碳在自然界中有很多存在形式，包括石墨、金刚石、碳纳米管等。碳材料是一种环境友好类的材料，近年来得到人们越来越广泛的关注。宏观的碳材料通常缺少合适的带隙，因此碳材料本身很难开发成为一种理想的发光材料。我们目前所讲的荧光材料通常是指无机荧光材料，如碱土金属和稀土元素；有机荧光材料，如有机小分子发光材料、高分子发光材料及有机配合物发光材料；另外还有金属半导体纳米晶或纳米簇。通过调控碳材料的尺寸和表面化学性质，可以制备新型的碳基荧光材料。本论文中，我们从最典型的荧光碳材料碳点(石墨烯量子点、碳纳米点、聚合物点)出发，详细地开展了这类材料的合成方法学，物化性质、荧光机理及新颖应用方面的工作。从关键创新点来讲，本论文在荧光碳材料领域的贡献如下：率先进行石墨烯量子点的溶液相纳米法合成，并首次了报道细胞成像应用，率先用超快光谱的手段研究石墨烯量子点的发光机理；制备了当时量子产率最高的碳纳米点，并明确提出了分子态荧光机理；提出了非共轭聚合物点的概念，并详细研究交联增强聚合物点荧光行为。具体来讲，本论文的工作归纳为如下三个方面。首先，从化学结构相对简单可控的石墨烯量子点为起始点，作为模型体系来理解这类材料的发光机理。用溶剂热裂解氧化石墨烯制备边缘接枝氮的水溶性石墨烯量子点。在接下来的工作中我们着重探索了石墨烯量子点的表面化学调控及发光中心归属等难题。通过柱层析的办法分离得到氧化程度梯度变化的石墨烯量子点，发光峰位从蓝光到绿光可调。通过化学接枝烷基胺或还原的方式改变绿色荧光石墨烯量子点的表面化学组成，实现发光从缺陷态(分子态)绿色荧光到本征态的蓝色荧光的转变。通过瞬态吸收等超快光谱研究，我们归属了绿色荧光石墨烯量子点有两个相对独立的分子态和一个寿命较短的本征态发光中心。由于石墨烯量子点的优良的稳定性、良好的生物相容性、较好的发光性能，我们拓展了其单光子、双光子生物成像，生物传感器和太阳能电池领域等应用。其次，当用石墨烯量子点体系深入地理解了这类材料的发光机理之后，我们选用小分子或聚合物自下而上的办法批量制备具有荧光性质的碳材料。我们选用富含羟羧基和氨基的小分子作为碳源，通过水热的办法制备荧光碳纳米点。分别调控了不同碳化分子类型，碳化温度和时间等因素，理解化学组成对形成碳纳米点种类的影响。并通过优化条件得到了发光效率达80%的荧光碳纳米点。进一步，选用了结构不同、具有代表性的三种碳点(都具有绿色荧光发射)作为研究对象，通过瞬态光物理过程的研究，了解到连接在碳核表面的羰基、羧基或酰胺键是这类材料典型的绿色发光中心。此外，利用碳纳米点较高的荧光量子产率和较低的生物毒性，我们开发了碳纳米点荧光墨水、纳米图案化、纳米复合物、离子检测及细胞成像方面的应用。进一步地，我们选用几种具有代表性的碳纳米点，研究了尺寸、发光效率和表面电势对细胞成像的详细影响。最后，我们进一步拓展开发了一种新颖的碳点材料——聚合物点，这类材料不但具有碳材料的荧光性能，还保持着聚合物易加工的性能，更加具有实际应用意义。我们选用具有可脱水基团的线性聚合物，如聚乙烯醇、多糖、聚乙烯亚胺等，进行适度脱水碳化或团聚制备荧光聚合物点。所制备的聚合物点具有单一发光中心，细胞毒性较低，可应用于细胞成像等领域。另外，采用沉淀组装有机合成的稠苯类石墨烯量子点的办法制备具有荧光性能的聚合物点，详细地研究了这类材料的发光行为。进一步地，我们还研究了模型体系聚乙烯亚胺中交联增强荧光行为：聚合物点中的交联可以降低发光中心的振动、转动弛豫消耗的激发态电子无辐射跃迁，从而增强荧光性质。最后我们拓展了荧光聚合物点在纳米复合物制备方面的应用：由于聚合物点不但含有荧光性质的发光中心，还有键连的化学基团，因此具有高分子易加工的特性。总之，从石墨烯量子点理解碳材料发光机理，到碳纳米点和聚合物点的批量制备和应用，我们在本论文中遵循着理论探索和实际应用相结合的研究思路。为荧光碳材料的种类拓展、多样合成、明确发光机理及新颖水相应用方面做出了里程碑式的工作。