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传统的有机室温磷光材料大多含有咔唑、萘、蒽等芳环或芳杂环等大π共轭体系。而非典型室温磷光化合物的结构通常含有N、O、S、P等杂原子及相应的组合功能团,如羟基、胺基、酯基、酐、酰胺、脲基、肟基、砜基等。非典型发光化合物具有易修饰、制备简单和生物相容等优点,因此在防伪、加密和生物成像等领域具有良好的应用前景,但此类材料的磷光发射一般集中在绿光区域,磷光寿命较短,大大限制了其应用。目前,大幅度调节非典型磷光化合物的波长及提高其寿命的案例比较少,解决以上难点而推进其广泛的应用具有较大的挑战。近年来提出的簇聚诱导发光机理（CTE）和结晶诱导发光机理（CIP）机理,为我们调控磷光的发射提供了理论指导。纤维素纳米晶（CNC）具有结晶度高、氢键网络丰富、比表面积大等特性,且内部含有大量的羟基基团,是理想的非典型室温磷光材料。同时,CNC内部排列紧密的晶胞结构,为我们利用结构调控磷光发射的行为并探究其机理给予了帮助。一直以来,在纺织染整领域中产生出的大量棉、麻等纺织废弃物以及染料合成过程中废弃的中间体化合物,对生态环境造成破坏,棉、麻等均为制备CNC的原材料,如果能将CNC作为发光材料应用在高级的加密防伪中,则将大大提高废弃棉、麻纤维的利用率。本文以纤维素纳米晶为研究对象,首先通过压片、成膜的方式,改变其分子堆积密度,达到对磷光寿命的调控;其次,利用染料合成过程中的各类芳香酸中间体,将它们接枝到CNC表面,制备出具有不同磷光发射波长和寿命的衍生物,并将它们应用到防伪、加密中。然后通过单晶结构分析以及理论计算,探究改性后的CNC的光致发光性质,特别是它们的磷光发射机理,为高效、超长寿命室温磷光化合物的制备提供了一种新的简便方法。同时,以上研究结果还进一步证明了CTE机理和CIP机理的合理性。本文主要内容是:1、采用浓硫酸水解法制备出CNC粉末,并制备出CNC压片和膜,获得了三种不同分子堆积密度的CNC材料,经测试分析,CNC压片的分子堆积密度最大,膜的分子堆积密度最小,然后对这三类CNC材料的光物理性质进行研究,结果表明在受到同一波长的紫外灯激发后,不同分子堆积密度的CNC具有不同寿命的磷光发射,其中压片的磷光发射寿命最长,而膜的磷光发射寿命最短。同时,荧光光谱和磷光光谱也显示,在同一激发波长下,CNC的主发射峰随着分子堆积密度的增大发生了红移,且肩峰的发射强度也随之产生变化。以上研究表明,不同分子堆积密度的CNC中具有不同发射能力的发射中心,且其磷光寿命随着分子堆积密度的增大而增加,进一步说明了分子密度的增加有利于磷光的发射。通过构建不同的分子堆积密度,获得不同磷光发射寿命的材料,并将其成功应用到高级加密防伪中。2、为了解释分子堆积密度对CNC磷光发射寿命的影响,对三种CNC的单晶结构进行分析和理论计算,结果表明纤维素单分子周围具有大量的O…O相互作用,而压片内O…O相互作用最多,膜内O…O相互作用最少。说明分子堆积密度的增大,缩短了氧原子间的距离,形成了更多的O…O相互作用,同时也存在更多的O…H相互作用,具有更高的刚硬化环境,加强了其磷光发射。同时,压片的最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占分子轨道（LUMO）的轨道能级差最小,电子-空穴的库伦吸引能最弱,S1和T1能级最低,说明其内部电子最容易受到激发而产生跃迁,也最容易从激发态回到基态;且压片的自旋耦合系数（SOC）最大,可以产生更多的三线态激子,有利于其室温磷光（RTP）发射。单晶分析和理论计算进一步解释了分子堆积密度对CNC发光行为的调控行为。3、为了进一步制备出具有明显磷光发射颜色变化的CNC材料,将具有不同共轭结构的芳香酸:1-芘甲酸（PCA）、1-萘甲酸（NA）、4-苯基苯甲酸（BCA）和对氨基苯甲酸（PABA）,接枝到CNC表面,制备出不同种类的CNC衍生物。通过对它们的发光性质研究,结果表明,经过不同共轭结构的芳香酸的接枝改性,CNC的磷光颜色和寿命发生了显著的变化。其磷光发射峰发生了明显的偏移。具有最大芳环结构的1-芘甲酸改性后的CNC,其磷光发射发生了最大程度的红移,而芳环结构最小的对氨基苯甲酸则产生了最大程度的蓝移。说明不同的共轭结构对改性后CNC衍生物的磷光发射产生了不同的影响。4、CNC衍生物分子的理论计算结果显示,改性后CNC的HOMO、LUMO电子云密度和电子-空穴都主要分布在芳香酸分子基团表面,说明其受到激发时产生的电子跃迁主要来自于芳香酸分子基团。同时,芳香酸分子溶液在77k下的磷光颜色与其改性的衍生物的磷光颜色也非常相似,进一步说明了芳香酸分子基团在CNC衍生物的磷光发射过程中占据了主导地位。5、CNC衍生物的HOMO-LUMO能级差及激发态能级分布显示:具有最大共轭芳环结构的CNC-PCA改性物,其HOMO-LUMO能级差最小,激发态能级最低,内部电子最容易受到激发而产生跃迁,所以磷光发射峰偏向长波长方向;而单苯环结构的CNC-PABA,其HOMO-LUMO能级差最大,激发态能级最高,激发电子产生跃迁所需的能量也较高,因此磷光发射峰偏向短波长方向。计算结果表明造成衍生物磷光颜色差异的主要原因是内部芳香酸基团的芳环结构不同,这一发现为今后多色室温磷光材料的制备及发光行为的调控提供了新的指导和方法理论依据。而具有不同磷光发射波长的CNC衍生物也被成功地组合应用于多重防伪加密领域。