进入21世纪的今天，非传染性慢性疾病已成为威胁人类健康生活的主要因素之一。非传染性慢性疾病的治疗关键是确诊早和药物到达病灶部位及时。纳米材料作为造影剂和药物载体具有诊断精准和药物转运效率高等优点，已经成为诊断和治疗非传染性慢性疾病的研究热点之一。　　至20世纪80年代发现富勒烯以来，碳纳米材料因其独特的光学、电学、化学、热学和机械性能而引起人们的高度重视。球形纳米碳材料更是由于具有粒径小、比表面积大、光学性能独特和生物相容性好等优点而备受生物医疗领域科研工作者们的关注。目前，球形碳纳米材料的研究主要集中在碳纳米小球和碳量子点这两类上：粒径小于100nm是细胞内吞的最佳尺寸，因而该尺寸的多孔碳纳米小球可成为理想的药物载体，将药物运载到体内特定的部位；1-10nm的碳量子点所特有的荧光特性，使它们成为理想的荧光造影剂，可实现对生物体的精准诊断。　　目前，关于碳纳米小球和碳量子点的制备还存在一些缺陷，如存在合成的原材料比较昂贵、合成的条件如温度比较苟刻、制备的流程比较复杂、产物难以提纯以及残留有毒的化学试剂等问题，因此，寻求新的原材料和新的合成这些碳基纳米材料的方法是迫在眉睫的。因此，本文旨在研究简单、有效和绿色的合成碳纳米小球、碳量子点以及基于碳量子点为基础的杂化量子点的方法，并将合成的碳基纳米材料进一步应用于载药、细胞成像以及生物体内多模态成像等生物医学方面。鉴于上述原因，本论文的研究内容主要可概述为以下几个部分：　　（1）碳纳米小球的制备、表征及其载药控释性能研究　　采用细菌纤维素纳米纤维为原材料，通过控制水热合成以及酸化处理过程中的参数，制备出平均粒径约50nm左右的多孔碳纳米小球，并对碳纳米小球的载药和药物释放性能进行评估。在此基础上，对碳纳米小球的细胞毒性进行了测试，对载药碳纳米小球在肿瘤细胞内的分布进行了分析，探究了碳纳米小球在肿瘤细胞内的药物释放机制。实验结果表明：采用细菌纤维素纳米纤维为原料，制备出的多孔碳纳米小球具有尺寸均一、溶液分散性好（含有许多亲水性的官能团）和比表面积大（208.17m2g-1）等优点，且是由许多小的多环芳香碳层所组成的无定形碳，具有一定的石墨化度，可以通过π-π堆积作用和疏水作用与抗肿瘤药物阿霉素进行结合，具有较强的药物负载能力（药物包封率为93.4±1.6%，载药率为52.3±2.1%），同时不会对所载药物的化学结构产生任何影响。所制备碳纳米小球在酸性及弱酸性的介质中具有较大的释放量，而在中性和碱性介质中则释放比较少，如在pH5.5的介质中，48h后的累计释药率能达到61.56±2.6%，而在pH7.4的介质中，48h后的累计释药率却仅有18.96±2.3%。所合成的碳纳米小球在一定浓度范围内表现出良好的生物相容性，且能通过细胞内吞作用进入肿瘤细胞，在胞内溶酶体等的弱酸性条件下实现对阿霉素一个持续有效的释放。碳纳米小球的低毒性和低成本等优点使其有望成为一种先进的纳米生物载体用于生理条件下抗肿瘤药物的运输。　　（2）以秋葵为原料合成荧光氮掺杂碳量子点及其在生物成像中的应用　　以天然可食用的秋葵为原料，通过一种简单、绿色和高效的水热法来合成碳量子点。通过控制水热反应的温度，制备出平均粒径约4.2nm左右的碳量子点，对合成的碳量子点进行一系列的物化性能表征，评估了碳量子点对于肿瘤细胞的细胞毒性，对碳量子点在人宫颈癌细胞（HeLa）内和斑马鱼体内的荧光成像进行了分析。实验结果表明：采用秋葵汁为前体制备出的氮掺杂碳量子点具有溶液分散性好（含有羟基和羧酸等亲水性官能团）、荧光可调（激发波长以及pH依赖的荧光特性）、荧光稳定性好、荧光量子产率高和生物相容性好等优点。此外，合成的碳量子点在肿瘤细胞内和斑马鱼体内均具有良好的荧光成像效果，表明其在生物医学荧光成像诊断中的应用潜力。因此，所制备的碳量子点可在不久的将来作为环境友好材料用于生物医学研究中。　　（3）C-Fe3O4QDs纳米探针的制备及其在生物体内多模态成像中的应用研究　　创新地采用微生物发酵制备的γ-聚谷氨酸为前体和稳定剂，通过一系列的热处理方法成功制备出多功能C-Fe3O4QDs纳米探针（nitrogen-doped carbon-iron oxide hybrid quantum dots，C-Fe3O4QDs）。通过对热处理过程中参数的控制，可以制得具有溶液分散性好、荧光可调（激发波长小于410nm时，显示出激发波长独立的荧光特性；激发波长大于410nm时，则显示出激发波长依赖的荧光特性）、荧光量子产率高（约为21.6%）、荧光稳定性好、超顺磁性强、横向弛豫率高（transverse relaxation rate，r2=154.10mM-1s-1）以及生物相容性好（不同浓度的C-Fe3O4QDs作用后，肿瘤细胞的存活率仍均在85%以上，红细胞的溶血率也均低于0.5%）等优点的氮掺杂的C-Fe3O4QDs。所制备的C-Fe3O4QDs在体外表现出良好的荧光和磁共振成像造影性能，且有趣的是，所制备的C-Fe3O4QDs还对计算机断层扫描成像中的X射线具有一定的衰减作用，这可能是由于元素的掺杂以及彼此间的协同作用所造成的。为此，进一步地将C-Fe3O4QDs用于荷瘤裸鼠体内的生物成像，实验结果表明，所合成的C-Fe3O4QDs可以有效地用于肿瘤的荧光/磁共振/计算机断层扫描的三模态成像中。因此，本文中所制备的C-Fe3O4QDs可以作为肿瘤成像诊断的多功能纳米探针。