻薄的特点,未来在快速充电燃料电池、超级电容器、可折叠太阳能电池以及生物医学等领域得到应用。可以说,石墨烯材料的出现有望改变人们现有的生活水平,科学家也预测未来十到二十年内将是石墨烯材料颠覆硅材料的时代。作为石墨烯家族中的一员,石墨烯量子点(GQDs)不仅保持了石墨烯材料原有的优异特性,还因其具有量子限域效应和边界效应而展现出一些新的特性,因此吸引了各领域很多科学家的广泛关注。GQDs的发光特性是目前研究的重点,因为其具有优异的生物相容性、较低的生物毒性、良好的化学惰性以及热传导等特性,使得其在细胞成像、光线治疗、药物控释、基因传递和生物传感等生物医学领域的应用获得了广泛的关注。在荧光传感器方面,石墨烯可以作为荧光分子高效的荧光猝灭剂,而GQDs自身作为一种荧光材料,其荧光信号也可以通过聚集与解聚集实现调控。基于对以上两种物质的结构与特性分析,我们希望设计一系列能够快速灵敏检测的荧光探针。本论文前言部分,我们首先简单介绍了石墨烯材料的制备、性质及功能化方法,然后重点围绕其在荧光传感器领域的进展做了汇报。受这些研究工作的启发,我们从以下四个方面设计了一系列新型荧光探针:1.糖蛋白是生物体中非常重要的一种蛋白质,对细胞或者生物分子的识别有着非常重要的意义,因此对糖蛋白的研究也变得很有意义。本章节中,我们希望借助糖识别作用力实现对糖蛋白的生物检测。刀豆蛋白A(Con A)是一种多聚体蛋白,可以跟多个糖基发生特异性识别,因此我们利用葡萄糖与Con A之间的特异性结合设计了一种基于功能化石墨烯的荧光传感体系并且实现对Con A的定量分析。氨基葡萄糖通过酰胺键分别共价修饰到氧化石墨烯(GO-G)和CdTe量子点(QDs-G)表面,Con A首先与GO-G上的葡萄糖特ii异性结合形成go-g/cona复合物。复合物上过量的自由结合位点可以继续捕获qds-g上的葡萄糖,从而形成一种夹心结构拉近了qds-g和go-g之间的距离,使go-g与qds-g之间发生荧光共振能量转移,导致qds-g的荧光猝灭。通过荧光强度的变化,我们实现对cona的灵敏检测。2.药物分析是生物分析中最重要的一部分,药物分子含量的准确测定对治疗疾病和避免不良反应显得尤为重要。有机荧光分子通常可以跟大环主体分子之间通过主客体识别形成复合物,一些药物分子可以竞争主客体作用使得体系荧光改变,进而实现对药物分子的检测。我们利用罗丹明6g(r6g)和金刚烷胺与β-环糊精(β-cd)之间的主客体竞争作用设计了一种检测药物中金刚烷胺含量的荧光探针体系。β-cd功能化的氧化石墨烯能够通过主客体作用与r6g结合,go作为荧光分子高效的淬灭剂可以明显猝灭r6g的荧光强度。由于β-cd与金刚烷胺的识别作用力要明显强于其与r6g的结合力,因此金刚烷加入后会竞争进入β-cd的疏水空腔,导致r6g从修饰在石墨烯上的β-cd中游离出来,进而荧光得以恢复。通过检测这一探针体系的荧光强度变化达到高选择性检测金刚烷胺的目的。3.石墨烯量子点(gqds)具有优异的生物相容性和稳定的荧光特性,因此是一种理想的设计生物荧光探针体系的材料。我们制备了一种尺寸大约40nm左右的gqds,该gqds在480nm处激发时,发射波长为540nm且强度最强,很有可能用于生物体内的荧光检测。本章节中,我们用这种长波激发的gqds作为荧光探针设计了一种新型荧光方法用于酪氨酸和半胱氨酸的检测。酪氨酸可以在酪氨酸酶的催化作用下被氧化成多巴醌结构,这种分子可以与gqds结合进而通过电子转移造成量子点荧光猝灭,而且在一定范围内荧光猝灭程度与酪氨酸的量成正比。相反,半胱氨酸继续加入到体系中,它可以作为酪氨酸酶的抑制剂并且能够还原多巴醌产物得到多酚前驱体,因此半胱氨酸的加入可以使体系的荧光强度得以恢复。通过gqds的荧光强度的“off”和“on”可以实现分别对酪氨酸和半胱氨酸的定量检测。4.荧光传感体系的灵敏度和检出限跟传感体系的识别作用强弱相关,我们希望发展一种快速、高效的生物探针。我们设计合成了一种水溶性的含有128个胍基的树状分子(PAMAM-Gu+),多电荷的PAMAM-Gu+和石墨烯量子点的多重静电相互作用可以提高荧光转换效率。在少量PAMAM-Gu+的存在下,GQDs就可以通过与其的静电相互作用产生聚集并导致荧光猝灭。当负电性极强的粘多糖如肝素(Hep)或硫酸软骨素(CS)加入到体系中后,多正电荷的PAMAM-Gu+会优先选择与强负电荷的Hep和CS静电作用,释放出GQDs使传感体系的荧光强度恢复。而且由于Hep的负电荷多于CS的电荷,因此Hep的荧光恢复效率比CS的程度要大。多正电性的PAMAM-Gu+与强负电荷的多糖之间强的静电结合使该方法具有更好的选择性和更高的灵敏度,而且,该方法即便对商业医用Hep或CS溶液的测定也依然得到了非常满意的结果。