高性能石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点的可控制备及应用研究

This project is to study and explore new methodologies for the high efficient and controllable synthesis of graphene quantum dots and grapheme-like transition metal dischalcogenide quantum dots with high performance. So the controllable synthesis of graphene quantum dots and grapheme-like transition metal dischalcogenide quantum dots with high water-soluble, high stability, high fluorescence quantum yield and tunable fluorescent properties can be realized. Study the relation between quantum yield, emission behaviour and the composition, size and surface state, and study its emission mechanism in depth. Based on these, we use graphene quantum dots and grapheme-like transition metal dischalcogenide quantum dots with high performance as fluorescence probe, and the nanobiosensor for high sensitive and specific detection of special bioactive molecules (nucleic acids, proteins, biological enzymes) can be constructed. Developing high sensitive methodologies for fluorescence immunoassay and nucleic acid analysis based on labeling technology or label-free technology. So the sensitive, selective, rapid and low-cost detection for many kinds of bioactive molecules can be realized, and the multispectral cell imaging system is to be used for the fluorescence imaging assay of bioactive molecules in cells. This work is expected to provide new analytical method and technical approach for bioanalysis and biosensoring.

本项目拟研究和开发高性能石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点的高效可控制备新方法，实现具有高水溶性、高稳定性、高荧光量子产率及荧光性能可调的石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点的可控制备。研究石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点高的荧光量子产率、发射行为与其组成、粒径、表面态等的内在联系与规律，并对其发光机理进行深入研究。在此基础上，利用高性能石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点作为荧光探针，构建对特定生物活性分子（核酸、蛋白质、生物酶等）高灵敏、高特异性的荧光纳米生物传感器，发展基于标记技术和免标记技术的高灵敏的荧光免疫分析方法和核酸分析方法，实现多种生物活性分子的高灵敏、高选择性、快速、低成本检测，并利用多光谱细胞成像系统对细胞内多种生物活性分子进行荧光成像分析，为生物分析和生物传感的研究提供新的分析方法和技术手段。

我们通过“自上而下”和“自下而上”两种制备途径，利用水热法制备了具有高稳定性、高荧光量子产率、生物相容性好的石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点，研究了不同合成条件以及表面改性和元素掺杂对石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点的尺寸大小及其发光性能的影响，以及石墨烯量子点和类石墨烯过渡金属硫化物量子点高的荧光量子产率、发射行为与其组成、粒径以及表面态之间的关系，并对其发光机理进行了研究。在此基础上，我们利用所制备的高性能石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点为荧光探针，通过共价偶联、静电相互作用、主客体识别或配位等不同的连接方式将对目标分析物具有特异响应的核酸、蛋白质（包括生物酶特异识别的底物蛋白）等生物分子和石墨烯量子点及类石墨烯过渡金属硫化物量子点进行连接作为分析探针，构建了对特定核酸、蛋白质、生物酶等生物活性分子高灵敏、高选择性的纳米生物传感器。并基于分析探针，利用抗原与抗体的反应、核酸杂交反应、适配体与目标物的反应等作为识别反应，通过设计新型的分析策略，建立了基于标记技术和免标记技术的高灵敏的荧光免疫分析方法和核酸分析方法，实现了对多种生物活性分子高灵敏、高选择性、快速、低成本的检测，同时还结合荧光成像技术，开展了细胞内生物活性分子的检测和荧光成像分析。为生物分析和生物传感的研究提供了新的有效的分析方法和技术手段。