石墨烯量子点是指一类横向尺寸小于20纳米，纵向为一个或少数几个原子层厚度的sp2杂化碳纳米材料，除碳元素外，通常还含有羟基、羧基等含氧官能团，水溶性非常好。与石墨烯的电子结构不同，石墨烯量子点中的π电子在各个方向上的运动受到限制，使其具有能隙和荧光特性;而且石墨烯量子点具有优异的荧光稳定性，不易发生光漂白，由于不含重金属，易溶于水，其生物相容性也非常好。这些良好的性质使其相对于传统有机染料和半导体量子点在生物成像、荧光免疫分析等生物医学研究领域更具发展潜力，受到科学研究人员的广泛关注。但是，目前石墨烯量子点在生物医学领域的应用研究还存在如下问题:作为荧光探针用于生物成像时，需要位于紫外或可见光区的短波长光激发，导致光毒性较高、生物组织成像深度浅;其生物医学应用研究处于初期阶段，主要集中在传统的单光子荧光成像和传感领域，在其它疾病治疗领域的研究还较少，有待进一步拓展;此外，石墨烯量子点的毒性研究大多处于细胞水平，缺少对其在复杂生物体内的安全性研究。　　本论文研究工作主要围绕石墨烯量子点的功能化及其生物应用展开，以生物应用为导向，通过合适的手段对石墨烯量子点进行功能化来调控其组成和结构，进而提升或丰富其性能，使其满足特定生物医学应用的要求，并从生物个体水平评价了石墨烯量子点的生物安全性，进一步探讨了其组成或结构与性能之间的联系，阐明相关的光学、生物活性等机制。　　首先，我们通过元素掺杂对石墨烯量子点的能带结构和发光性能进行了调控，并针对目前石墨烯量子点在生物荧光成像领域研究中因所需激发波长短而导致的光毒性高、组织成像深度浅的问题，首次研究了石墨烯量子点在长波长近红外激光作用下的非线性光学性质以及其作为双光子荧光探针在活细胞和生物组织双光子荧光成像中的应用。以氧化石墨烯为前驱体，N，N-二甲基甲酰胺为氮源和溶剂，发展了一种简单快捷的一步溶剂热法制备氮掺杂石墨烯量子点(N-GQD)。荧光机制分析表明，氮元素以烷基氨的形式掺杂键联到N-GQD的芳香环上，烷基氨上的氮原子到N-GQD的π共轭结构存在分子内电荷转移，使电子离域程度增加、荧光红移并使双光子吸收进一步增强，双光子吸收截面高达48000 GM，与半导体量子点相当。N-GQD优异的光稳定性和良好的双光子荧光性能，使其在长波长近红外激光照射下，对活细胞和生物组织模型具有非常好的双光子荧光成像效果，组织穿透深度可达到1800微米，而小鼠大脑皮层血管的深度在1000微米左右，N-GQD有望实现对小鼠血脑部血管的荧光造影，在疾病诊断领域具有潜在应用价值。　　其次，我们将上述具有高双光子吸收截面的N-GQD与光敏剂竹红菌甲素(HypocrellinA，HA)相结合，构建了一种石墨烯量子点/光敏剂复合体系，发现引入N-GQD后，HA在水中的分散性和产生单线态氧的能力得以提升，而且N-GQD与光敏剂HA之间有较好的荧光能量共振转移，利用N-GQD较强的双光子吸收，可实现传统光敏剂光动力学治疗波长的红移，使原本只能被可见光敏化的竹红菌甲素在近红外激光照射下可有效产生单线态氧，对肿瘤细胞有较好的杀伤效果。为推动石墨烯量子点在生物医学领域应用的发展，进一步从生物个体水平上以秀丽线虫为模式生物评价了石墨烯量子点的毒性，利用N-GQD的荧光特性，通过荧光成像发现N-GQD主要分布在线虫的肠道中，不会发生向其它二级器官如神经元和生殖器官的迁移，也不会向子代传递，具有较高的生物安全性。　　最后，我们通过氨基酸功能化的方法，将手性结构引入到石墨烯量子点中，发展了一种基于D-Glu功能化的手性GQD的选择性抗菌策略，所制备的D-Glu-GQD可以有效杀死革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌，但对哺乳动物细胞的生长和增殖没有影响。细胞水平实验结果证实D-Glu-GQD主要影响细胞壁的完整性。进一步通过分子动力学模拟和分子水平实验深入研究了D-Glu-GQD的抗菌机制，证实了D-Glu-GQD能与细菌细胞壁中肽聚糖合成途径中涉及的MurD连接酶结合并显著抑制其活性，阻碍肽聚糖的合成，进一步导致细胞壁合成受阻，最终达到杀死细菌的目的;而且，我们还发现石墨烯量子点的手性与抗菌活性之间密切相关，这与靶点蛋白酶的立体选择性有关系。此外，圆二色光谱证实所引入的D-/L-Glu不仅保留了自身光学活性信号，还诱导石墨烯量子点上的sp2碳结构域产生了基于π-π*电子跃迁的光学活性，使其在生物传感及手性识别等领域具有应用前景。