碳纳米点是一种新型的荧光纳米材料,具有易于制备和功能化、可调控的光学性质、低的细胞毒性、不易被免疫系统攻击等特点,在催化、化学传感、生物成像、发光器件等研究领域展示出良好的应用前景。开发碳纳米点的制备方法、对其表面进行有效的功能化、调控碳纳米点的物理化学性质,对阐述碳纳米点的发光机制并推动碳纳米点深入参与生物成像领域的研究具有重要作用。本论文围绕调控碳纳米点的物理化学性质(生物相容性、荧光性质、亲水/疏水性质),在碳纳米点的制备及其生物成像应用方面开展了系列工作。论文第一章简要介绍了生物成像技术在实际研究和医疗诊断中的应用,概述了生物成像研究中常用的荧光探针,以及碳纳米点的分类与发展。同时介绍了调控碳纳米点荧光性质的研究工作,概述了碳纳米点在纳米传感器、生物成像以及生物医药领域的应用。此外,简要介绍了离子液体在碳纳米点制备中的应用。论文第二章研究了离子液体功能化修饰对于提升碳纳米点生物相容性的作用。在生物成像实际研究中,常常需要使用较高浓度的荧光探针以保证成像分析质量。尤其体内成像时,为了降低注入体内荧光探针的体积,更需要在较高探针浓度条件下进行。因此,提高碳纳米点生物相容性是碳纳米点应用分析中重要的研究课题。本研究首先以葡萄糖胺为碳源,以聚乙烯亚胺(PEI)和二乙烯三胺(DTM)为钝化剂,通过微波法制备了氨基化的碳纳米点(Amide-CNDs),并以离子液体1-羧甲基-3-甲基咪唑氯盐为表面修饰剂,通过羧基和氨基之间的共价偶联作用制备了离子液体修饰的碳纳米点(IL-CNDs)。采用3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2,5-二苯基四氮唑溴盐(MTT)方法测试了两种碳纳米点的细胞毒性。在Amide-CNDs浓度为1 mg mL-1时,HeLa细胞存活率为80%左右;经离子液体修饰之后,碳纳米点的浓度增大至10 mg mL-1时,细胞存活率仍保持在75%左右。这说明经过离子液体修饰后,碳纳米点的生物相容性得到显著提升,能够保证较高浓度碳纳米点条件下的生物安全性。细胞成像实验的结果显示,Amide-CNDs和IL-CNDS进入细胞后,可观察到蓝色通道(激发和发射波长为330-380/420 nm)和绿色通道(激发波长和发射波长为450-490/520 nm)的荧光,证明所制备的碳纳米点可以实现多色荧光成像。论文第三章以离子液体1-乙基-3-甲基咪唑溴制备了荧光性质可调的碳纳米点,并采用红外光谱和X射线光电子能谱对其进行了表征。结果表明,碳纳米点表面具有短链烷基和芳环结构。表面的芳环结构在碳纳米点浓度增加时发生聚集形成共轭电子域,使碳纳米点表现出浓度依赖的荧光发射性质。当碳纳米点的浓度从0.12 mg mL-1增加到8.0 mg mL-1,最大荧光激发/发射波长从360/450 nm红移至480/540 nm。固体荧光光谱表明,碳纳米点在近红外区域也可以发射荧光。这一性质使碳纳米点适于作为生物成像的荧光探针。与此同时,碳纳米点表面的短链烷基和芳环结构使其具有疏水性质,易于同细胞膜发生相互作用,进而通过网格蛋白调控、穴陷蛋白调控和被动扩散等多种途径,在1分钟之内进入细胞。这一性质大大缩短成像实验操作前处理时间,降低碳纳米点与生物样品长时间相互作用导致荧光猝灭的概率。有机染料共定位实验发现,碳纳米点主要分布在溶酶体中,说明其具有成为细胞器靶向探针的应用前景。进一步实验表明,碳纳米点可以标记HeLa细胞,MCF-7细胞和A549等癌症细胞,具有成为广谱型细胞成像荧光探针的潜力。活体成像实验发现,碳纳米点通过静脉注射进入小鼠体内之后,可在其肝脏部位观察到明显的荧光信号,表明碳纳米点可以实现活体荧光成像分析。论文第四章以碳纳米点亲水/疏水性质为研究对象,通过一步水热法处理疏水离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸实现调控碳纳米点亲水/疏水性质的目标。当反应体系中存在磷酸、乙醇和离子液体时,可以同时制备得到亲水碳纳米点和疏水碳纳米点。两种碳纳米点的产量可通过改变反应体系中磷酸和乙醇的摩尔比(0-1.72)进行有效调节。当反应体系由磷酸和离子液体组成时,产物全为亲水碳纳米点;当反应体系中仅有离子液体时,得到的产物全部是疏水碳纳米点。结构分析表明,亲水碳纳米点表面分布有羧基、羟基等亲水性基团,而疏水碳纳米点表面则主要分布着疏水的六氟磷酸根。亲水碳纳米点和疏水碳纳米点的最大荧光激发/发射波长分别是360/440 nm和430/510 nm。细胞成像实验结果表明,亲水碳纳米点标记的HeLa细胞可在340 nm和495 nm激发时发射蓝色和绿色荧光,而疏水碳纳米点标记的HeLa细胞可在550 nm和595 nm激发时发射明亮的红色荧光。本章所制备的亲水碳纳米点和疏水碳纳米点都表现出良好的生物相容性,并在生物荧光成像和标记研究中显示出优良的性能。