碳点,是一种粒径小于10 nm的新型荧光纳米材料,具有优良的发光性能,可调的激发和发射光谱,稳定的光学性质以及优良的水溶性和生物相容性等特点,在生物化学和分析化学领域表现出巨大的应用潜力,是有机荧光染料和半导体量子点等传统荧光材料的理想替代物。本论文通过对碳点的功能化修饰(包括元素掺杂、表面钝化、复合物构建),达到提升其量子产率和调控其发光性能的目的,为高灵敏度和高选择性的生物和化学传感器的应用奠定基础,进一步拓宽碳点的合成方法和应用范围。论文第一章主要概述了碳点的制备方法、功能化方法、物理化学性质以及碳点在生物成像、生物医药、化学传感、光催化以及光电器件等方面的应用。在第二章中,以天然生物质材料-香菇为碳源,通过水热法成功制备了氮掺杂及表面氨基钝化的功能化碳点(MCDs)。在该反应过程中,无需后续处理,一步实现了碳点的碳化、表面修饰和氮掺杂。制备得到的碳点粒径约为4.2 nm,富含羟基、羧基、氨基以及吡咯氮、吡啶氮等基团,丰富的官能团赋予碳点良好的水溶性和较强的反应活性。实验表明该碳点具有生物相容性好、光稳定性和抗盐能力强的特点,且其荧光具有显著的激发依赖性,据此实现了细胞的多色成像。该碳点的荧光发射还表现出较强的pH依赖性。在pH 4-8范围内,荧光强度随着pH值增加线性降低,利用MCDs的这一性质,本研究成功地实现了细胞内pH传感,为检测细胞内生理环境变化提供了新方法。此外,研究中还利用氯化血红素能够显著猝灭MCDs的荧光建立了氯化血红素的检测方法,方法的线性范围为0.4-8.0 μmol L-1,检出限为120 nmol L-1,利用该方法实现了复杂样品如血清和药物胶囊中氯化血红素的检测。在第三章中,为提高碳点的量子产率,采用表面钝化方法对碳点进行了修饰。首先通过水解缩合3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)的方法制备了八氨丙基倍半硅氧烷(OA-POSS)。然后以丙三醇为碳源和反应溶剂,OA-POSS为钝化试剂,一步法合成了氨基表面钝化的碳点(CDs/POSS)。在反应过程中OA-POSS支链上的氨基与碳点表面的羧基通过酰胺化反应结合,从而得到有机-无机杂化的碳点。该碳点粒径约为3.6 nm,水分散性好,量子产率为24.0%,是未修饰碳点的9倍。此外,CDs/POSS的荧光发射光谱表现出多元激发、多元发射的特性,抗光漂白能力强,在复杂生物基体中荧光性质稳定。CDs/POSS优良的性质为其在生物方面的应用奠定了基础。基于此,本实验将其应用于HeLa细胞和MCF-7细胞的成像研究中。结果表明,该碳点的细胞毒性低、生物相容性好,在生物成像领域表现出良好的应用前景。在第四章中,基于4-氯-7-硝基-2,1,3-苯并氧杂恶二唑(NBD-C1)与碳点表面氨基间的亲核取代反应,制备了新型的CDs@NBD复合物。除了碳点原有的λex/λem=360/443 nm特征发射中心外,复合物在λex/λem=460/544 nm处出现了新的发射中心。该复合物的荧光可被对苯二胺猝灭,经过系统研究,我们确定猝灭机理是静态猝灭。基于这一现象,以CDs@NBD复合物为荧光探针,构建了对苯二胺的荧光检测方法,该方法的线性范围为 0.1-1.0μmolL-1 和 1.0-10.0μmol L-1,检出限为 56 nmol L-1,精密度<3%(1.0μmol L-1)。同时,环境样品和生物样品中的共存物质不会对对苯二胺的测定造成影响,实现了环境和生物样品中对苯二胺的定量测定。此外,根据加入对苯二胺后CDs@NBD的颜色变化情况,在一定浓度范围内还可实现对苯二胺的半定量可视化检测。