碳量子点（CDs）作为一种直径小于10 nm的球形新型荧光纳米发光材料,与其它量子点相比具有优异的光学性质、易于官能化和制备、良好的水溶性、低毒性、表面容易修饰等诸多优点,在很多领域有广泛的应用,成为了近年来纳米材料研究的热点。但是,环境生物样品的复杂化,对CDs的灵敏度,特异性和准确性有着越来越高的要求,在分析应用中面临很多的挑战,量子产率低,表面基团的缺乏,荧光强度受干扰因素多,导致对目标检测物识别能力低,准确性不高,特异性结合能力有一定的局限性。目前,许多学者用掺杂来改善CDs的光学性能和电子性能。特别是金属元素的掺杂,与很多非金属元素掺杂相比,具有更大的原子半径,优良的电子迁移率,从而极大地改变了CDs的理化性质。基于此,本论文利用水热法通过掺杂金属元素制备了三种性能不同的CDs,构建了三个用于环境生物样品分析的传感器并进行了生物成像研究。主要研究内容如下:1.一锅水热法合成了具有独特光学性能的Mg掺杂碳量子点（Mg-CDs）,通过透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等技术进行了表征,同时用荧光和紫外光谱对Mg-CDs的光学性能进行了研究。由于镁掺杂剂以Mg2+的形式存在,金属离子首先与ATP的磷酸基团结合,导致ATP猝灭了Mg-CDs的荧光。当精氨酸存在时,精氨酸和Mg2+可以促使ATP的水解,并且精氨酸和磷酸静电相互作用具有共价稳定性,使精氨酸和ATP形成竞争性结合,导致Mg2+与ATP的磷酸基团断裂,Mg-CDs荧光恢复,据此实现了Mg-CDs对人体尿液中精氨酸的检测。在优化实验条件下,精氨酸的线性范围为0.3-130μM,检出限为0.15μM。样品加标的回收率在97%-100%之间。2.以柠檬酸、乙二胺、氯化锆为原材料采用水热法快速的合成了锆、氮共掺杂碳量子点（Zr-N-CDs）,Zr-N-CDs的量子产率高达82.7%,在水溶液中具有非常好的水溶性。通过透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等技术进行了表征,同时用荧光和紫外光谱对Zr-N-CDs的光学性能进行了研究。由于Cr（VI）的吸收峰与Zr-N-CDs的激发峰和发射峰部分重叠,引起荧光共振能量转移（FRET）,导致Zr-N-CDs的荧光猝灭。在优化实验条件下,Cr（VI）浓度在0.4-100μM范围内与Zr-N-CDs的荧光猝灭效率呈良好的线性关系,检出限为0.52μM。此外,通过使用制备的Zr-N-CDs,我们对自然水域中的铬进行了形态分析。即用过氧化氢（H2O2）将Cr（Ⅲ）氧化为Cr（VI）,测定铬的总含量,因此Cr（Ⅲ）的含量根据铬的总含量减去Cr（VI）的含量来确定。在实际自然水域中样品的加标回收率在98.35%-100.9%,重现性是1.52%-2.89%（RSD%,n=3）。结果表明,该量子点具有特别好的准确度,不具有明显的基质干扰,在水样检测中具有非常好的应用前景。根据Zr-N-CDs对人体宫颈癌细胞（He La细胞）毒性实验表明,Zr-N-CDs没有明显的细胞毒性。所以通过激光共聚焦显微镜分析确定了Zr-N-CDs在细胞生物成像中的应用。3.利用柠檬酸、乙二胺、硝酸铈为原料,采用水热法合成了铈氮共掺杂碳量子点（Ce-N-CDs）,Ce-N-CDs具有良好的水溶性及高的量子产率（QY=93.14%）。通过透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等技术进行了表征,同时用荧光和紫外光谱对Ce-N-CDs的光学性能进行了研究。基于内滤效应（IFE）将Ce-N-CDs用于四环素类（TCs）药物残留的检测,该碳量子点对四环素类（TCs）药物有很高的选择性。以四环素类成员强力霉素（DC）为代表,在优化实验条件的前提下,Ce-N-CDs的荧光猝灭效率与强力霉素（DC）的浓度在0.4-35μM内呈良好的线性关系,检出限为0.25μM。样品的加标回收率在92%-107.06%,重现性是1.05%-2.84%（RSD%,n=3）。结果说明,Ce-N-CDs具有非常好的准确性,没有明显的干扰基质,在食品监测方面有良好的应用前景。并且水热合成的Ce-N-CDs对细胞毒性很低,对细胞的活力不构成影响,研究了Ce-N-CDs在Hep G2细胞成像中的应用。