碳点是一种新型的零维碳基纳米材料,具有独特的荧光发射性能、良好的水溶性、高的耐光漂白性、易于制备和功能化、低毒性以及良好的生物相容性等优点,因而在光电器件、荧光传感、光催化、生物成像、药物输送和信息防伪等领域展现出巨大的应用潜力。目前,以可再生、廉价和绿色的生物质资源作为碳源物质不仅满足了碳点绿色合成与宏量制备的需求,而且能够促进生物质资源的高附加值转化利用。但目前生物质基碳点的开发面临合成工艺复杂、荧光发射效率差、荧光色单一以及缺乏有效的光学性能调控策略等问题,极大地限制了其在诸多领域中的应用。本文以半纤维素的主要成分木聚糖及其水解产物木糖作为碳源,基于杂原子掺杂策略并采用快速微波辅助水热法对半纤维素基碳点的激发相关性荧光发射行为和荧光发射波长进行调控,进一步通过对结构与性能相关性的解析揭示碳点的发光机理,并将其应用于荧光探针、信息防伪和比率荧光pH检测。本文旨在为具有可调荧光发射行为的生物质基碳点合成提供新的思路,同时也为半纤维素的高效高值化利用开辟新的途径。主要研究内容包括以下部分:(1)采用木聚糖为碳源,氨水为氮掺杂剂,通过一步微波辅助水热法合成得到氮掺杂木聚糖基碳点,该碳点表现为典型的激发波长依赖性蓝色荧光发射行为,其最大荧光发射在360 nm激发下获得,相应的发射波长为442 nm。与未进行氮掺杂的木聚糖基碳点相比,氮掺杂使碳点荧光量子产率由2%增加至4%,荧光发射效率得到显著改善。反应温度、处理时间及NH4OH添加量对木聚糖基碳点荧光发射性能的影响较小。此外,基于四环素对氮掺杂木聚糖基碳点高度灵敏且选择性的荧光淬灭作用建立了新型四环素荧光检测探针。(2)基于碳点表面官能团均一化的思路对木聚糖基激发相关性荧光发射行为进行调控。为此,采用富含氨基基团且反应活性较高的聚乙烯亚胺作为氮掺杂剂,并与木聚糖形成起始物质,通过一步微波辅助水热法合成具有激发波长独立性蓝色荧光发射的木聚糖基碳点,其荧光发射波长为463 nm,量子产率达8.0%。通过形态结构、化学组成及光学性能表征,揭示激发独立性荧光发射行为取决于碳点均一的表面态,而与碳点粒径大小无关。此外,利用该木聚糖基碳点建立了单宁酸荧光检测体系,并成功应用于实际水体和白酒样品中的微量单宁酸检测。(3)围绕氮掺杂木聚糖基碳点可调的激发相关性荧光发射行为展开研究,通过对碳点形貌结构、粒径分布、化学组成及光学行为的比较研究,指出激发依赖性与独立性荧光发射行为并非取决于碳点的量子尺寸效应,而是依赖于表面缺陷态的变化。对碳点表面化学状态的深入分析揭示C-OH、C-O-C和C-O基团诱导形成的多重缺陷能级是其具有激发波长依赖性荧光发射的主要原因,当高效的氮掺杂作用使碳点表面含氧基团数量减少并形成大量的C-N或C=N基团时,碳点表面形成单一缺陷能级从而展现激发波长独立性荧光发射行为。(4)对磷酸水溶液中包含木糖和间苯二胺的起始物质进行微波处理,合成得到激发独立性为主的绿色荧光木糖基碳点,440 nm激发下具有最大荧光发射,对应发射波长为518 nm,相对荧光量子产率高达73.6%。研究发现,起始物质在不同酸性溶液和超纯水中均能够合成具有相同发射行为的绿色荧光碳点,而在碱性溶液中则易于获得激发依赖性的蓝色荧光碳点。通过对形貌结构、粒径分布及表面化学状态的分析,揭示不同反应溶剂主要通过改变氮掺杂效应从而引起碳点具有不同的荧光发射性能。根据表面化学状态的显著差异提出了缺陷能级主导荧光发射的内在机理,并通过考察木糖基碳点的pH依赖性荧光发射行为进行验证,发现含氧基团和质子化氨基诱导形成的不同表面缺陷态分别主导蓝色和绿色荧光发射性能。此外,得益于pH触发的荧光色可逆变化行为,应用研究进一步展示了绿色荧光木糖基碳点优异的荧光防伪性能。(5)基于硫、氮共掺杂策略对碳点表面化学状态进行调控,为此,以2,4-二氨基苯磺酸为掺杂剂,并在微波辅助水热处理的协同作用下快速合成得到硫、氮共掺杂的黄绿色荧光木糖基碳点,在460 nm激发下具有波长为533 nm的最大荧光发射,绝对量子产率达到较高的42.4%。此外,以间苯二胺和乙二胺分别作为氮掺杂剂合成得到绿色和蓝色荧光发射的木糖基碳点,绝对量子产率高达86.1%和62.7%。通过对不同荧光碳点微观结构、粒径分布及表面化学状态的系统研究,指出木糖基碳点的可调荧光发射行为与不同表面化学状态有关,其中,表面质子化氨基与含硫基团协效降低缺陷态带隙能是碳点展现黄绿色荧光的主要原因。此外,通过对pH依赖性缺陷态荧光发射行为进行研究,发现黄绿色荧光木糖基碳点在短波长和长波长激发下引起的不同缺陷态发光能够实现对pH值的比率荧光检测,并且具有较高的抗干扰性和良好的可靠性。