碳基荧光纳米材料由于其具有独特的化学稳定性和光稳定性,较低的生物毒性,良好的生物相容性,使其在更多的领域比有机荧光染料、半导体量子点、荧光蛋白等具有更好的潜力和发展空间。在众多的碳基纳米材料种类中,碳量子点（Carbon Dots,CDs）是一种粒径小于10nm的碳基纳米材料新星,由于其具有制备成本低廉、合成方法简单并且表面易修饰、激发发射可调等优点受到了广大学者的关注。目前,研究者围绕提高发光性能、探究发光机理等角度出发已经做出大量研究。实验表明杂原子的掺杂可使碳量子点表面赋予更多的基团,能够有效提高碳量子点的光学性能,此外,在此基础上进行金属元素的掺杂可赋予碳量子点更多的特性,使碳量子点功能化。本学位论文是在前人研究的基础上,以对碳量子点在多领域应用的潜能为研究对象,主要以多种有机小分子以及天然物质为原料,采用水热法、微波法等自下而上的合成方法制备金属掺杂和非金属掺杂碳量子点,通过多种方法表征合成的碳量子点的结构组成与光学性能,分别探究碳量子点在分析检测、多模式医疗成像、光催化降解方面的具体应用。主要的研究内容如下:（1）以对氨基苯磺酸（p-ASA）和四羟甲基氯化磷（THPC）为碳源,氯化锰（MnCl2·4H2O）为锰金属掺杂源,一步水热法制备具有超顺磁性的锰掺杂碳量子点（Mn-CDs）。采用TEM、XRD、XPS和FT-IR等手段对Mn-CDs的结构进行表征,通过VSM表征了Mn-CDs具有超顺磁性。由于荧光内滤效应（IFE）,Mn-CDs的荧光可以被Mn（Ⅶ）猝灭,并且由于氧化还原作用,抗坏血酸（L-AA）可以将有色的Mn（Ⅶ）还原为接近无色的Mn（Ⅱ）,由此可以实现“on-off-on”检测Mn（Ⅶ）和L-AA。细胞毒性和细胞成像实验证明了Mn-CDs的低毒性,能够成功进入到细胞内发出绿色荧光,可进行细胞内可视化检测Mn（Ⅶ）和L-AA。此外,由于Mn-CDs具有超顺磁性,将Mn-CDs成功应用于体外核磁共振成像（MRI）中。（2）以蔗糖（Sucrose）溶液和硫酸（H2SO4）为碳源,二乙二醇（DEG）为溶剂,氯化镝（DyCl2·6H2O）和氯化镱（Yb Cl2·6H2O）分别为稀土元素掺杂源,通过简单的微波炉加热制备稀土元素镝掺杂碳量子点（Dy-CDs）和稀土元素镱掺杂碳量子点（Yb-CDs）。与没有掺杂稀土元素的CDs相比,Dy/Yb-CDs将碳量子点的激发波长从360 nm红移至368nm,而发射波长不变仍为515nm。采用TEM、XPS和FT-IR等对三个碳点的结构进行表征,通过EDS也证明了Dy和Yb的成功掺杂。细胞毒性和细胞成像实验证明了Dy-CDs和Yb-CDs的低毒性,能够成功进入到细胞内发出绿色荧光,可实现荧光成像（FI）。在对Dy-CDs和Yb-CDs医疗成像应用中发现,在核磁共振成像（MRI）领域当中Dy-CDs更适合应用于T1加权成像,而Yb-CDs更适合于T2加权成像。在CT成像领域当中,实验表明Dy-CDs和Yb-CDs都具有较好的CT成像效果,满足活体成像的条件,由于Dy更易于掺杂在CDs表面,所以Dy-CDs具有更大的HU值,成功将其应用至小鼠腿部肿瘤CT成像中。本体系所制备的Dy-CDs和Yb-CDs成功实现单一元素掺杂满足荧光、核磁、CT三模式成像。（3）以天然物质花生壳粉末为原料,加入尿素（urea）和硫酸（H2SO4）,采用一步水热法制备N、S共掺杂碳量子点（N,S-CDs）。采用TEM、XRD、XPS和FT-IR等碳量子点进行结构表征。N,S-CDs的最佳激发波长为320nm,最佳发射波长为395nm。通过固体紫外计算N,S-CDs的带隙为2.76eV。将N,S-CDs作为光催化剂,甲基橙（MO）为模型染料,在模拟太阳光的氙灯下进行染料降解实验。通过紫外光谱测定光催化降解率,考察催化剂浓度,染料浓度,光照时间以及p H环境对催化降解的影响。确定了催化降解的主要活性物质为超氧自由基（O2-）。细胞毒性实验和细胞荧光成像表明,N,S-CDs可进入到细胞内部发出蓝色荧光。这也证明了碳量子点具有在细胞内进行化学催化治疗的潜能。