石墨烯纳米材料作为一类具有优异的光学、热学、电学和力学性能的新型纳米材料,在电子、能源、催化、传感和生物医学等各个领域得到了广泛的关注和研究。而石墨烯纳米囊复合材料是石墨烯包裹不同材料（例如药物、纳米颗粒、聚合物、氧化物和细胞）形成的结合体。它比单独的石墨烯具有更多的功能和更优异的性能,在微型/纳米电机、生物传感平台、生物成像剂、药物递送系统、潜在的肿瘤治疗替代品、环境修复平台、先进的电池和新型超级电容器等领都得到了广泛应用。石墨烯纳米囊的主要合成方法有:静电自组装法、逐层自组装法、气溶胶法、水热法、乳化法、共价键法、化学气相沉积（CVD）法等。其中CVD方法是最有前景的技术之一,得益于以下几点:（1）可以在中温或高温,常压或真空条件下进行;（2）可以采用等离子和激光辅助技术来促进反应进行;（3）涂层的化学组成可以通过气相组成来调控;（4）可以有效地控制涂层的密度和纯度;（5）可以在结构复杂的基体（有机或无机的、刚性或柔性的、平面或三维的、致密或多孔的）上沉积等。然而,合成石墨烯层薄、材料纯度高、尺寸可控其功能丰富的金属石墨烯纳米囊挑战巨大,利用CVD技术的优越性能够在一定程度上解决这一挑战。在本论文中,我们利用CVD法合成了一系列多功能的金属石墨烯纳米囊,实现了多相检测、界面催化、肿瘤的诊疗和快速拉曼成像等应用。具体研究内容如下:（1）基于金属石墨烯纳米囊的功能可设计性,我们通过调控前驱体金属盐的量、反应温度和碳原子沉积时间等,利用CVD法制备了六种尺寸均一且不同功能的金属石墨烯纳米囊材料,包括金石墨烯纳米囊（Au@G）、N掺杂的金石墨烯纳米囊（Au@NG）、钴铂石墨烯纳米囊（CoPt@G）、钴钌石墨烯纳米囊（Co Ru@G）、钴铑石墨烯纳米囊（Co Rh@G）、钴铱石墨烯纳米囊（Co Ir@G）。金属内核组成不同的金属石墨烯纳米囊具有不同的性质,其中Au@G和Au@NG具有良好的表面增强拉曼散射性能,其余四种金属石墨烯纳米囊具有优异的催化活性,结合石墨烯外壳独特的理化性质,实现了不同的功能应用。基于金属石墨烯纳米囊的石墨烯外壳不亲水不亲油的特性,能够实现同时的两相表面增强拉曼分析和界面催化应用;基于石墨烯外壳大的比表面积和易于功能化的特点,进而修饰上聚氧乙烯十八烷基醚获得了具有良好水溶性的金属石墨纳米囊,能够实现细胞和活体的快速拉曼成像分析和实体瘤的诊疗应用。本章节内容旨在报道一种高效且通用多功能金属石墨纳米囊的合成方法,后续章节将详细介绍它们在生物医学中的应用。（2）Au@G具有在互不相容的两相界面处自组装和富集分析物的能力,我们将其应用到了两相中分析物的同时拉曼检测。由于石墨烯不亲水不亲油的性质,在没有添加表面活性剂的情况下,Au@G能够两相界面自组装成一层致密的薄膜,从而产生密集的等离子体热点,提高拉曼增强系数。同时,Au@G的石墨烯外壳可以通过π-π和p-p相互作用来从两相中同时富集分析物。Au@G中石墨烯的拉曼特征峰还可以作为内标来提高拉曼定量分析的准确度。我们用Au@G进行了两相中结晶紫和9,10-双（苯基乙炔基）蒽两种待测物的同时检测和定量分析,并扩展到了牛血清和小鼠血液模型,都取得了良好的效果。结果表明Au@G在液-液界面上具有同时检测多种待测物的能力,这有望应用于更多的临床检测。（3）我们进一步扩展了石墨烯纳米囊的种类,利用氨基酸替代甲烷作为碳源,得到了N掺杂金石墨烯纳米囊（Au@NG）,实现了细胞内的快速拉曼成像分析。首先,通过对含氮碳源和前驱体金属的筛选以及合成条件的优化,获得了N掺杂的Au@NG,其在细胞拉曼静默区(1800 cm-1～2800 cm-1)具有非常强的拉曼信号。通过表征证明了Au@NG的石墨烯外壳中C≡N键的形成,并对C≡N键的形成机理进行了初步探讨。其次,基于Au@NG优异的表面增强拉曼分析性能,实现了结晶紫的定量分析,并利用位于静默区的拉曼特征峰作为无干扰内标,提高了拉曼定量分析的准确性。最后,我们利用Au@NG实现了细胞和秀丽线虫的快速拉曼成像,有望改善拉曼成像速度慢的局限性。（4）最后,我们利用CoPt@G构建了磁场和H2O2双驱动的纳米马达以增强肿瘤靶向和渗透,进而利用其优异的光热性能,实现了实体瘤的高效消融。CoPt@G石墨烯外壳可以有效地保护CoPt核的稳定性,防止其在体内分解产生Co2+和Pt2+,进而避免引起细胞毒性。此外,石墨烯外壳还是一种优异的光热材料,并且可以作为拉曼标签。而CoPt@G的内核则具有磁性、催化和光热的能力,可以用于核磁和光热成像。我们通过磁场导航来促进肿瘤靶向,到达肿瘤组织后CoPt@G催化H2O2产生O2获得驱动力,从而增强CoPt@G在肿瘤内的扩散。在小鼠肿瘤治疗过程中,有磁场靶向和H2O2驱动下,肿瘤中CoPt@G的量是没有驱动力的3倍。在细胞实验中,有驱动力的条件下CoPt@G进入细胞的量是没驱动力时的6.9倍。治疗时,双驱动条件下,小鼠的肿瘤生长得到了很好的抑制。CoPt@G为推进癌症诊断和治疗提供了新的启发和机会。