碳量子点,是一种近年来受到广泛关注的新型“零维”碳材料,通常呈直径少于10纳米的球状结构,具有独特的荧光性、光学稳定性、水溶性、生物相容性等优点。与传统金属半导体量子点和有机染料相比,碳量子点既保持了优异的荧光性能,又克服了光稳定性差、毒性高、制备工艺复杂等缺点,因此,自2006年被首次报道以来迅速成为国内外的研究热点。特别是以再生资源生物质为原料制备的“绿色”碳量子点,因其原料来源广泛、合成步骤简单、无需使用强酸或有机溶剂,且光学性能优异,十分适合规模化生产而显示出重要的社会和经济价值。碳量子点已被研究者认为是替代半导体量子点和有机染料的理想材料,在生物成像、疾病治疗、光电装置、催化、传感、油墨等多个领域具有广泛的应用前景。本论文以多种生物质天然多糖及其单糖和寡糖为原料,通过一步水热碳化的方法,制备出多种生物质碳量子点。所获得的生物质碳量子点具有纳米尺寸(<10nm)、强荧光性、水溶性、高稳定性、低毒性和生物相容性等。进一步,研究生物质碳量子点在细胞成像、荧光传感和纳米增强材料等领域的应用,深入探讨杂元素掺杂对生物质碳量子点荧光性能影响和荧光猝灭现象的内在机理,为新型荧光碳量子点的开发和生物质资源的高值化利用提供理论依据。具体的研究内容主要包括:1.以不同分子结构、组成和分子大小的天然生物质(主要包括聚吡喃糖衍生物、聚呋喃糖和聚氨基葡萄糖等)为原料,通过一步水热合成法,制备多种生物质碳量子点,探讨生物质分子结构对碳量子点荧光性能的影响。发现,从不含氮的生物质原料中制备的碳量子点量子产率普遍低于5%,而从含氮的生物质原料(葡氨糖、壳寡糖、壳聚糖)制备的碳量子点量子产率普遍超过10%,最高可达16%,说明少量氮元素的存在能明显增强生物质碳量子点荧光性能。进一步利用强酸氧化法对生物质碳量子点制备所产生的残渣副产物进行处理,通过改变处理条件,获得了发光颜色从蓝光到黄光范围内的多色发光碳量子点,并对其荧光性能进行了初步研究。2.为提高不含氮生物质碳量子点的荧光性能,选取碱溶性木聚糖为原料,以氨水同时为溶剂和外源性氮掺杂剂,通过一步水热合成法研究氮掺杂对生物质碳量子点形态结构、化学组成和荧光性能的影响,发现氮掺杂后的碳量子点粒径从19 nm减少到7 nm左右,形成大量酰胺基团,而且量子效率从2%显著提高到13%。系统探究了氨水浓度、pH值、溶剂和不同掺杂剂等条件下木聚糖碳量子点的荧光性能变化,分析发光机理。通过细胞毒性实验,检验氮掺杂前后木聚糖碳量子点的生物毒性,并将氮掺杂后的木聚糖碳量子点成功应用于体外细胞成像,表现出较好的生物医学应用潜力。3.选取天然氨基多糖壳聚糖为原料,合成量子效率高达15.26%的高荧光性壳聚糖碳量子点,详细研究壳聚糖碳量子点的形态结构、化学组成和荧光性能。以水相中的壳聚糖碳量子点为荧光探针,在水溶液中实现了对Fe3+、Mn7+和Cr6+(分别为CrO42-和Cr2O72-)等高价态金属离子的强荧光响应,对应的猝灭常数分别为5530、20275、5080和7270 M-1,并构建高效荧光传感体系。再利用Fe3+的还原性及其对壳聚糖碳量子点荧光的选择性猝灭,构建“off-on”荧光传感体系,定量分析抗坏血酸、Ti3+、谷胱甘肽等还原性物质,有望应用于水污染物和抗氧化剂的定量分析。4.选取不同取代基的硝基苯类爆炸物为荧光猝灭剂,深入研究生物质碳量子点的荧光猝灭机理。发现生物质碳量子点对硝基苯酚类爆炸物有强荧光响应性,且不随硝基个数增加而明显变化,对硝基甲苯类爆炸物荧光响应性较弱且随硝基个数增加而减弱。通过电子能级、光谱重叠、荧光寿命和供体-受体距离等分析,推断该类荧光猝灭现象应遵循能量转移机理而非大多数文献中认为的电子转移机理。另外,利用具有更复杂结构的有机发色分子对生物质碳量子点的荧光猝灭研究和光谱电化学研究,进一步证实能量转移机理在荧光猝灭过程中起主导作用。本项工作对碳量子点的发光机理研究提供重要的证据。5.利用生物质碳量子点表面具有丰富官能团的特点,构建生物质碳量子点-海藻酸水凝胶体系和生物质碳量子点-纳米纤维素水凝胶体系。通过选取不同单糖结构的生物质(葡萄糖、D-木糖、葡氨糖)为原料制备生物质碳量子点,研究不同结构的生物质碳量子点对两个水凝胶体系机械性能的增强作用。发现生物质碳量子点在保持原有的荧光性能前提下,能够有效增强水凝胶的机械性能。将这些荧光水凝胶应用于Fe3+和纳米金的传感。结果表明水凝胶能够作为生物质碳量子点的优良载体,对生物质碳量子点在药物传递和疾病诊断上的潜在应用具有重大的意义。