石墨烯(Graphene)因其独特的结构、巨大的比表面积、电子和机械性能等特点,近年来引起了人们的极大关注并在各个领域得到了广泛应用。本论文主要在多功能石墨烯复合材料的设计、制备及其在生物成像方面开展了系列研究。首先通过增大石墨烯和量子点之间的距离和钝化量子点表面的方法,有效避免了石墨烯对量子点的荧光猝灭作用,制备了两种具有优异荧光性质的石墨烯-量子点复合物,并将其应用于肿瘤细胞荧光成像和治疗等。另外,采用在石墨烯表面原位生长β-FeOOH纳米棒的方法,极大地提高了以β-FeOOH纳米棒为基质的复合材料在磁共振成像中的弛豫性能,所得的新型复合材料在体外细胞和活体小鼠肝脏的磁共振成像中都展示了较好的成像效果。具体研究工作包括：1、制备了石墨烯量子点(Graphene-QDs)纳米复合物,研究了其作为荧光成像探针在体外癌细胞影像学中的应用。为使石墨烯量子点复合物具备优异的荧光性能,能够应用于细胞荧光成像,本研究以石墨烯为平台,以聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚乙烯亚胺(PEI)为媒介,通过静电作用将牛血清白蛋白(BSA)包覆的量子点组装在石墨烯上。实验中采用紫外可见吸收光谱、荧光光谱、圆二色光谱、X射线光电子能谱、高分辨透射电镜等对复合材料进行了表征。所制备的Graphene-QDs复合物具有良好的水溶性和生物相容性。荧光光谱和体外活细胞荧光成像结果表明经BSA包覆后量子点的荧光性好,将BSA作为石墨烯和量子点之间的桥梁有效地保持了二者间的距离,并在一定程度上阻止了石墨烯对量子点的荧光猝灭,从而使Graphene-QDs复合物可作为荧光成像探针用于细胞成像。3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2,5-二苯基四氮唑溴盐(MTT)方法检测结果表明Graphene-QDs复合物的细胞毒性小,其浓度达到360μg mL-1时细胞的成活率仍在90%以上。2、制备了石墨烯核壳量子点(Graphene-HQDs)纳米复合物,研究了其在生物成像、示踪以及监测药物输送方面的应用。为实现对石墨烯药物载体的定位并监测其药物释放情况,通过静电作用将制备的杂化硅层包覆的核壳量子点(HQDs)组装在石墨烯的表面,所得到的Graphene-HQDs纳米复合物的量子产率为12%,荧光寿命为8 ns。该复合物在H2O、PBS、NaCl、BSA溶液和细胞培养基DMEM等生物介质中都能稳定分散,且其荧光性能不受溶液和生物介质等环境的影响。HQDs表面的杂化硅层不仅能保护量子点的荧光不被石墨烯猝灭,而且其化学惰性和良好的生物相容性减小了Graphene-HQDs纳米复合物的细胞毒性。MTT方法检测结果表明Graphene-HQDs纳米复合物对人正常细胞HEK293和人宫颈癌细胞Hela均具有较小的细胞毒性。通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)偶联反应实现了Graphene-HQDs与转铁蛋白(Trf)的连接。所得的复合纳米材料(Graphene-HQDs-Trf)可通过π-π堆积的方式负载抗癌药物盐酸阿霉素(DOX),其负载量达到1.4 mg mg-1,负载后的药物可通过调控pH来进行缓释。高效液相色谱结果表明药物负载和释放过程对DOX结构无影响,没有药物衍生物生成。将DOX-Graphene-HQDs-Trf与Hela细胞孵育,实现了对癌细胞的靶向识别成像和治疗,并根据DOX和Graphene-HQDs-Trf发射荧光颜色的不同实现了对石墨烯复合物载体释放药物过程的追踪和监测,从而建立了靶向治疗-诊断现象双重纳米载体系统。3、制备了GO-PEG-β-FeOOH纳米复合物,研究了其在荧光和磁共振二元成像以及药物输送方面的应用。为解决β-FeOOH纳米棒横向弛豫r2值低、磁共振成像效果差的问题,本研究将β-FeOOH纳米棒原位生长于PEG修饰的石墨烯表面,并采用穆斯堡尔谱、X射线衍射、振动磁强计、X射线光电子能谱、高分辨透射电镜、原子力显微镜等手段对GO-PEG-β-FeOOH进行表征。GO-PEG-β-FeOOH纳米复合物在H2O、PBS、BSA溶液和细胞培养基DMEM等生物介质中都能稳定分散,在高浓度情况下无团聚发生。GO-PEG-β-FeOOH的横向弛豫r2值为303.81 mM-1 s-1,是目前横向弛豫能力最强的FeOOH基材料磁共振造影剂。优异的横向弛豫能力使GO-PEG-p-FeOOH在小鼠活体内和体外活细胞的磁共振成像中都得到了较好的成像效果。该复合物的细胞毒性小,当复合物中Fe的浓度达到1.0 mM时,Hela癌细胞和人正常细胞HEK293的成活率均保持在90%以上。GO-PEG-p-FeOOH复合物对药物DOX的负载量为1.35 mg mg-1,并可通过pH值响应性缓释药物高效地杀灭癌细胞。因此,GO-PEG-β-FeOOH复合物可作为光学成像、横向磁共振成像的二元分子探针和高效的药物输送载体。