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碳量子点是近十年发展起来的一种荧光纳米材料,和传统的有机荧光染料相比,具有荧光强度高、光稳定性好、耐光漂白、发射波长和激发波长可调控等优点;同时,与传统的金属量子点等已广泛使用的荧光纳米颗粒相比,又具有毒性低、生物相容性好、低分子量和小粒径等特点,在生物传感、生物成像和光催化等领域具有很好的应用前景。但是,目前荧光碳量子点在制备和实际应用中,仍存在荧光量子产率偏低,应用范围不宽等亟待解决的问题。为此,本论文研究,以不同生物质花生壳、荔枝核、荔枝壳、淀粉和简单的有机化合物柠檬酸、硫脲、乙二胺等为原料,采用杂原子掺杂策略,提高碳量子点的荧光产率。通过热解、水热等一步法制得了荧光量子产率高的杂原子掺杂碳量子点,并对制备的荧光碳量子点在生化检测、生物成像、光催化、药物输送和光动力学治疗等方面的应用进行研究,具体内容如下:1.以生物质花生壳作为前驱体,一步热解法制备了一种平均粒径为1.6 nm的水溶性氮掺杂荧光碳量子点(N-CDs)。通过透射电镜、X射线光电子能谱、X射线衍射、红外、紫外、荧光光谱等手段对得到的荧光碳量子点的形貌、结构和荧光性质进行了表征。同时,一系列实验证明该N-CDs具有良好的水溶性,pH耐受性,一定的抗盐性,抗光漂白性,生物相容性好,细胞毒性低,并已应用于肝癌活细胞的多色荧光成像。2.以生物质荔枝核作为前驱体,一步热解法制备了一种平均粒径为1.1 nm水溶性氮掺杂荧光碳量子点(N-CDs)。通过透射电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱、红外、紫外、荧光光谱等手段对得到的荧光碳量子点的形貌、结构和荧光性质进行了表征。合成的N-CDs荧光量子产率高(10.6%),水溶性好,生物相容性好和细胞毒性低等特点,并具有一定的抗盐性和抗光漂白性。将该荧光N-CDs应用于致癌性物质有机染料亚甲基蓝(MB)的检测,发现MB的浓度在2.0×10-7～1.0× 10-5 mol/L范围内,与N-CDs的荧光强度的降低值呈现良好的线性关系,检测限为5.0×10-8 mol/L。同时,N-CDs还可应用于肝癌活细胞的荧光成像。3.以柠檬酸和硫氰酸胺为前驱体,一步水热法合成了平均粒径为7.0 nm的水溶性硫、氮二元掺杂荧光碳量子点(S,N-CDs),通过控制水热反应的时间、温度和物质量比,可使该碳量子点的荧光量子产率高达74.2%。将其应用于活细胞的多色荧光成像和活细胞中盐酸强力霉素的检测,发现S,N-CDs的荧光能够被盐酸强力霉素特异性猝灭,且S,N-CDs的荧光猝灭值与盐酸强力霉素的浓度在0.08～60 μmol/L(0.037～28 μg/mL)之间呈良好的线性关系,检测限为20 nmol/L(～0.009 μg/mL)。特异性实验证明,该传感体系可以用来区分盐酸强力霉素与不同的抗生素或生物分子,为分析复杂样品中盐酸强力霉素提供了一个准确的方法。4.以硫、氮共掺杂荧光碳量子点(S,N-CDs)为荧光探针,建立了荧光法检测水中游离氯的新技术。对该技术的各项条件包括S,N-CDs的浓度、响应时间、溶液的pH值进行了优化,提出了可能的反应机理:游离氯强烈的氧化作用能够毁坏S,N-CDs表面的钝化层,由于氧化作用形成没有荧光的基态复合物而导致荧光静态猝灭。该方法可作为检测水中游离氯的有效手段,在最佳条件下,线性响应范围为0.01～100 μmol/L,检测限达到5 nmol/L,该方法已应用于检测桂林当地自来水、体育馆游泳池水中的游离氯,方法简单,结果准确,回收率为:91.3～106.2%。5.以柠檬酸、硼酸、硫脲和乙二胺为原料,一步水热法合成了平均粒径为5.3 nm的水溶性氮、硼、硫三元掺杂的超亮荧光碳量子点(N,B,S-CDs)。该碳量子点的荧光量子产率高达92.6%,具有较低的细胞毒性和优良的生物相容性,已将N,B,S-CDs应用于活细胞多色荧光成像。同时,研究了 N,B,S-CDs在模拟太阳光照射下,降解罗丹明B(RhB)的的能力,结果表明N,B,S-CDs可以利用可见光催化降解RhB,在可见光下照射90min,降解率可达到98%,几乎完全降解。依据反应条件提出了催化降解机理:N,B,S-CDs吸附RhB后,在可见光照射下,N,B,S-CDs表面的空穴、电子与表面吸附的H202反应,产生具有强氧化性的·OH和O2-将RhB降解。6.以生物质淀粉为原料,在磷酸和硝酸存在下,通过低温(60℃)水热法合成了一种氮、磷二元掺杂的绿色荧光水溶性碳量子点(N,P-CDs),并测得该碳量子点的荧光量子产率为27.0%。该N,P-CDs的表面经牛血清蛋白修饰后,与叶酸(FA)和抗癌药物阿霉素(DOX)结合,将其功能化。利用FA作为导航分子,识别癌细胞,载运DOX至癌细胞内并释放。测得其载药效率为90.9%,在微酸性环境下药物释放率在48 h达到63.9%。同时,激光共聚焦显微镜成像分析结果显示,N,P-CDs-FA及N,P-CDs-FA-DOX具有靶向识别癌细胞特性,对正常细胞几乎没有响应。表明该碳量子点功能复合物在抗癌药物输送及癌细胞成像方面具有靶向作用。7.以生物质荔枝外壳为前驱体,一步热解法制备了一种水溶性氮掺杂荧光碳量子点,经聚氧乙烯二胺修饰后,连接光敏剂二氢卟吩e6和导航分子转铁蛋白(Tf),合成了具有近红外荧光发射的功能化氮掺杂碳量子点。利用该碳量子点的特殊光学性能和Tf的高特异识别能力,发展了一种简便的、特异性的识别肿瘤细胞并进行光动力学治疗的新方法。该方法利用Tf的靶向功能,通过转铁蛋白受体介导的内吞作用进入肿瘤细胞,通过光敏剂荧光检测和光动力学疗法进行诊断和治疗恶性肿瘤,实现了对肿瘤组织的靶向荧光成像和光动力学治疗,疗效显著。