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作为碳纳米材料家族中的新成员,碳量子点不仅具有高荧光量子产率、耐光漂白、无光闪烁和发射波长可调等优良的荧光性能,还具有化学性质稳定、易表面功能化修饰、毒性低和生物相容性好等特点,引起了科学家们的极大关注和研究热情。尤其作为一种新型的发光体,碳量子点有望应用于电致化学发光生物传感的构建。迄今为止,碳量子点的合成仍需较贵的前驱体,合成条件比较苟刻,合成过程比较复杂,碳量子点的荧光量子产率很低,其发光机理的研究不够深入,对氨基酸、蛋白质、活性氧等生物分子的检测灵敏度和选择性不够理想。因此,选择价廉易得、绿色环保的前驱体制备荧光稳定性强、生物相容性好、电化学性能优异的碳量子点并揭示其发光机理,拓展其在生物分子检测领域的应用潜力,无论从理论研究还是实际应用都具有很重要的意义。此外,最新研究发现,氮掺杂的碳量子点或石墨烯量子点在氧还原反应的非金属催化剂方面具有很好的应用前景。然而,由于碳量子点或石墨烯量子点较差的导电性和较大的渗流阈值,在氧还原反应的非金属催化剂方面的应用潜能尚未被充分挖掘。综上所述,本论文开展了碳量子点的可控制备、碳量子点荧光探针及比率荧光探针的构建、碳量子点电致化学发光生物传感的构建和碳量子点氧还原反应电催化剂的制备及性能研究等四个部分的工作。1.氮掺杂荧光碳量子点的制备及其生物传感和生物成像应用研究以L-丙氨酸为碳源,乙二胺为氮源和表面钝化试剂,通过简单一步水热法制备形貌均一、单分散性好、荧光量子产率高达46.2%的氮掺杂碳量子点。L-丙氨酸浓度、乙二胺浓度、反应温度、反应时间等因素对所制备的氮掺杂碳量子点荧光量子产率有显著的影响,可通过反应参数的改变制备高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点。由MTT实验可知氮掺杂碳量子点对A549及MCF-7细胞毒性较小,对MCF-7细胞能很好的成像且对细胞的形态和存活率没有显著影响。此外,基于所制备的氮掺杂碳量子点易与NADH的环氧二醇官能团结合,使得碳量子点发生聚集而荧光猝灭,构建了线性范围为0～80μM,检测下限为25.1nM的一种新型NADH生物传感。2.碳量子点/金纳米团簇比率荧光探针的构建及其应用研究以L-丙氨酸和L-组氨酸为碳源和氮源,通过高温一步脱水碳化制备发蓝色荧光的碳量子点,作为比率荧光探针的参比发色团;以11-巯基十一烷酸(MUA)为保护剂和分散剂,通过硼氢化钠还原氯金酸制备发红色荧光的金纳米团簇,作为比率荧光探针的识别荧光团;通过酰胺化反应偶联碳量子点和金纳米团簇,首次构建了一种对Cd2+、抗坏血酸进行高灵敏和高选择性检测的碳量子点/金纳米团簇(CQDs/AuNCs)复合物比率荧光探针。基于静态猝灭和内过滤效应,CQDs/AuNCs比率荧光探针中AuNCs的荧光可被Cd2+猝灭,实现了对Cd2+检测下限低至32.5nM的高选择性检测。抗坏血酸(AA)的加入可使被Cd2+猝灭的CQDs/AuNCs荧光恢复,在一定的抗坏血酸浓度范围内(0.15～]5μM),CQDs/AuNCs纳米复合物比率荧光探针的荧光强度与抗坏血酸浓度呈良好的线性关系,其线性相关系数R=0.995,检测下限可达0.105μM。此外,该比率荧光探针对湖水中的Cd2+和人体血清中的抗坏血酸均呈现出较好的检测性能。3.基于Fe(CN)63-/4_增强碳量子点电致化学发光生物传感的构建基于Fe(CN)63-/Fe(CN)64_对碳量子点电致化学发光(ECL)信号的增强机理,首次构建了一种对生物分子谷胱甘肽(GSH)进行高灵敏、高选择性检测的固态ECL生物传感。将制备的碳量子点与吡咯衍生物(11-吡咯-1-基-十二烷基)三乙基四氟硼酸铵(A2)修饰在电极表面进行电化学聚合,两亲性的吡咯衍生物可使水溶性碳量子点牢靠的固定在电极表面;同时,聚吡咯衍生物良好的电子传导性能协同增效Fe(CN)63-/4-对碳量子点ECL信号的增强。Fe(CN)63-/4_可加速共反应试剂K2S2O8分解生成活泼自由基中间体(SO4·-),进而诱导基态碳量子点形成激发态碳量子点(C-dots*),使ECL信号增强约10倍。谷胱甘肽的巯基可与SO4·-结合,阻碍碳量子点表面空穴捕获电子,减缓或抑制C-dots*的形成,导致明显的ECL信号猝灭。基于此,该ECL生物传感对谷胱甘肽的线性范围0.1～1.0μM,线性相关系数R=0.997,检测下限低至54.3nM。4.氮掺杂碳点/氧化石墨烯纳米复合电催化剂的制备及性能研究通过一步水热碳化柠檬酸、尿素和氧化石墨烯制备氮掺杂碳点/氧化石墨烯(N-Cdots/GO)纳米复合材料,并将其作为一种非金属催化剂应用于电催化氧还原反应。作为一种含氮的桥联分子,尿素可以通过酰胺化反应将柠檬酸固定在二维的GO表面或边缘及褶皱部分;在高温高压下,GO表面大量的柠檬酸和尿素经酰胺化脱水形成的聚合物中间产物发生原位碳化得N-Cdots/GO纳米复合材料。基于氮掺杂氧化石墨烯和碳量子点后吡啶氮和石墨氮活性位点的形成,以及氮掺杂氧化石墨烯后导致的晶格缺陷,N-Cdots/GO纳米复合材料呈现出很强的氧还原电催化性能。与商业化的Pt/C催化剂相比,N-Cdots/GO纳米复合材料在碱性溶液中具有更正的初始电位(0.13V vs.Ag/AgCl)和更大的电流密度(在-0.70V处达到18.4mA cm-2)。此外,与N-Cdots、GO和N-Cdots/GO混合物等相比,N-Cdots/GO纳米复合材料在碱性溶液中呈现出更强的氧还原电催化性能(4e-氧还原反应机理)和非常优异的电化学稳定性及耐甲醇毒性。