碳点(Carbon Dots,简写为CDs)作为碳纳米材料家族的新秀,它的尺寸一般小于10 nm,主要以sp2杂化的共轭碳为核,表面有大量含氧或其他杂原子的有机基团,具有类似于“核-壳”式结构。碳点除了具有荧光量子产率高、光稳定性好、能抗光漂白等良好的光学性能之外,还有表面易修饰、毒性低、生物相容性好和制备成本低等优异的特性。近年来,随着对碳点研究的逐步深入,其应用领域也得到了不断地拓展,目前,碳点在光催化、生物成像、肿瘤光动力治疗和光热治疗等领域都得到了广泛的应用。本论文通过聚丙烯酸原位聚合碳化法合成了铜掺杂碳点,探索了该碳点在生物显影和光动力治疗中的应用;利用小分子有机物,通过微波热解法合成了氟、氮双掺杂碳点,其与铁离子络合形成稳定的络合物,研究了该络合物的磁弛豫率、细胞毒性及其作为造影剂在核磁共振成像(MRI)中的应用;此外,以天然高分子为碳源,通过高温热解法合成了具有良好显影效果的两亲性碳点,并研究了该碳点与无机半导体纳米复合物在紫外-可见-近红外光照下催化降解有机污染物的能力。论文的主要研究内容及研究结果如下:(一)以丙烯酸与硝酸铜为前驱物,通过原位聚合法制备了铜与聚丙烯酸的络合物;再以此为原料,通过高温热解碳化法(400℃C,90 min)制备了铜掺杂碳点(Cu-CDs)。利用透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和荧光发射光谱(PL)等手段,对所获得的Cu-CDs的形貌、结构和荧光性质等进行了表征,发现:(1)Cu-CDs的铜掺杂量为0.51 At.%(原子比),其碳核具有类石墨化的结晶结构,平均粒径为2.8 nm;(2)Cu-CDs的水溶液在紫外灯照射下发出明亮的绿色荧光,其荧光发射行为具有激发光依赖性。对Cu-CDs在生物显影和光动力治疗中的应用进行了如下研究::(1)以HeLa细胞(人宫颈癌细胞)为二维(2D)模型以及SH-SY5Y(人神经母细胞瘤细胞)多细胞球体为三维模型(3D MCs),利用荧光显微镜和激光共聚焦显微镜(CLSM)观察Cu-CDs的生物显影效果。结果显示在405 nm激发光下,2D细胞和3D MCs均呈现明亮的绿色荧光,表明Cu-CDs具有良好的细胞显影效果;(2)利用电子自旋共振波谱(ESR),对Cu-CDs在光诱导下产生单线态氧(1O2)的能力进行定性研究。结果表明Cu-CDs在光照下能产生较强的1O2信号;(3)以玫瑰红(RB)作为参比,9,10-蒽二酰双(亚甲基)二芦荟酸(ABDA)为捕获剂,利用UV-Vis对光诱导Cu-CDs产生1O2的能力进行定量表征,通过计算得到Cu-CDs的1O2量子产率高达36%;(4)选取HeLa细胞为模型,利用MTT法(四甲基偶氮唑盐比色法)检测不同浓度的Cu-CDs在同一光照条件下、以及相同浓度的Cu-CDs在不同光照时间下的细胞存活率,发现在同一光照下Cu-CDs杀死HeLa细胞的效果具有浓度依赖性,而且光照时间越长,Cu-CDs杀死细胞越多。此外,还发现Cu-CDs在光照条件下能够更有效地抑制3D MCs的生长。上述结果表明成功制备了兼具细胞显影和光动力治疗功能的铜掺杂碳点。(二)以葡萄糖为碳源,左氧氟沙星为掺杂剂,通过微波热解法合成氟、氮双掺杂碳点(F,N-CDs),通过TEM、XPS、UV-Vis吸收光谱和PL光谱等对该碳点的形貌、结构和荧光性质等进行了表征,发现:(1)F,N-CDs的平均粒径为1.7 nm,内部为结晶碳核,表面具有大量含F,N和O的有机基团,其中氮掺杂量为8.3 At.%(原子比),主要以吡啶类氮、吡咯类氮和石墨化氮的形式存在;氟掺杂量为3.3 At.%(原子比),主要以C-F键形式存在;氧掺杂量为22.65 At.%(原子比),主要以羟基、羧基的形式存在;(2)F,N-CDs具有很好的亲水性,其水溶液在紫外光照射下发出明亮的绿色荧光,且具有较高的绝对荧光量子产率(QY=22.98%);(3)F,N-CDs具有很好的离子选择性,能够与Fe3+形成稳定的络合物(Fe3+@F,N-CDs),络合常数高达1.06X 107,当Fe3+的络合浓度低于0.3 mM时,络合物仍然呈现出较强的绿色荧光。对Fe3+@F,N-CDs的磁弛豫率、细胞毒性及其在MRI中的应用进行了如下研究:(1)在1.5 T的核磁共振分析仪(NMR)上测得Fe3+@F,N-CDs具有较高的纵向弛豫率(r1=5.79 mM-1.s-1),该数值与商用造影剂Gd-DTPA的r1值相当;(2)以HeLa细胞为模型,MTT测试结果显示F,N-CDs具有很低的细胞毒性。更重要的是,Fe3+@F,N-CDs也表现出较低的细胞毒性;(3)以HeLa细胞为模型,在1.5 T NMR上测得Fe3+@F,N-CDs具有很低的纵向弛豫时间(T1),并展现出良好的体外细胞MRI效果;(4)以4T1细胞(小鼠乳腺癌细胞)为肿瘤模型,将其接种到Balb/c小鼠臀背部,构建动物模型,利用1.5 TNMR对材料在小鼠体内分布进行研究,另外在1台3.0 TNMR上进行活体MRI研究。研究结果表明,Fe3+@F,N-CDs能够在15分钟内快速在小鼠的肝脏和肿瘤部位富集,并且展现出较好的活体MRI效果。此外,以HeLa细胞为模型,研究了Fe3+@F,N-CDs的细胞显影效果,CLSM结果显示Fe3+与F,N-CDs络合物的细胞显影效果略逊于F,N-CDs,但仍优于CDs和Fe3+@CDs,表明Fe3+@F,N-CDs络合物有可能用于磁共振/荧光双模式成像。(三)以天然高分子玉米芯为碳源,通过在空气气氛下热解(350 ℃,90 min)得到表面既含亲水性基团又有亲脂性基团的两亲性碳点(C-CDs)。通过通过TEM、XPS、UV-Vis吸收光谱和PL光谱等对该碳点的形貌、结构和荧光性质等进行了表征,发现:(1)C-CDs的平均粒径为2.48 nm,氧掺杂量高达22.48 At.%(原子比),主要以羟基、羧基和等高分子残基的形式存在;(2)以硫酸喹啉为参比,测得C-CDs在水中的QY(相对荧光量子产率)高达61%;(3)C-CDs水溶液的PL具有激发光依赖性、浓度依赖性和pH值依赖性,并且对金属离子(Fe3+)识别具有选择性,可用于金属离子荧光检测。对C-CDs进行了以下应用研究:以HeLa细胞为模型,利用CLSM观察发现在不同激发光下,C-CDs在细胞中均发出明亮的荧光,呈现出较好的细胞显影效果。此外,该碳点能够与Bi2S3复合得到一种全光谱光催化剂。以上结果表明由天然高分子制得的C-CDs既是一种良好的金属离子检测试剂,又是很好的细胞显影剂,还能够与无机纳米材料复合用于光催化降解水体环境中的有机污染物。