石墨烯量子点与氧化石墨烯间荧光猝灭机理的研究及其应用于构建新型生物传感器

Graphene quantum dots and graphene oxide were introduced into designing of optical biosensors for their good biocompatibility and optical property. And the fluorescence quenching phenomenon lays a powerful basis for the application of them. Although fluorescence detection is a widely used analytical technique for optical biosensor, the fluorescence quenching mechanism between graphene oxide and biological fluorescent labeling remain unclear. In our work, the low toxic water-soluble graphene quantum dots with green fluorescence will be synthesized firstly as bio-labeling fluorescent molecular. Under the laser excitation, the transient characteristic of graphene quantum dots excited state will be discovered by nanosecond laser photolysis device. Then combining with nanosecond pulse radiolysis device, the physicochemical properties of ion free radicals produced by graphene quantum dots under the laser excited will be verified. Furthermore, the fluorescence quenching mechanism between graphene oxide and graphene quantum dots will be investigated by transient spectroscopy assistant with fluorescence spectrophotometry, and the related reaction kinetics parameters were measured. Our results will provide a data basis for building new type DNA biosensors.

石墨烯量子点和氧化石墨烯以其良好的生物相容性和光学性能，被广泛应用于光学生物传感器的研究中，其中的荧光猝灭现象是应用的基础。但目前氧化石墨烯与生物荧光标记分子之间的荧光猝灭机理的尚不明确。本项目针对以上内容，合成安全低毒的水溶性绿色荧光石墨烯量子点作为生物荧光标记分子，利用纳秒级激光光解装置，研究所制备的石墨烯量子点在光激发条件下的瞬态反应，确定其激发态的物化特性，并结合纳秒级脉冲辐解装置，验证其在光激发条件下生成的离子自由基的物化性质。然后结合利用荧光分光光度法，研究石墨烯量子点与氧化石墨烯之间的荧光猝灭机理，测得其光反应动力学参数。最后，本项目在揭示石墨烯量子点和氧化石墨烯之间微观光化学反应机理及动力学的基础上，将其应用于构建新型DNA生物传感器。

石墨烯量子点具有高荧光量子产率，以及较好的生物相容性和生物安全性。而石墨烯拥有大尺寸二维芳香平面，可以作为修饰特定生物分子的基底，这些生物功能化修饰提高了石墨烯的生物相容性、稳定性、选择性。此二者被广泛应用于光学生物传感器的研究中，其中的荧光猝灭现象是应用的基础，但目前氧化石墨烯与生物荧光标记分子之间的荧光猝灭机理的尚不明确。本项目首先采用由上到下的化学法——水热法将石墨烯纳米片切割成约9.6 nm的石墨烯量子点，发现此石墨烯量子点能够发射强的蓝色荧光。并采用X射线光电子能谱、拉曼、红外和透射电镜研究了石墨烯量子点的形貌和形成机理等，采用用紫外可见分光光度计、荧光分光光度计和物性测量仪表征了石墨烯量子点的光学性质和磁性特征。然后，采用瞬态时间光谱技术，分别对不同化学方法处理的石墨烯氧化物，以及石墨烯量子点进行研究。利用飞秒激光光解装置，研究其飞秒瞬态吸收光谱，揭示了其发光性质，光激发过程中电子结构的转变，以及光激发过程中的超快反应动力学过程。此外，使用前阶段利用水热切割法制备的具有高量子产额，安全低毒、适于生物标记的石墨烯量子点（GQDs）作为荧光基团分子作为修饰于DNA上的荧光基团，将其与氧化石墨烯构建一种灵活、快速、简单的筛选G四链体小分子配体的生物传感器。