碳纳米材料如碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、碳量子点等在催化、储能、传感等领域具有重要应用前景,引起了人们广泛关注。但是,目前针对碳纳米材料的合成方法往往比较复杂,且针对性较强,大多数方法往往针对于特定形貌的碳纳米材料,很少有一种普适的方法可以适用于合成多种形貌的碳纳米材料。碳纳米材料家族的新成员—碳量子点,具有高荧光量子产率、光稳定性好、生物相容性好、毒性低等特点,广泛应用于生物成像,传感分析等领域。然而,碳量子点发光原理仍存在很大的争议,并且由于量子限域效应的制约,碳量子点往往存在不利于生物成像应用的蓝移现象。因此,无论从理论研究还是实际应用出发,开发制备多种形貌碳纳米材料,包括碳量子点、碳纳米片、碳纳米棒等的新方法都具有重要的研究意义。除此之外,N掺杂是一种有效的改善碳纳米材料结构和性质的有效方式,g-C₃N₄是一种具有类石墨结构的本征态发光性质的氮化碳材料,也是自上而下制备氮掺杂碳纳米材料的理想前驱体。但是,目前关于g-C₃N₄的研究多限于催化、光电等领域,利用其本征发光性质应用于成像等领域的研究还非常少。为此,本论文开展了氮掺杂碳纳米材料的可控制备、氮掺杂碳点的信息加密及细胞成像应用研究等研究工作。1.以450 ℃热聚合的氮化碳（CN450）为前驱体,开发了一种自上而下热剪裁制备氮掺杂碳纳米材料的新方法。通过在高温条件下热剪裁前驱体,借助载气将剪裁得到的氮化碳纳米片段通入不同极性的收集溶剂,利用溶剂对氮化碳纳米材料进行选择、钝化、功能化和收集。经过进一步的分离提纯得到形貌均一的氮化碳纳米材料。研究发现前驱体的种类及聚合程度、热剪裁程序、收集溶剂的极性等因素对所制备的氮掺杂碳纳米材料的形貌和发光行为都具有显著的影响。通过调控以上条件,可实现多种形貌和多种发光特性的氮化碳纳米材料的制备。通过TG-MS等手段对热剪裁产生的小分子进行分析,并推理得到合理的热剪裁机理。2.用热剪裁法制备得到量子点材料如CNQDs-H₂O及CNQDs-DMF具有优异的荧光性质,并且与体相材料CN450相比,二者的荧光发射不仅没有蓝移,还表现出少见的红移现象。这一发光行为的变化是十分罕见的,为了探究此行为背后的原因,我们利用XRD、FT-IR、XPS、EA等分析手段对CN450、CNQDs-H₂O、CNQDs-DMF的结构和组成进行了深入分析,发现碳、氧的含量以及被溶剂钝化后表面新增的含氧官能团对发光红移具有重要贡献。最后,利用CNQDs-H₂O与Cu²⁺、EDTA构成的荧光淬灭、恢复现象,使其荧光恢复这一现象构建了双层信息加密解密策略。除此之外,利用CNQDs-H₂O生物相容性好、细胞毒性低、光稳定性好且能够对溶酶体进行特异性识别标记等优点,我们将其成功应用于溶酶体成像。并且与商业化溶酶体荧光探针Lyso-Tracker Red相比,CNQDs-H₂O探针表现出更优异的光稳定性,更适用于溶酶体长时间实时成像。