【专业讲堂】新型碳材料专题：氧化石墨烯及其主要应用领域
编者按
近年来以氧化石墨烯为代表的新型碳材料发展迅速，本本公众号新型碳材料专题将主要介绍氧化石墨烯、单壁碳纳米管、石墨烯纳米带等材料的特点及应用，本文首先介绍了氧化石墨烯、还原氧化石墨烯及其主要应用。
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氧化石墨烯概述
氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是一种特殊的碳材料，它由孤立的单分子石墨层组成，具有丰富的含氧官能团如环氧化物、羰基、羧基和羟基。
自2004年石墨烯被分离以来，人们对GO的认识大大提高。最初希望GO可以作为石墨烯的合成前体，当减少电绝缘GO时，形成的浓氧化石墨烯与石墨烯相似，而rGO（Reduced Graphene oxide）还原氧化石墨烯的生产过程更类似于原始石墨烯。
然而，由于rGO可以由GO在水中的水分散体形成薄膜，并且具有合理的导电性，因此非常适合在电子设备中应用。除作为电子器件中的元件外，GO和rGO还被应用于纳米复合材料、聚合物复合材料、储能材料、生物医学应用、催化和作为表面活性剂等。
许多目前合成GO的技术都是基于Hummers最初描述的技术上，即石墨被硫酸中的高锰酸钾溶液氧化，在该过程也会使用肼，但肼具有极高的毒性，并可能通过氮杂原子使GO官能化。由于这些问题，往往通过加入NaBH、抗坏血酸和HI等来替代肼。
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电子产品应用
许多电子设备都是用GO作为其中一个元件的基本材料制造出来的，其中一个器件是石墨烯场效应晶体管（（graphene founded field effect transistor，GFET）。使用rGO的场效应晶体管已被用作化学传感器和生物传感器。图1.31显示了GFET传感器的示意图，使用功能化rGO作为半导体的GFET有时被用作生物传感器，以探测激素儿茶酚胺分子、抗生物素蛋白和DNA。在进一步的研究中，将葡萄糖氧化酶功能化并置于电极上的GO可用作电化学葡萄糖传感器。
图1.（a）在Si /SiO2衬底上用作气体传感器的典型背栅GFET 。（b）在水溶液中用作化学和生物传感器的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上的典型溶液栅极GFET。
可见光透明电极对于发光二极管（LED）和太阳能电池设备都至关重要。由于GO可以在溶液中处理，因此使用rGO作为透明电极可以替代此类设备的其他透明电极（如ITO）。除了透明电极，rGO还被用作聚合物太阳能电池和LED中的空穴传输层。
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能源储备
rGO的纳米复合材料已被用于锂离子电池的高容量能量存储中。在这些研究中，将电绝缘的金属氧化物纳米颗粒吸附到rGO上，以提高电池中材料的性能，例如，rGO上Fe3O4的储能能力和循环稳定性比纯Fe3O4或Fe2O3有所提高（图2）。目前已制备得到大表面积的rGO，利用微波进行去角质和去角质，产生的大表面积rGO作为超级电容器中的储能材料是有益的。
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生物医学应用
GO在生物医学领域的一种应用是作为药物递送结构中的元素。关于抗癌药的靶向分布的许多研究中都使用了功能化的纳米氧化石墨烯（nanographene oxide，nGO）。将聚乙二醇（PEG）官能化的NGO与喜树碱衍生物SN38吸附在表面上（nGO‒PEG‒SN38），作为药物的水溶性和血清可溶性基础。这项研究显示，nGO‒PEG‒SN38在降低人类结肠癌细胞HTC-116的细胞能力方面比FDA接受的SN38前药伊立替康（CPT-11）影响超过三个数量级（图3 ）。
图3.体外细胞毒性测定。（a）HCT-116细胞与CPT-11，SN38和NGO‒PEG‒SN38在不同浓度下孵育72小时的相对细胞生存力数据（相对于未处理的对照）。将游离的SN38溶解在DMSO中并在PBS中稀释，水溶性NGO‒PEG‒SN38在DMSO中显示出与SN38相似的毒性，并且效力远高于CPT-11。（b）在（红色）SN38和（黑色）SN38负载的nGO-PEG中孵育后，HCT-116细胞的相对细胞生存力数据。普通的NGO‒PEG即使在非常高的浓度下也没有表现出明显的毒性。
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生物传感器
GO和rGO已经被用作许多系统的一部分，这些系统被用来寻找生物上合适的分子。GO作为一种荧光猝灭材料，应用于荧光共振能量转移（FRET）效应的生物传感器。
在一项研究中，发现带有荧光标记的单链DNA（ssDNA）在标记的荧光猝灭后与GO非共价结合。添加互补的ssDNA将标记的DNA从GO表面分离并恢复荧光。FRET冲击还与荧光素分类的ATP适体一起用于检测低至10μM的ATP。叶酸功能化GO作为用于检测人类宫颈癌和人类乳腺癌细胞的系统中的元素。