配体交换作用即：氧化石墨烯上原有的配位体被溶液中的金属离子所取代，并以配位键的形式生成不溶于水的配合物，**终通过简单的过滤即可从溶液中去除。Tang等47对Fe与GO（质量比为1：7.5）复合及Fe与Mn（摩尔比为3∶1）复合的氧化石墨烯/铁-锰复合材料（GO/Fe-Mn）进行了吸附研究，通过一系列的实验表明，氧化石墨烯对Hg2+的吸附机理主要是配体交换作用，其比较大吸附量达到32.9mg/g。Hg2+可在水环境中形成Hg(OH)2，与铁锰氧化物中的活性点位（如-OH）发生配体交换作用，从而将Hg(OH)2固定在氧化石墨烯/铁-锰复合材料上，达到去除水环境中Hg2+的目的。氧化石墨烯经一定功...

配体交换作用即：氧化石墨烯上原有的配位体被溶液中的金属离子所取代，并以配位键的形式生成不溶于水的配合物，**终通过简单的过滤即可从溶液中去除。Tang等47对Fe与GO（质量比为1：7.5）复合及Fe与Mn（摩尔比为3∶1）复合的氧化石墨烯/铁-锰复合材料（GO/Fe-Mn）进行了吸附研究，通过一系列的实验表明，氧化石墨烯对Hg2+的吸附机理主要是配体交换作用，其比较大吸附量达到32.9mg/g。Hg2+可在水环境中形成Hg(OH)2，与铁锰氧化物中的活性点位（如-OH）发生配体交换作用，从而将Hg(OH)2固定在氧化石墨烯/铁-锰复合材料上，达到去除水环境中Hg2+的目的。氧化石墨烯经一定功...

GO在生理学环境下容易发生聚**影响其负载药物的能力，因此需要对GO进行功能化修饰来解决其容易团聚的问题。目前功能化修饰主要有以下几种：（1）共价键修饰，由于GO表面丰富的含氧官能团（羟基、羧基、环氧基），可与多种亲水性大分子通过酯键、酰胺键等共价键连接完成功能化，改善其稳定性、生物相容性等。常见的大分子有聚乙二醇(PEG)、聚赖氨酸、聚丙烯(PAA)和聚醚酰亚胺(PEI)等；（2）非共价键修饰[22-24]，GO片层内碳原子共同形成一个大的π 键，能够通过非共价π-π作用与芳香类化合物相互结合，不同种类的生物分子也可以通过氢键作用、范德华力和疏水作用等非共价作用力与GO结构中的SP2杂化部分...

氧化石墨烯（GO）在很宽的光谱范围内具有光致发光性质，同时也是高效的荧光淬灭剂。氧化石墨烯（GO）具有特殊的光学性质和多样化的可修饰性，为石墨烯在光学、光电子学领域的应用提供了一个功能可调控的强大平台[6]，其在光电领域的应用日趋***。氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（RGO）应用于光电传感，主要是作为电子给体或者电子受体材料。作为电子给体材料时，利用的是其在光的吸收、转换、发射等光学方面的特殊性质，作为电子受体材料时，利用的是其优异的载流子迁移率等电学性质。本书前面的内容中对氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（RGO）的电学性质已经有了比较详细的论述，本章在介绍其在光电领域的应用之前，首...

石墨烯是一种在光子和光电子领域十分有吸引力的材料，与别的材料相比有很多优点[1]。作为一种零带隙材料，石墨烯的光响应谱覆盖了从紫外到THz范围；同时，石墨烯在室温下就有着惊人的电子输运速度，这使得光子或者等离子体转换为电流或电压的速度极快；石墨烯的低耗散率以及可以把电磁场能量限定在一定区域内的性质，带来了很强的光与石墨烯相互作用。虽然还原氧化石墨烯（RGO）缺少本征石墨烯中观测到的电子输运效应以及其它一些凝聚态物质效应，但其易于规模化制备、性质可调等优异特性，使其在传感检测领域展现出极大的应用前景。碳基填料可以提高聚合物的热导率，但无法像提高导电性那么明显，甚至低于有效介质理论。关于氧化石墨膜...

还原氧化石墨烯（RGO）在边缘处和面内缺陷处具有丰富的分子结合位点，使其成为一种很有希望的电化学传感器材料。结合原位还原技术，有很多研究使用诸如喷涂、旋涂等基于溶液的技术手段，利用氧化石墨烯（GO）在不同基底上制造出具备石墨烯相关性质的器件，以期在一些场合替代CVD制备的石墨烯。结构决定性质。氧化石墨烯（GO）的能级结构由sp3杂化和sp2杂化的相对比例决定[6]，调节含氧基团相对含量可以实现氧化石墨烯（GO）从绝缘体到半导体再到半金属性质的转换氧化石墨烯可以有效去除溶液中的金属离子。单层氧化石墨增强RGO制备简单、自身具有受还原程度调控的带隙，可以实现超宽谱（从可见至太赫兹波段）探测。氧化石...

Su等人28利用氢碘酸和抗坏血酸对PET基底上的多层氧化石墨烯薄膜进行化学还原，得到30nm厚的RGO薄膜，并测试了其渗透性能。实验发现，对He原子和水分子完全不能透过。而厚度超过100 nm的RGO薄膜对几乎所有气体、液体和腐蚀性化学试剂（如HF）是高度不可渗透的。特殊的阻隔性能归因于石墨烯层压板的高度石墨化和在还原过程中几乎没有结构损坏。与此结果相反，Liu等人29已经证明了通过HI蒸气和水辅助分层制备**式超薄rGO膜的简便且可重复的方法，利用rGO膜的毛细管力和疏水性，通过水实现**终的分层。采用真空抽滤在微孔滤膜基底上制备厚度低至20nm的**式rGO薄膜。氧化石墨烯（GO）是印刷电...

尽管氧化石墨烯自身可以发射荧光，但有趣的是它也可以淬灭荧光。这两种看似相互矛盾的性质集于一身，正是由于氧化石墨烯化学成分的多样性、原子和电子层面的复杂结构造成的。众所周知，石墨形态的碳材料可以淬灭处于其表面的染料分子的荧光，同样的，在GO和RGO中存在的SP2区域可以淬灭临近一些物质的的荧光，如染料分子、共轭聚合物、量子点等，而GO的荧光淬灭效率在还原后还有进一步的提升。有很多文章定量分析了GO和RGO的荧光淬灭效率，研究表明，荧光淬灭特性来自于GO、RGO与辐射发生体之间的荧光共振能量转移或者非辐射偶极-偶极耦合。氧化石墨可以通过用强氧化剂来处理石墨来制备。制造氧化石墨怎么用氧化石墨烯（GO...

近年来研究者发现石墨烯由于它独特的零带隙结构，对所有波段的光都无选择性的吸收，且具有超快的恢复时间和较高的损伤阈值。因此利用石墨烯独特的非线性可饱和吸收特性将其制作成可饱和吸收体应用于调Q掺铒光纤激光器、被动锁模光纤激光器已经成为超快脉冲激光器研究领域的热点。2009年，Bao等[82]人使用单层石墨烯作为锁模光纤激光器的可饱和吸收体首先实现了通信波段的超短孤子脉冲输出，脉冲宽度达到了756fs。他们证实了由于泡利阻塞原理，零带隙材料石墨烯在强激光激发下可以容易的实现可饱和吸收，而且这种可饱和吸收是与频率不相关的，即石墨烯作为可饱和吸收体可实现对所有波长的光都有可饱和吸收作用。氧化石墨是一种碳...

氧化石墨烯/还原氧化石墨烯在光电传感领域的应用，其基本依据是本章前面部分所涉及到的各种光学性质。氧化石墨烯因含氧官能团的存在具备了丰富的光学特性，在还原为还原氧化石墨烯的过程中，不同的还原程度又具备了不同的性质，从结构方面而言，是其SP2碳域与SP3碳域相互分割、相互影响、相互转化带来了如此丰富的特性。也正是这些官能团的存在，使得氧化石墨烯可以方便的采用各种基于溶液的方法适应多种场合的需要，克服了CVD和机械剥离石墨烯在转移和大面积应用时存在的缺点，也正是这些官能团的存在，使其便于实现功能化修饰，为其在不同场景的应用提供了一个广阔的平台。氧化石墨烯的表面官能团与水中的金属离子反应形成复杂的络合...

由于GO表面具有较高的亲和力，蛋白质可以吸附在GO表面，因此在生物液体中可以通过蛋白质来调节GO与细胞膜的相互作用。如，血液中存在着大量的血清蛋白，可能会潜在的影响GO的毒性。Ge与其合作者[16]利用电子显微镜技术就观察到牛血清蛋白可以降低GO对细胞膜的渗透性，抑制了GO对细胞膜的破坏，同时降低了GO的细胞毒性。基于分子动力学研究分析，他们推断可能是由于GO-蛋白质之间的作用削弱了GO-磷脂之间的相互作用。与此同时，GO对人血清蛋白的影响也被其他科研工作者所发现，特别是他们观察到了GO可以抑制人血清蛋白与胆红素之间的作用。因此，GO与血清蛋白之间是相互影响的。修复石墨烯片层上的缺陷，可以提高...

在GO还原成RGO的过程中，材料的导电性、禁带特性和折射率都会发生连续变化，形成独特而优异的可调谐型新材料。2014年，澳大利亚微光子学中心贾宝华教授领导的科研小组***发现在用激光直写氧化石墨烯薄膜形成微纳米结构的过程中，材料的非线性可以实现激光功率可控的动态调谐。与传统的非线性材料相比，氧化石墨烯的三阶非线性高出了整整1000倍，随着氧化石墨烯中的氧成分逐渐减少，而非线性也呈现出被动态调谐的丰富变化。不但材料的非线性系数的大小产生改变，其非线性吸收和折射率也发生变化，并且，这种丰富的非线性特性完全可以实现动态操控。氧化石墨片层的边缘包括羰基或羧基。多层氧化石墨有哪些石墨烯可与多种传统半导体...

石墨烯可与多种传统半导体材料形成异质结，如硅[64][65][66]，锗[67]，氧化锌[68]，硫化镉[69]、二硫化钼[70]等。其中，石墨烯/硅异质结器件是目前研究**为***、光电转换效率比较高（AM1.5）的一类光电器件。基于硅-石墨烯异质结光电探测器（SGPD），获得了极高的光伏响应[71]。相比于光电流响应，它不会因产生焦耳热而产生损耗。基于化学气象沉积法（CVD）生长的石墨烯光电探测器有很多其独特的优点。首先有极高的光伏响应，其次有极小的等效噪声功率可以探测极微弱的信号，常见的硅-石墨烯异质结光电探测器结构如图9.8所示。氧化石墨片层的边缘包括羰基或羧基。官能化氧化石墨生产氧化...

氧化石墨烯（GO）的光学性质与石墨烯有着很大差别。石墨烯是零带隙半导体，在可见光范围内的光吸收系数近乎常数（～2.3%）；相比之下，氧化石墨烯的光吸收系数要小一个数量级（～0.3%）[9][10]。而且，氧化石墨烯的光吸收系数是波长的函数，其吸收曲线峰值在可见光与紫外光交界附近，随着波长向近红外一端移动，吸收系数逐渐下降。对紫外光的吸收（200-320nm）会表现出明显的π-π*和 n-π*跃迁，而且其强度会随着含氧基团的出现而增加[11]。氧化石墨烯（GO）的光响应对其含氧基团的数量十分敏感[12]。随着含氧基团的去除，氧化石墨烯（GO）在可见光波段的的光吸收率迅速上升，**终达到2.3%这...

在光通信领域，徐等人开发了飞秒氧化石墨烯锁模掺铒光纤激光器，与基于石墨烯的可饱和吸收体相比，具有性能有所提升，并且具有易于制造的优点[95]，这是GO/RGO在与光纤结合应用**早的报道之一。在传感领域，Sridevi等提出了一种基于腐蚀布拉格光栅光纤（FBG）外加GO涂层的高灵敏、高精度生化传感器，该方法在检测刀豆球蛋白A中进行了试验[96]。为了探索光纤技术和GO特性结合的优点，文献[97]介绍了不同的GO涂层在光纤样品上应用的特点，还分析了在倾斜布拉格光栅光纤FBG（TFBG）表面增加GO涂层对折射率（RI）变化的影响，论证了这种构型对新传感器的发展的适用性。图9.14给出了归一化的折射...

配体交换作用即：氧化石墨烯上原有的配位体被溶液中的金属离子所取代，并以配位键的形式生成不溶于水的配合物，**终通过简单的过滤即可从溶液中去除。Tang等47对Fe与GO（质量比为1：7.5）复合及Fe与Mn（摩尔比为3∶1）复合的氧化石墨烯/铁-锰复合材料（GO/Fe-Mn）进行了吸附研究，通过一系列的实验表明，氧化石墨烯对Hg2+的吸附机理主要是配体交换作用，其比较大吸附量达到32.9mg/g。Hg2+可在水环境中形成Hg(OH)2，与铁锰氧化物中的活性点位（如-OH）发生配体交换作用，从而将Hg(OH)2固定在氧化石墨烯/铁-锰复合材料上，达到去除水环境中Hg2+的目的。氧化石墨烯经一定功...

太赫兹技术可用于医学诊断与成像、反恐安全检查、通信雷达、射电天文等领域，将对技术创新、国民经济发展以及**等领域产生深远的影响。作为极具发展潜力的新技术，2004年，美国**将THz科技评为“改变未来世界的**技术”之一，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱**重点战略目标”**，举全国之力进行研发。传统的宽带THz波可以通过光整流、光电导天线、激光气体等离子体等方法产生，窄带THz波可以通过太赫兹激光器、光学混频、加速电子、光参量转换等方法产生。石墨烯以优异的声、光、热、电、力等性质成为各新型材料领域追求的目标。进口氧化石墨制造石墨烯是一种在光子和光电子领域十分有吸引力的...

在GO还原成RGO的过程中，材料的导电性、禁带特性和折射率都会发生连续变化，形成独特而优异的可调谐型新材料。2014年，澳大利亚微光子学中心贾宝华教授领导的科研小组***发现在用激光直写氧化石墨烯薄膜形成微纳米结构的过程中，材料的非线性可以实现激光功率可控的动态调谐。与传统的非线性材料相比，氧化石墨烯的三阶非线性高出了整整1000倍，随着氧化石墨烯中的氧成分逐渐减少，而非线性也呈现出被动态调谐的丰富变化。不但材料的非线性系数的大小产生改变，其非线性吸收和折射率也发生变化，并且，这种丰富的非线性特性完全可以实现动态操控。氧化石墨仍然保留石墨母体的片状结构，但是两层间的间距(约0.7nm)大约是石...

氧化石墨烯表面的-OH和-COOH等官能团含有孤对电子，可作为配位体与具有空的价电子轨道的金属离子发生络合反应，生成不溶于水的络合物，从而有效去除溶液中的金属离子。Madadrang等45制得乙二胺四乙酸/氧化石墨烯复合材料（EDTA-GO），通过研究发现其对金属离子的吸附机制主要为络合反应，即氧化石墨烯的表面官能团与水中的金属离子反应形成复杂的络合物，具体过程如图8.7所示，由于形成的络合物不溶于水，可通过沉淀等作用分离去除水中的金属离子。在用氧化还原法将石墨剥离为石墨烯的工业化生产过程中，得到的石墨烯微片富含多种含氧官能团。河北关于氧化石墨石墨烯可与多种传统半导体材料形成异质结，如硅[64...

目前医学界面临的一个棘手的难题是对大面积骨组织缺损的修复。其中，干细胞***可能是一种很有前途的解决方案，但是在干细胞的移植过程中，需要可促进和增强细胞成活、附着、迁移和分化并有着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较低的细胞毒性，可促进成纤维细胞、成骨细胞和间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）的增殖和分化[82]，同时GO还可以促进多种干细胞的附着和生长，增强其成骨分化的能力[83-84]。因此受到骨组织再生领域及相关领域研究人员的关注，成为组织工程研究中一种很有潜力的支架材料。GO不仅可以单独作为干细胞的载体材料，还可...

光学材料的某些非线性性质是实现高性能集成光子器件的关键。光子芯片的许多重要功能，如全光开关，信号再生，超快通信都离不开它。找寻一种具有超高三阶非线性，并且易于加工各种功能性微纳结构的材料是众多的光学科研工作者的梦想，也是成功研制超高性能全光芯片的必由之路。超快泵浦探针光谱表明，重度功能化的具有较大SP3区域的GO材料在高激发强度下可以出现饱和吸收、双光子吸收和多光子吸收[6][50][51][52]，这种效应归因于在SP3结构域的光子中存在较大的带隙。相反，在具有较小带隙的SP2域中的*出现单光子吸收。石墨烯在飞秒脉冲激发下具有饱和吸收[52]，而氧化石墨烯在低能量下为饱和吸收，高能量下则具有...

使得*在单层中排列的水蒸气可以渗透通过纳米通道。通过在GO纳米片之间夹入适当尺寸的间隔物来调节GO间距，可以制造广谱的GO膜，每个膜能够精确地分离特定尺寸范围内的目标离子和分子。水合作用力使得溶液中氧化石墨烯片层间隙的距离增大到1.3 nm，真正有效、可自由通过的孔道尺寸为0.9 nm，计算出水合半径小于0.45 nm的物质可以通过氧化石墨烯膜片，而水合半径大于0.45 nm的物质被截留，如图8.4所示。例如，脱盐要求GO的层间距小于0.7 nm，以从水中筛分水合Na +（水合半径为0.36nm）。 通过部分还原GO以减小水合官能团的尺寸或通过将堆叠的GO纳米片与小尺寸分子共价键合以克服水合力...

氧化石墨烯同时具有荧光发射和荧光淬灭特性，广义而言，其自身已经可以作为一种传感材料，在生物、医学领域的应用充分说明了这一点。经过功能化的氧化石墨烯/还原氧化石墨烯在更加***的领域内得到了应用，特别在光探测、光学成像、新型光源、非线性器件等光电传感相关领域有着丰富的应用。光电探测器是石墨烯问世后**早应用的领域之一。2009 年, Xia 等利用机械剥离的石墨烯制备出了***个石墨烯光电探测器（MGPD）[2]，如图9.6，以1-3 层石墨烯作为有源层，Ti/Pd/Au 作源漏电极，Si 作为背栅极并在其上沉淀300nm 厚的SiO2，在电极和石墨烯的接触面上因为功函数的不同，能带会发生弯曲并...

氧化石墨烯/还原氧化石墨烯在光电传感领域的应用，其基本依据是本章前面部分所涉及到的各种光学性质。氧化石墨烯因含氧官能团的存在具备了丰富的光学特性，在还原为还原氧化石墨烯的过程中，不同的还原程度又具备了不同的性质，从结构方面而言，是其SP2碳域与SP3碳域相互分割、相互影响、相互转化带来了如此丰富的特性。也正是这些官能团的存在，使得氧化石墨烯可以方便的采用各种基于溶液的方法适应多种场合的需要，克服了CVD和机械剥离石墨烯在转移和大面积应用时存在的缺点，也正是这些官能团的存在，使其便于实现功能化修饰，为其在不同场景的应用提供了一个广阔的平台。氧化石墨能够满足人们对于材料的功能性需求更为严苛的要求。...

氧化石墨烯（GO）的比表面积很大，而厚度只有几纳米，具有两亲性，表面的各种官能团使其可与生物分子直接相互作用，易于化学修饰，同时具有良好的生物相容性，超薄的GO纳米片很容易组装成纸片或直接在基材上进行加工。另外，GO具有独特的电子结构性能，可以通过荧光能量共振转移和非辐射偶极-偶极相互作用能有效猝灭荧光体（染料分子、量子点及上转换纳米材料）的荧光。这些特点都使GO成为制作传感器极好的基本材料[74-76]。Arben的研究中发现，将CdSe/ZnS量子点作为荧光供体，石墨、碳纤维、碳纳米管和GO作为荧光受体，以上几种碳材料对CdSe/ZnS量子点的荧光淬灭效率分别为66±17%、74±7%、7...

光学材料的某些非线性性质是实现高性能集成光子器件的关键。光子芯片的许多重要功能，如全光开关，信号再生，超快通信都离不开它。找寻一种具有超高三阶非线性，并且易于加工各种功能性微纳结构的材料是众多的光学科研工作者的梦想，也是成功研制超高性能全光芯片的必由之路。超快泵浦探针光谱表明，重度功能化的具有较大SP3区域的GO材料在高激发强度下可以出现饱和吸收、双光子吸收和多光子吸收[6][50][51][52]，这种效应归因于在SP3结构域的光子中存在较大的带隙。相反，在具有较小带隙的SP2域中的*出现单光子吸收。石墨烯在飞秒脉冲激发下具有饱和吸收[52]，而氧化石墨烯在低能量下为饱和吸收，高能量下则具有...

由于GO表面具有较高的亲和力，蛋白质可以吸附在GO表面，因此在生物液体中可以通过蛋白质来调节GO与细胞膜的相互作用。如，血液中存在着大量的血清蛋白，可能会潜在的影响GO的毒性。Ge与其合作者[16]利用电子显微镜技术就观察到牛血清蛋白可以降低GO对细胞膜的渗透性，抑制了GO对细胞膜的破坏，同时降低了GO的细胞毒性。基于分子动力学研究分析，他们推断可能是由于GO-蛋白质之间的作用削弱了GO-磷脂之间的相互作用。与此同时，GO对人血清蛋白的影响也被其他科研工作者所发现，特别是他们观察到了GO可以抑制人血清蛋白与胆红素之间的作用。因此，GO与血清蛋白之间是相互影响的。GO表面的各种官能团使其可与生物...

尽管氧化石墨烯自身可以发射荧光，但有趣的是它也可以淬灭荧光。这两种看似相互矛盾的性质集于一身，正是由于氧化石墨烯化学成分的多样性、原子和电子层面的复杂结构造成的。众所周知，石墨形态的碳材料可以淬灭处于其表面的染料分子的荧光，同样的，在GO和RGO中存在的SP2区域可以淬灭临近一些物质的的荧光，如染料分子、共轭聚合物、量子点等，而GO的荧光淬灭效率在还原后还有进一步的提升。有很多文章定量分析了GO和RGO的荧光淬灭效率，研究表明，荧光淬灭特性来自于GO、RGO与辐射发生体之间的荧光共振能量转移或者非辐射偶极-偶极耦合。石墨烯以优异的声、光、热、电、力等性质成为各新型材料领域追求的目标。附近氧化石...

氧化石墨烯（GO）的比表面积很大，而厚度只有几纳米，具有两亲性，表面的各种官能团使其可与生物分子直接相互作用，易于化学修饰，同时具有良好的生物相容性，超薄的GO纳米片很容易组装成纸片或直接在基材上进行加工。另外，GO具有独特的电子结构性能，可以通过荧光能量共振转移和非辐射偶极-偶极相互作用能有效猝灭荧光体（染料分子、量子点及上转换纳米材料）的荧光。这些特点都使GO成为制作传感器极好的基本材料[74-76]。Arben的研究中发现，将CdSe/ZnS量子点作为荧光供体，石墨、碳纤维、碳纳米管和GO作为荧光受体，以上几种碳材料对CdSe/ZnS量子点的荧光淬灭效率分别为66±17%、74±7%、7...

由于较低的毒性和良好的生物相容性，石墨烯材料在细胞成像方面**了一股研究热潮。石墨烯及其衍生物本身具有特殊的平面结构和光学性质，或者经过荧光染料分子标记之后，可用于体外细胞与***光学成像[63-66]，使其在**显像和***方面具有很大的应用前景。Dai 课题组[67]***利用纳米尺寸的聚乙二醇功能化氧化石墨烯(GO-PEG)的近红外发光性质用于细胞成像。他们将抗体利妥昔单抗（anti-CD20）与纳米GO-PEG 共价结合形成纳米GO-PEG-anti-CD20，然后将纳米GO-PEG和纳米GO-PEG-anti-CD20与B细胞或T细胞在培养液中4℃培养1h，培养液中纳米GO-PEG的...