石墨烯量子点的制备及其与DNA分子相互作用研究

摘要

石墨烯的二维尺寸对其性质具有显著的影响。微米级二维尺寸的石墨烯片属于零带隙半金属材料，但是，当石墨烯的二维尺寸减小到100纳米以下时，形成所谓的石墨烯量子点（GQDs），由于量子限域效应和边界效应，GQDs表现出有别于石墨烯的光电子特性和生物学效应。目前，GQDs的可控制备及其在光电子和生物学领域的应用是相关领域的一个前沿性研究课题。已有的 GQDs制备方法，包括强酸氧化法、水热/溶剂热法和电化学氧化法等均存在制备过程复杂、耗时长、产率低、共轭碳骨架破坏严重、很难制备出高质量量子点等不足，这也制约了GQDs相应的应用研究。基于此，本文研究了用羟胺还原氧化石墨烯（GO）的方法及过程机制，开发出可规模化制备化学还原氧化石墨烯（亦称为石墨烯）的新方法；系统地研究了费顿（Fenton）试剂和次氯酸钠（NaClO）与GO的反应，将微米级二维尺寸的GO片成功切割成GQDs，实现了GQDs的快速宏量制备；探索了GQDs与DNA分子的相互作用，发现在特定条件下，GQDs可有效切割DNA分子，也可诱导和稳定DNA分子的特定结构。本文所取得的主要研究结果如下：
　　1.以羟胺为还原剂，在较温和的条件下（~90℃）通过控制反应时间（<60 min）制备出了具有不同还原程度的化学还原氧化石墨烯（Chemically reduced graphene oxide，CRGO）。研究发现，与水合肼和抗坏血酸两种常用的还原剂相比较，羟胺还原速率快、还原程度高以及还原所得CRGO的导电率高、结构完整。同时，在不加入其它分散剂/稳定剂的条件下，通过简单调控反应体系的pH值即可得到分散性好的CRGO水溶液。研究结果表明，羟胺是一种高效且廉价的GO还原剂，在CRGO宏量制备乃至工业化生产中具有潜在的应用价值。
　　2.系统地研究了在紫外光辅助下GO的费顿反应（Photo-Fenton），并成功制备出了GQDs。研究发现在紫外光照射下，通过控制GO与Fenton试剂的反应时间，GO可依次转化为多孔GO、不同尺寸的GQDs、有机小分子、最后是CO2。在1000 W高压汞灯照射下，0.1 mg mL-1 GO水溶液和Fenton试剂反应，当控制反应时间为15、30和60分钟时，可分别获得不同尺寸GQDs，其中，当反应时间为15分钟时，GQDs的产率高达45％，制备得到的GQDs大小约为40 nm。高分辨显微和波谱学分析表明，所制备的GQDs表面缺陷少且结构较完整。XPS和FT-IR分析表明GQDs平面骨架边缘含有大量的羧基，因此GQDs具有很好的水溶性。同时，对GO的Photo-Fenton反应机理进行了探索，发现在紫外光照射下Fenton试剂快速生成羟基自由基（·OH），·OH以GO上与含氧官能团相连接的碳原子为反应起始位点对GO进行快速氧化，氧化后新生成的含氧官能团可进一步与·OH反应，从而使 GO首先被氧化成多孔 GO，随着反应的进行，多孔GO即可被剪切为GQDs，但其边缘仍残留一定量的羧基。研究结果表明GO的Photo-Fenon反应是一种快速有效的GQDs制备方法。
　　3.研究了在紫外光照射下，次氯酸钠（NaClO）与 GO的反应。与GO的Photo-Fenton反应（酸性条件下方可进行）相比较，GO与NaClO的反应不仅反应速率快，同时，该反应可在较宽的pH值范围内（酸性或碱性）进行，GQDs产率也更高，可达78%。此外，该方法所制备的GQDs具有相对较强的荧光特性。上述结果表明GO与NaClO的氧化反应也是切割GO制备GQDs的一种有效的方法。
　　4.研究了GQDs与DNA分子间的相互作用，并与具有微米级二维尺寸的GO的相应功能进行了比较。发现在同等条件下GQDs比GO具有更高的DNA分子切割效率。同时以d22CT和c-Myc为例，研究发现GQDs对DNA的i-motif结构具有稳定和诱导作用。在弱酸性条件下，GQDs对i-motif结构具有稳定作用，在中性/碱性条件下，GQDs对i-motif结构的形成具有诱导作用。GQDs主要以π-π末端堆叠的方式与i-motif结构相互作用。研究结果为进一步探索GQDs的生物学效应和其在生物检测和药物输送等领域的应用奠定了基础。

目录

封面

声明

答辩决议书

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 化学还原氧化石墨烯概述

1.2 石墨烯量子点概述

1.3 本论文的研究目的和内容

第二章 氧化石墨烯与石墨烯的制备

2.1 引言

2.2 实验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 氧化石墨烯的光辅助-费顿（Photo-Fenton）反应及石墨烯量子点的制备

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 次氯酸钠切割氧化石墨烯及石墨烯量子点的制备

4.1 引言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 石墨烯量子点与DNA分子的相互作用

5.1 引言

5.2 实验

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结、主要创新点及展望

6.1 全文总结

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

附录一 实验主要原料和试剂

附录二 实验所用仪器设备

致谢

攻读博士学位期间发表论文和申请专利