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光電器件是在微電子技術基礎上發展起來的一種實現光與電之間相互轉換的器件，其**是各種光電材料，即能夠實現光電信息的接收、傳輸、轉換、監測、存儲、調制、處理和顯示等功能的材料。光電傳感器件指的是能夠對某種特征量進行感知或探測的光電器件，狹義上*指可將特征光信號轉換為電信號進行探測的器件，廣義而言，任何可將被測對象的特征轉換為相應光信號的變化、并將光信號轉換為電信號進行檢測、探測的器件都可稱之為光電傳感器。石墨、碳纖維、碳納米管和GO可以作為熒光受體。附近氧化石墨生產企業在氧化石墨烯的納米孔道中，分布著氧化區域和納米sp2雜化碳區域，水分子在通過氧化區域時能夠與含氧官能團形成氫鍵，從而增加了水流動...

（1）將GO作為熒光共振能量轉移的受體，構建熒光共振能量轉移型氧化石墨烯生物傳感器，用于檢測各種生物分子。（2）可以將一些抗體鍵合在GO表面，構建成抗體型氧化石墨烯傳感器，通常是將GO作為熒光共振能量轉移或化學發光共振能量轉移的受體，以此來檢測抗原物質；或者利用GO比表面積較大能結合更多抗體的特點，將檢測信號進行進一步放大。（3）構建多肽型氧化石墨烯傳感器。因為GO是一種邊緣含有親水基團（-COOH，-OH及其他含氧基團）而基底具有高疏水性的兩性物質，當多肽與GO孵育時，多肽的芳環和其他疏水性殘基與GO的疏水性基底堆積，同時二者部分殘基之間也會存在靜電作用，這樣多肽組裝在GO上形成了多肽型氧化...

Su等人28利用氫碘酸和抗壞血酸對PET基底上的多層氧化石墨烯薄膜進行化學還原，得到30nm厚的RGO薄膜，并測試了其滲透性能。實驗發現，對He原子和水分子完全不能透過。而厚度超過100nm的RGO薄膜對幾乎所有氣體、液體和腐蝕性化學試劑（如HF）是高度不可滲透的。特殊的阻隔性能歸因于石墨烯層壓板的高度石墨化和在還原過程中幾乎沒有結構損壞。與此結果相反，Liu等人29已經證明了通過HI蒸氣和水輔助分層制備**式超薄rGO膜的簡便且可重復的方法，利用rGO膜的毛細管力和疏水性，通過水實現**終的分層。采用真空抽濾在微孔濾膜基底上制備厚度低至20nm的**式rGO薄膜。氧化石墨片層的邊緣包括羰基或...

目前醫學界面臨的一個棘手的難題是對大面積骨組織缺損的修復。其中，干細胞***可能是一種很有前途的解決方案，但是在干細胞的移植過程中，需要可促進和增強細胞成活、附著、遷移和分化并有著良好生物相容性的支架材料。研究已表明氧化石墨烯（GO）具有良好的生物相容性及較低的細胞毒性，可促進成纖維細胞、成骨細胞和間充質干細胞（mesenchymalstemcells，MSC）的增殖和分化[82]，同時GO還可以促進多種干細胞的附著和生長，增強其成骨分化的能力[83-84]。因此受到骨組織再生領域及相關領域研究人員的關注，成為組織工程研究中一種很有潛力的支架材料。GO不僅可以單獨作為干細胞的載體材料，還可以加...

在光通信領域，徐等人開發了飛秒氧化石墨烯鎖模摻鉺光纖激光器，與基于石墨烯的可飽和吸收體相比，具有性能有所提升，并且具有易于制造的優點[95]，這是GO/RGO在與光纖結合應用**早的報道之一。在傳感領域，Sridevi等提出了一種基于腐蝕布拉格光柵光纖（FBG）外加GO涂層的高靈敏、高精度生化傳感器，該方法在檢測刀豆球蛋白A中進行了試驗[96]。為了探索光纖技術和GO特性結合的優點，文獻[97]介紹了不同的GO涂層在光纖樣品上應用的特點，還分析了在傾斜布拉格光柵光纖FBG（TFBG）表面增加GO涂層對折射率（RI）變化的影響，論證了這種構型對新傳感器的發展的適用性。圖9.14給出了歸一化的折射...

氧化石墨烯經還原處理后，對于提高其導電性、比表面等大有裨益，使得石墨烯可以應用于對于導電性、導熱性等要求更高的應用中。在還原過程，含氧官能團的去除和控制過程本身也可成為石墨烯改性的一種方式，根據還原方式的不同得到的石墨烯也具有不同的特性和應用場景。例如，通過熱還原方式得到的還原氧化石墨烯結構、形貌、組分可通過還原條件進行適當的調控。Dou等1人介紹了在氬氣流下在1100-2000°C的溫度范圍內進行熱處理得到的石墨烯結構和吸附性能的研究。所得到石墨烯粉體材料的表面積增加至超過起始前驅體材料四倍，對氧化石墨烯進行熱還原處理提高了氧化石墨烯的熱學性能，賦予了氧化石墨烯材料熱管理方面的應用。靜電作用...

由于較低的毒性和良好的生物相容性，石墨烯材料在細胞成像方面**了一股研究熱潮。石墨烯及其衍生物本身具有特殊的平面結構和光學性質，或者經過熒光染料分子標記之后，可用于體外細胞與***光學成像[63-66]，使其在**顯像和***方面具有很大的應用前景。Dai課題組[67]***利用納米尺寸的聚乙二醇功能化氧化石墨烯(GO-PEG)的近紅外發光性質用于細胞成像。他們將抗體利妥昔單抗（anti-CD20）與納米GO-PEG共價結合形成納米GO-PEG-anti-CD20，然后將納米GO-PEG和納米GO-PEG-anti-CD20與B細胞或T細胞在培養液中4℃培養1h，培養液中納米GO-PEG的濃度...

氧化石墨烯/還原氧化石墨烯在光電傳感領域的應用，其基本依據是本章前面部分所涉及到的各種光學性質。氧化石墨烯因含氧官能團的存在具備了豐富的光學特性，在還原為還原氧化石墨烯的過程中，不同的還原程度又具備了不同的性質，從結構方面而言，是其SP2碳域與SP3碳域相互分割、相互影響、相互轉化帶來了如此豐富的特性。也正是這些官能團的存在，使得氧化石墨烯可以方便的采用各種基于溶液的方法適應多種場合的需要，克服了CVD和機械剝離石墨烯在轉移和大面積應用時存在的缺點，也正是這些官能團的存在，使其便于實現功能化修飾，為其在不同場景的應用提供了一個廣闊的平臺。氧化石墨是由牛津大學的化學家本杰明·C·布羅迪在1859...

GO作為新型的二維結構的納米材料，具有疏水性中間片層與親水性邊緣結構，特殊的結構決定其優異的***特性。GO的***活性主要有以下幾種機制：（1）機械破壞，包括物理穿刺或者切割；（2）氧化應激引發的細菌/膜物質破壞；（3）包覆導致的跨膜運輸阻滯和（或）細菌生長阻遏；（4）磷脂分子抽提理論。GO作用于細菌膜表面的殺菌機制中，主要是GO與起始分子反應（MolecularInitiatingEvents，MIEs）[51]的作用（圖7.3），包括GO表面活性引發的磷脂過氧化，GO片層結構對細菌膜的嵌入、包裹以及磷脂分子的提取，GO表面催化引發的活性自由基等。另外，GO的尺寸在上述不同的***機制中對...

氧化石墨烯（GO）在很寬的光譜范圍內具有光致發光性質，同時也是高效的熒光淬滅劑。氧化石墨烯（GO）具有特殊的光學性質和多樣化的可修飾性，為石墨烯在光學、光電子學領域的應用提供了一個功能可調控的強大平臺[6]，其在光電領域的應用日趨***。氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（RGO）應用于光電傳感，主要是作為電子給體或者電子受體材料。作為電子給體材料時，利用的是其在光的吸收、轉換、發射等光學方面的特殊性質，作為電子受體材料時，利用的是其優異的載流子遷移率等電學性質。本書前面的內容中對氧化石墨烯（GO）、還原氧化石墨烯（RGO）的電學性質已經有了比較詳細的論述，本章在介紹其在光電領域的應用之前，首...

由于GO表面具有較高的親和力，蛋白質可以吸附在GO表面，因此在生物液體中可以通過蛋白質來調節GO與細胞膜的相互作用。如，血液中存在著大量的血清蛋白，可能會潛在的影響GO的毒性。Ge與其合作者[16]利用電子顯微鏡技術就觀察到牛血清蛋白可以降低GO對細胞膜的滲透性，抑制了GO對細胞膜的破壞，同時降低了GO的細胞毒性。基于分子動力學研究分析，他們推斷可能是由于GO-蛋白質之間的作用削弱了GO-磷脂之間的相互作用。與此同時，GO對人血清蛋白的影響也被其他科研工作者所發現，特別是他們觀察到了GO可以抑制人血清蛋白與膽紅素之間的作用。因此，GO與血清蛋白之間是相互影響的。GO表面的各種官能團使其可與生物...

氧化石墨烯表面的-OH和-COOH等官能團含有孤對電子，可作為配位體與具有空的價電子軌道的金屬離子發生絡合反應，生成不溶于水的絡合物，從而有效去除溶液中的金屬離子。Madadrang等45制得乙二胺四乙酸/氧化石墨烯復合材料（EDTA-GO），通過研究發現其對金屬離子的吸附機制主要為絡合反應，即氧化石墨烯的表面官能團與水中的金屬離子反應形成復雜的絡合物，具體過程如圖8.7所示，由于形成的絡合物不溶于水，可通過沉淀等作用分離去除水中的金屬離子。GO的生物毒性除了有濃度依賴性，還會因GO原料的不同而呈現出毒性數據的多樣性。北京附近哪里有氧化石墨使得*在單層中排列的水蒸氣可以滲透通過納米通道。通過在...

氧化石墨烯（GO）在很寬的光譜范圍內具有光致發光性質，同時也是高效的熒光淬滅劑。氧化石墨烯（GO）具有特殊的光學性質和多樣化的可修飾性，為石墨烯在光學、光電子學領域的應用提供了一個功能可調控的強大平臺[6]，其在光電領域的應用日趨***。氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（RGO）應用于光電傳感，主要是作為電子給體或者電子受體材料。作為電子給體材料時，利用的是其在光的吸收、轉換、發射等光學方面的特殊性質，作為電子受體材料時，利用的是其優異的載流子遷移率等電學性質。本書前面的內容中對氧化石墨烯（GO）、還原氧化石墨烯（RGO）的電學性質已經有了比較詳細的論述，本章在介紹其在光電領域的應用之前，首...

光學材料的某些非線性性質是實現高性能集成光子器件的關鍵。光子芯片的許多重要功能，如全光開關，信號再生，超快通信都離不開它。找尋一種具有超高三階非線性，并且易于加工各種功能性微納結構的材料是眾多的光學科研工作者的夢想，也是成功研制超高性能全光芯片的必由之路。超快泵浦探針光譜表明，重度功能化的具有較大SP3區域的GO材料在高激發強度下可以出現飽和吸收、雙光子吸收和多光子吸收[6][50][51][52]，這種效應歸因于在SP3結構域的光子中存在較大的帶隙。相反，在具有較小帶隙的SP2域中的*出現單光子吸收。石墨烯在飛秒脈沖激發下具有飽和吸收[52]，而氧化石墨烯在低能量下為飽和吸收，高能量下則具有...

光學材料的某些非線性性質是實現高性能集成光子器件的關鍵。光子芯片的許多重要功能，如全光開關，信號再生，超快通信都離不開它。找尋一種具有超高三階非線性，并且易于加工各種功能性微納結構的材料是眾多的光學科研工作者的夢想，也是成功研制超高性能全光芯片的必由之路。超快泵浦探針光譜表明，重度功能化的具有較大SP3區域的GO材料在高激發強度下可以出現飽和吸收、雙光子吸收和多光子吸收[6][50][51][52]，這種效應歸因于在SP3結構域的光子中存在較大的帶隙。相反，在具有較小帶隙的SP2域中的*出現單光子吸收。石墨烯在飛秒脈沖激發下具有飽和吸收[52]，而氧化石墨烯在低能量下為飽和吸收，高能量下則具有...

與石墨烯量子點類似，氧化石墨烯量子點也具備一些特殊的性質。當GO片徑達到若干納米量級的時候將會出現明顯的限域效應，其光學性質會隨著片徑尺寸大小發生變化[48]，當超過某上限后氧化石墨烯量子點的性質相當接近氧化石墨烯，這就提供了一種通過控制片徑尺寸分布改變氧化石墨烯量子點光響應的手段。與GO類似，這種pH依賴來源于自由型zigzag邊緣的質子化或者去質子化。同樣，這也可以解釋以GO為前驅體通過超聲-水熱法得到的石墨烯量子點的光發射性能，在藍光區域其光發射性能取決于zigzag邊緣狀態，而綠色的熒光發射則來自于能級陷阱的無序狀態。通過控制氧化石墨烯量子點的氧化程度，可以控制其發光的波長。這一類量子...

盡管氧化石墨烯自身可以發射熒光，但有趣的是它也可以淬滅熒光。這兩種看似相互矛盾的性質集于一身，正是由于氧化石墨烯化學成分的多樣性、原子和電子層面的復雜結構造成的。眾所周知，石墨形態的碳材料可以淬滅處于其表面的染料分子的熒光，同樣的，在GO和RGO中存在的SP2區域可以淬滅臨近一些物質的的熒光，如染料分子、共軛聚合物、量子點等，而GO的熒光淬滅效率在還原后還有進一步的提升。有很多文章定量分析了GO和RGO的熒光淬滅效率，研究表明，熒光淬滅特性來自于GO、RGO與輻射發生體之間的熒光共振能量轉移或者非輻射偶極-偶極耦合。雖然GO具有諸多特性，但是由于范德華作用力，使GO之間很容易在不同體系中發生團...

（1）將GO作為熒光共振能量轉移的受體，構建熒光共振能量轉移型氧化石墨烯生物傳感器，用于檢測各種生物分子。（2）可以將一些抗體鍵合在GO表面，構建成抗體型氧化石墨烯傳感器，通常是將GO作為熒光共振能量轉移或化學發光共振能量轉移的受體，以此來檢測抗原物質；或者利用GO比表面積較大能結合更多抗體的特點，將檢測信號進行進一步放大。（3）構建多肽型氧化石墨烯傳感器。因為GO是一種邊緣含有親水基團（-COOH，-OH及其他含氧基團）而基底具有高疏水性的兩性物質，當多肽與GO孵育時，多肽的芳環和其他疏水性殘基與GO的疏水性基底堆積，同時二者部分殘基之間也會存在靜電作用，這樣多肽組裝在GO上形成了多肽型氧化...

氧化石墨烯因獨特的結構和性質受到了人們的***關注，其生物相容性的研究已經積累了一定的研究基礎，但氧化石墨烯在實際應用中仍然面臨很多困難和挑戰。首先，氧化石墨烯制備方法的多樣性和生物系統的復雜性，會***影響其在體內外的生物相容性，導致研究結果的不一致，因此氧化石墨烯的生物相容性問題不能簡單歸納得出結論，需要綜合多方面的因素進行深入研究。其次，氧化石墨烯的***活性又取決于時間和本身的濃度，其***機理需要進一步的研究。***，氧化石墨烯對機體的長期毒性以及氧化石墨烯進入細胞的機制、與細胞之間相互作用的機理、細胞／體內代謝途徑等尚不清晰。這些問題關乎氧化石墨烯在生物醫學領域應用中的安全問題和環...

TO具有光致親水特性，可保證高的水流速率，在沒有外部流體靜壓的情況下，與GO/TO情況相比，通過RGO/TO雜化膜的離子滲透率可降低至0.5%，而使用同位素標記技術測量的水滲透率可保持在原來的60%，如圖8.5（d-g）所示。RGO/TO雜化膜優異的脫鹽性能，表明TO對GO的光致還原作用有助于離子的有效排斥，而在紫外光照射下光誘導TO的親水轉化是保留優異的水滲透性的主要原因。這種復合薄膜制備方法簡單，在水凈化領域具有很好的潛在應用。。石墨烯具有很好的電學性質，但氧化石墨本身卻是絕緣體(或是半導體)。單層氧化石墨涂料GO在生理學環境下容易發生聚**影響其負載藥物的能力，因此需要對GO進行功能化修...

GO膜在水處理中的分離機理尚存在諸多爭議。一種觀點認為通過尺寸篩分以及帶電的目標分離物與納米孔之間的靜電排斥機理實現分離，如圖8.3所示。氧化石墨烯膜的分離通道主要由兩部分構成：1）氧化石墨烯分離膜中不規則褶皺結構形成的半圓柱孔道；2）氧化石墨烯分離膜片層之間的空隙。除此之外，由氧化石墨烯結構缺陷引起的納米孔道對于水分子的傳輸提供了額外的通道19-22。Mi等23研究認為干態下通過真空過濾制備的氧化石墨烯片層間隙的距離約為0.3nm。氧化石墨中存在大量親水基團(如羧基與羥基)，在水溶液中容易分散。合成氧化石墨導電由于GO表面具有較高的親和力，蛋白質可以吸附在GO表面，因此在生物液體中可以通過蛋...

Su等人28利用氫碘酸和抗壞血酸對PET基底上的多層氧化石墨烯薄膜進行化學還原，得到30nm厚的RGO薄膜，并測試了其滲透性能。實驗發現，對He原子和水分子完全不能透過。而厚度超過100nm的RGO薄膜對幾乎所有氣體、液體和腐蝕性化學試劑（如HF）是高度不可滲透的。特殊的阻隔性能歸因于石墨烯層壓板的高度石墨化和在還原過程中幾乎沒有結構損壞。與此結果相反，Liu等人29已經證明了通過HI蒸氣和水輔助分層制備**式超薄rGO膜的簡便且可重復的方法，利用rGO膜的毛細管力和疏水性，通過水實現**終的分層。采用真空抽濾在微孔濾膜基底上制備厚度低至20nm的**式rGO薄膜。氧化石墨能夠應用在交通運輸、...

氧化應激是指體內氧化與抗氧化作用失衡，傾向于氧化，導致中性粒細胞炎性浸潤，蛋白酶分泌增加，產生大量氧化中間產物，即活性氧。大量的實驗研究已經確認細胞經不同濃度的GO處理后，都會增加細胞中活性氧的量。而活性氧的量可以通過商業化的無色染料染色后利用流式細胞儀或熒光顯微鏡檢測到。氧化應激是由自由基在體內產生的一種負面作用，并被認為是導致衰老和疾病的一個重要因素。氧化應激反應不僅與GO的濃度[17,18]有關，還與GO的氧化程度[19]有關。如將蠕蟲分別置于10μg/ml和20μg/ml的PLL-PEG修飾的GO溶液中，GO會引起蠕蟲細胞內活性氧的積累，其活性氧分別增加59.2%和75.3%。氧化石墨...

GO作為新型的二維結構的納米材料，具有疏水性中間片層與親水性邊緣結構，特殊的結構決定其優異的***特性。GO的***活性主要有以下幾種機制：（1）機械破壞，包括物理穿刺或者切割；（2）氧化應激引發的細菌/膜物質破壞；（3）包覆導致的跨膜運輸阻滯和（或）細菌生長阻遏；（4）磷脂分子抽提理論。GO作用于細菌膜表面的殺菌機制中，主要是GO與起始分子反應（MolecularInitiatingEvents，MIEs）[51]的作用（圖7.3），包括GO表面活性引發的磷脂過氧化，GO片層結構對細菌膜的嵌入、包裹以及磷脂分子的提取，GO表面催化引發的活性自由基等。另外，GO的尺寸在上述不同的***機制中對...

氧化石墨烯同時具有熒光發射和熒光淬滅特性，廣義而言，其自身已經可以作為一種傳感材料，在生物、醫學領域的應用充分說明了這一點。經過功能化的氧化石墨烯/還原氧化石墨烯在更加***的領域內得到了應用，特別在光探測、光學成像、新型光源、非線性器件等光電傳感相關領域有著豐富的應用。光電探測器是石墨烯問世后**早應用的領域之一。2009年,Xia等利用機械剝離的石墨烯制備出了***個石墨烯光電探測器（MGPD）[2]，如圖9.6，以1-3層石墨烯作為有源層，Ti/Pd/Au作源漏電極，Si作為背柵極并在其上沉淀300nm厚的SiO2，在電極和石墨烯的接觸面上因為功函數的不同，能帶會發生彎曲并產生內建電場。...

比較成熟的非線性材料有半導體可飽和吸收鏡和碳納米管可飽和吸收體。但是制作半導體可飽和吸收鏡需要相對復雜和昂貴的超凈制造系統，這類器件的典型恢復時間約為幾個納秒，且半導體可飽和吸收鏡的光損傷閥值很低，常用的半導體飽和吸收鏡吸收帶寬較窄。碳納米管是一種直接帶隙材料，帶隙大小由碳納米管直徑和屬性決定。不同直徑碳納米管的混合可實現寬的非線性吸收帶，覆蓋常用的1.0～1.6um激光増益發射波段。但是由于碳納米管的管狀形態會產生很大的散射損耗，提高了鎖模閥值，限制了激光輸出功率和效率，所以，研究人員一直在尋找一種具有高光損傷閩值、超快恢復時間、寬帶寬和價格便宜等優點的飽和吸收材料。氧化石墨可以用于提高環氧...

GO作為新型的二維結構的納米材料，具有疏水性中間片層與親水性邊緣結構，特殊的結構決定其優異的***特性。GO的***活性主要有以下幾種機制：（1）機械破壞，包括物理穿刺或者切割；（2）氧化應激引發的細菌/膜物質破壞；（3）包覆導致的跨膜運輸阻滯和（或）細菌生長阻遏；（4）磷脂分子抽提理論。GO作用于細菌膜表面的殺菌機制中，主要是GO與起始分子反應（MolecularInitiatingEvents，MIEs）[51]的作用（圖7.3），包括GO表面活性引發的磷脂過氧化，GO片層結構對細菌膜的嵌入、包裹以及磷脂分子的提取，GO表面催化引發的活性自由基等。另外，GO的尺寸在上述不同的***機制中對...

石墨烯可與多種傳統半導體材料形成異質結，如硅[64][65][66]，鍺[67]，氧化鋅[68]，硫化鎘[69]、二硫化鉬[70]等。其中，石墨烯/硅異質結器件是目前研究**為***、光電轉換效率比較高（AM1.5）的一類光電器件。基于硅-石墨烯異質結光電探測器（SGPD），獲得了極高的光伏響應[71]。相比于光電流響應，它不會因產生焦耳熱而產生損耗。基于化學氣象沉積法（CVD）生長的石墨烯光電探測器有很多其獨特的優點。首先有極高的光伏響應，其次有極小的等效噪聲功率可以探測極微弱的信號，常見的硅-石墨烯異質結光電探測器結構如圖9.8所示。GO具有獨特的電子結構性能，可以通過熒光能量共振轉移和非...

在氧化石墨烯的納米孔道中，分布著氧化區域和納米sp2雜化碳區域，水分子在通過氧化區域時能夠與含氧官能團形成氫鍵，從而增加了水流動阻力，而在雜化碳區域水流阻力很小。芳香碳網中形成的大多數通路被含氧官能團有效阻擋，從而分離海水中Na+和Cl-等小分子物質12,13。相比于其他納米材料，GO為快速水輸送提供了較多優越性能，如光滑無摩擦的表面，超薄的厚度和超高的機械強度，所有這些特性都提高了水的滲透性。前超濾膜、納濾膜、反滲透膜等膜技術，已經成功地應用到水處理的各個領域，引起越來越多的企業家和科學家的關注8-11。GO薄膜在海水淡化領域的應用主要是去除海水中的鹽離子，探究GO薄膜的離子傳質行為具有更為...

石墨烯可與多種傳統半導體材料形成異質結，如硅[64][65][66]，鍺[67]，氧化鋅[68]，硫化鎘[69]、二硫化鉬[70]等。其中，石墨烯/硅異質結器件是目前研究**為***、光電轉換效率比較高（AM1.5）的一類光電器件。基于硅-石墨烯異質結光電探測器（SGPD），獲得了極高的光伏響應[71]。相比于光電流響應，它不會因產生焦耳熱而產生損耗。基于化學氣象沉積法（CVD）生長的石墨烯光電探測器有很多其獨特的優點。首先有極高的光伏響應，其次有極小的等效噪聲功率可以探測極微弱的信號，常見的硅-石墨烯異質結光電探測器結構如圖9.8所示。氧化石墨的結構和性質取決于合成它的方法。單層氧化石墨漿料...