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碳点（Carbon dots,CDs）是一类具有毒性低、成本低廉及生物相容性优异等突出优势的新型电化学发光（electrochemiluminescence,ECL）物质,在ECL生物分析领域展现出广阔的应用前景。然而,现有的碳点在ECL性能方面仍然差强人意,主要体现在ECL激发电位高、ECL效率低,使其应用受到很大的限制。氮掺杂最大程度地保留了碳点高稳定性和低成本的特点,是改善碳点ECL性能的常用方法之一。遗憾的是,迄今为止掺杂氮原子在碳点的ECL过程中的作用尚未明确,所以通过氮掺杂对碳点的ECL性能改善缺乏针对性,且氮掺杂造成的结果往往不可控。本文选用不同氮源制备了一系列不同结构的氮掺杂碳点,通过对比不同碳点的ECL性质,归纳氮掺杂的结构与ECL性能的关系的一般规律。同时,借助量子化学工具,揭示掺杂氮原子影响碳点的光、电化学性质的作用原理。根据以上规律和原理,有针对性地设计氮掺杂碳点的结构和制备方案,以降低其氧化还原电位,提高碳点与共反应试剂的作用效率和激发态量子产率,从而获得具有低激发电位和高ECL效率的新型氮掺杂碳点。最后,结合生物识别及信号放大策略构建ECL生物传感器应用于生物标志物的体外检测和活细胞原位分析。具体研究工作分为以下几部分:1.氮掺杂碳点的阳极电化学发光及其在癌细胞快速检测中的应用研究在活细胞分析方法中,信号探针的生物毒性会严重干扰活细胞的正常生命活动,从而降低分析的准确性,因此,发展具有良好生物相容性的ECL新体系对ECL方法学在活细胞分析中的应用至关重要。碳点是一类生物相容性优异的光学探针,然而,其存在ECL效率低且激发电位高的问题。本工作根据氮掺杂降低碳材料氧化电位的一般规律,研究通过氮掺杂降低碳点的ECL激发电位的可行性。以柠檬酸和水合肼为前驱体,N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂,通过溶剂热法制备了具有氮掺杂碳核的酰肼耦合碳点。相比一般的酰肼耦合碳点,其激发电位更低,且ECL效率提升2.5倍。采用壳聚糖分散的碳点在电极表面成膜,并沉积纳米金和修饰刀豆白蛋白（ConA）,制备了一种简单、灵敏的ECL生物传感器用于过氧化氢（H2O2）的检测,其检测限低至7.6 nmol/L,进一步用于活细胞分泌的H2O2检测。由于肿瘤细胞更加活跃的新陈代谢,相比正常细胞分泌的H2O2具有更高的表达水平,因此该ECL生物传感器可在30 min内通过检测H2O2的表达水平快速分辨肿瘤细胞与正常细胞。2.聚乙烯亚胺诱导碳点电化学发光增强及其在microRNA检测中的应用研究对于碳点ECL体系,决定其ECL效率最关键的是共反应作用效率和激发态量子产率两方面因素。目前,提高碳点ECL效率最常见的方法是引入共反应促进剂,通过提高共反应作用效率,最终实现ECL效率的提升。然而,这种方式产生的大量活性中间体增加了破坏生物分子的风险,因此,提高激发态量子产率的方法则更加具有普遍应用价值。本工作通过考察碳点的光谱特征,确认其ECL发射起源于共反应位点（酰肼）耦合的sp2碳团簇的定域激发态。采用聚乙烯亚胺（PEI）包裹碳点,不仅实现碳点的高效富集,同时还使碳点的ECL效率提高了22.7%。PEI与碳点的相互作用增加了表面官能团的刚性,提升了定域激发态量子产率,最终实现ECL效率的提高。形成PEI-碳点复合物作为ECL信号探针,结合协同杂交介导的链置换反应,构建高灵敏的ECL生物传感器检测microRNA,检测范围1.0 fmol/L至1.0 nmol/L,检测限为0.31 fmol/L。本工作描述了碳点ECL定域激发的特点,界定了光致发光与ECL的区别与联系。3.基于双足DNA步行器介导的无酶指数等温信号放大的快速检测microRNA的研究等温无酶DNA信号放大技术具有适用性广、成本低、操作简便等优点,在生物分析,特别是活细胞分析领域受到越来越多的重视。传统的等温无酶DNA信号放大技术通常是线性的信号放大模式,其信号放大效率有待提高,因此,为实现高效的信号放大,需要构建指数级信号放大策略。鉴于指数信号放大技术中普遍存在的假阳性问题,本工作采用链置换反应驱动的双足DNA步行器介导次级目标物的释放,以此实现高效的等温无酶指数信号放大。利用自增强钌配合物包裹TiO2纳米球作为ECL信号探针,构建的ECL生物传感器实现microRNA在0.5 fmol/L10 pmg/L范围内的灵敏检测,检测限低至0.24 fmol/L。本工作设计的等温无酶指数信号放大策略为生物分析提供了强有力的信号放大工具。4.石墨态氮掺杂诱导碳点的高效电化学发光及H2O2分析应用研究氮掺杂碳材料中氮原子掺杂存在吡啶态、吡咯态以及石墨态等不同形态,且对碳材料的性质产生不同的影响。前面的工作中报道了氮掺杂可以降低碳点的阳极ECL电位并提高ECL效率,然而,具体发挥作用的掺杂结构并不明确。本工作借助量子化学工具,分析不同形态的氮原子掺杂对碳点氧化电位的影响,鉴定了石墨态氮原子对于降低ECL激发电位的关键作用;同时,通过考察石墨态氮掺杂对于酰肼基团附近静电势的影响,确定与酰肼基团的距离是石墨态碳原子影响酰肼基团的反应活性的关键。基于这一结论,采用柠檬酸和尿素作为前驱体,通过溶剂热法首先合成富石墨态氮掺杂碳点,随后将其表面官能团酰肼化处理,制备了一种富石墨态氮掺杂的新型阳极ECL碳点,该碳点由于其更高的石墨态氮含量,因此具有超低的ECL激发电位（0.45 V）;此外,采用柠檬酸和氨基脲作为前驱体,通过水热法合成了一种氨基脲骨架结构整体嵌入的碳点,该碳点中石墨态氮原子与酰肼基团毗邻,极大地提高了酰肼基团的活性,其ECL效率相比随机位置氮掺杂碳点提高了35.1倍,相比未掺杂碳点提高了73.8倍。基于该高效ECL碳点构建了简单的ECL传感器用于H2O2的超灵敏检测,检测限低至0.32 nmol/L。该工作从具体的结构层面上阐明了氮掺杂影响碳点阳极ECL激发电位及ECL效率的机制,为高性能ECL碳点的设计和制备提供了重要的理论依据。