本论文采用选择性氧化剂HNO₃/HClO₄对石墨化炭材料进行选择性氧化,制备出具有不同光致发光颜色的碳量子点,并通过表面化学修饰进一步提高了它的荧光性能。采用X射线晶体衍射仪、拉曼光谱仪、高分辨透射电子显微镜、固体核磁共振波谱仪、傅里叶变换红外光谱仪和X射线光电子光谱仪对碳量子点的微观结构和表面化学性质进行了表征,采用紫外可见光分光光度计、荧光光谱仪和瞬态荧光光谱仪研究了碳量子点的光学性能。另外,我们还探究了这些碳量子点在荧光探针和生物成像中的应用价值。活性炭是由大量类石墨微晶单元被无定型碳连接而成的碳材料,通过对其进行1500℃-2500℃的高温热处理,可以使其内部的无定形碳逐渐转化为微晶碳,并且类石墨微晶的尺寸随热处理温度的增加而逐渐变大,结构也变得更加有序。将这些不同结构的碳材料用HNO₃/HClO₄进行选择性氧化后可以得到碳纳米晶体即碳量子点,活性炭的石墨化程度对制备而成的碳量子点的微观结构和表面化学结构有着重要的影响。用较高石墨化程度活性炭所得的碳量子点拥有较大的尺寸和高度有序的sp²杂化碳层平面,并且有相同种类的表面官能团和较多的羧基。采用石墨化程度较高的活性炭制备而成的碳量子点的荧光发射光谱峰的位置发生了蓝移,并且拥有较高的量子产量,但荧光寿命却有所降低。由石墨化程度较高的活性炭得到的碳量子点拥有较大的尺寸和更加完整的共轭体系,能够促进碳量子点表面电子的辐射-重组,从而减轻了荧光自吸收淬灭现象。另外,由原料活性炭制备而成的碳量子点的荧光强度对pH值的敏感度较高,在酸性溶液中稳定性较好,在高碱性的溶液中会导致羧基中的氢键发生相互作用而发生荧光淬灭现象。由化学氧化法制备的碳量子点表面拥有较多的表面缺陷,通过硼氢化钠还原、用腺嘌呤进行表面修饰和用3-巯基丙酸进行表面修饰可以改变碳量子点的表面化学结构,减少表面缺陷,从而提高碳量子点的荧光性能。同时U-CQDs经过表面还原后对pH值的耐受性增加,使其在碱性较高的溶液中依然有一定的荧光强度。另外,拥有高度有序碳层平面的2000-CQDs经过表面还原后可以进一步减轻荧光自吸收淬灭作用。由原料炭制备而成的碳量子点能够作为铜离子和高锰酸钾的荧光探针,同时这些碳量子点对细胞的毒性较小,能够成功的应用于体外细胞成像实验。