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食品安全问题是当今全球公共卫生体系所面临的重要问题,其中由食源性致病菌或其毒素污染引起的食源性疾病是公共卫生的主要负担之一,严重阻碍了全球社会经济发展。因此,建立高灵敏地检测和强力安全地消除方法是预防和控制食源性致病菌污染的首要任务。纳米材料发展的优势之一是可以使用基于荧光纳米材料的方法进行生物成像和快速检测细菌,同时,与传统抗生素相比,纳米材料因细菌缺乏其外排泵、可增加细菌细胞膜的渗透性、不易引发细菌耐药性等优点正作为新型抗菌剂被广泛研究。然而,这些纳米材料主要为金属、半导体、稀土纳米材料和阳离子共轭聚合物等,它们潜在环境和生物毒性限制了其应用。碳量子点（Carbon quantum dots,CDs）因其出色的光学和抗菌性能以及良好的生物相容性完美的解决了这一问题,食源性致病菌的检测和消除现状因此得到极大程度地改善。本研究以CDs为基础,食源性致病菌为对象,制备多色荧光发射CDs及其多功能纳米组装体,利用其良好的生物相容性和优异的光学性能用于生物成像及快速、高特异性、高灵敏地检测食源性致病菌;利用表面功能化合成高效、安全地超高正电荷抗菌CDs用于进一步消除食源性致病菌,此外,为提高其体内抗菌性能,构建p H响应的超高正电荷抗菌CDs释放水凝胶用于体内抗菌应用,为建立以CDs为基础的监测和消除食品中食源性致病菌提供新的思路。1.多色荧光发射CDs的可控合成制备及鉴定。通过水热法和电解法分别以三种苯二胺的同分异构体和石墨棒为前体物,分别“自下而上”和“自上而下”的合成了不同荧光发射的CDs和N,S掺杂的羧基石墨烯量子点（N,S/GQDs）。首先,确定多色荧光发射CDs合成过程中苯二胺的浓度、体积、反应时间和温度的最优条件分别为2 mg/m L,30 m L,3h和120℃;同时,通过电解法在0.1 M甲苯磺酸钠的乙腈溶液中以+3.0 V的电位电解石墨棒2 h来合成N,S/GQDs。最后,全面表征和鉴定了合成的CDs,为建立基于CDs荧光性质构建用于生物成像和食源性致病菌检测的生物传感器和纳米组装体提供条件。2.多色荧光发射CDs的光学性质及生物成像应用。进一步探讨了前面章节合成的多色荧光发射CDs的发光机理,CDs荧光发射的红移与其石墨化程度和石墨氮的含量逐渐增加有关,多色荧光发射CDs具有高的荧光寿命、荧光稳定性和绝对荧光量子产率,其中蓝色荧光发射CDs（B-CDs）的荧光寿命和绝对荧光量子产率分别高达5.57 ns和3.36%,红色荧光发射CDs（R-CDs）在其最佳激发光照射1 h,其荧光强度稳定并保持>90%的初始强度。为了增强其细胞成像和检测应用能力,进一步的将GQDs与适配体（Aptamer）、二硫化钼（Molybdenum disulfide,Mo S2）和四氧化三铁（Fe3O4）一起构建了基于表面能量转移（Nanomaterial surface energy transfer,NSET）的Aptamer@Fe3O4@GQDs@Mo S2适配体荧光传感器用于肿瘤细胞的生物成像和检测。该传感器在2-64 n M展现出良好的线性,线性方程为Y=5.202X+0.744,R2=0.9928,检出限为1.19 n M,对上皮细胞粘附蛋白具有良好的特异性识别能力和生物安全性,可检测实际血样中的肿瘤细胞,捕获效率达80-90%。最后,鉴于R-CDs优异的荧光发射性能和生物穿透能力,在体外细胞成像的基础上进一步构建叶酸@R-CDs纳米荧光探针,成功在裸鼠体内肿瘤中成像。3.基于CDs/Fe3O4的“ON-OFF-ON”型荧光传感器的构建并检测食源性致病菌。为快速、高特异性、高灵敏地检测食源性致病菌,以前面章节合成的B-CDs为荧光元件,分别用适配体和不完全互补的单链DNA修饰Fe3O4和B-CDs作为荧光受体和供体,进一步通过单链DNA氢键互补配对使c DNA+B-CDs与适配体+Fe3O4发生荧光能量共振转移（Fluorescence resonance energy transfer,FRET）并自组装构建“ON-OFF-ON”型Fe3O4/B-CDs磁分离适配体荧光传感器,成功应用于金黄色葡萄球菌的荧光检测。对影响传感器猝灭效率的荧光供体和受体比例进行探究,当供体与受体比例为2:1时,猝灭效率最优,荧光传感器和目标细菌孵育时间为30 min时,系统荧光恢复达到最佳。Fe3O4/B-CDs适配体荧光传感器在细菌浓度50-107 CFU/m L的范围内保持良好的线性关系,线性回归方程为Y=5327X-5145,R2=0.9818,检出限为8 CFU/m L,特异性和重复性良好,对不同种类的细菌可以良好的区分,实际样品的检测回收率为95-106%。4.基于CDs的表面功能化修饰的超高正电荷抗菌CDs的合成及其抗菌性能研究。基于前面章节实时检测食源性致病菌的基础,创新引入表面功能化修饰CDs,使得CDs抑制食源性致病菌成为现实。为实现这一目标,在前面合成的多色荧光CDs方法的基础上,引入配体亚精胺和硫辛酸分别进一步合成了新型抗菌Spe-Y-CDs和La-Y-CDs,通过配体的加入,使得合成的CDs荧光发射光谱发生了一定红移（La-Y-CDs）和蓝移（Spe-Y-CDs）,通过XPS、FTIR等结果分析,La-Y-CDs荧光发射光谱的红移与S元素的掺杂和羧基含量的增加有关。同时,亚精胺的掺杂使得Spe-Y-CDs表面有丰富的氨基,使得其zeta电位高达+51.20 m V。进一步研究各个CDs的体外抗菌性能,Spe-Y-CDs对食源性致病菌的最小抑菌浓度（MIC）比其前体物（亚精胺）的MIC低781倍,相比较于现有的抗生素,Spe-Y-CDs具有更广谱的抗菌范围,甚至对耐药菌的抗菌效果显著。Spe-Y-CDs具有比抗生素更强的抗菌能力,这可能是由于Spe-Y-CDs表面富含氨基,超高的正电荷和较小的粒径有助于与细菌快速结合（负表面电荷）,破坏细菌的表面电荷,然后进入细菌胞内,导致细菌代谢紊乱和死亡。5.基于pH响应的超高正电荷抗菌CDs释放水凝胶的合成及其体内外抗菌机理和应用研究。为了进一步增强前面合成的超高正电荷抗菌CDs的体内抗菌性能的应用,巧妙地将其与丙烯酸、果胶、过硫酸铵和聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯构建p H响应的超高正电荷抗菌CDs释放水凝胶（SCDs-AP水凝胶）。SCDs-AP水凝胶在p H=5.5和8.5缓冲液中CDs的释放量约为39%和36%,而当在p H=7.4的缓冲溶液中CDs的释放量仅为21%。酸性或碱性环境会加速超高正电荷抗菌CDs的释放,并且释放的CDs会起到抗菌作用。SCDs-AP水凝胶对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和多药耐药的鼠伤寒沙门氏菌的抗菌能力分别比空白对照组水凝胶的高108.5倍和88.5倍。抗菌机理研究表明,细菌代谢导致培养液呈酸性,SCDs-AP水凝胶通过释放超高正电荷抗菌CDs破坏细菌细胞壁或膜达到了抗菌作用。探究了p H响应的超高正电荷抗菌CDs释放水凝胶的生物相容性,SCDs-AP水凝胶显示出比空白对照组水凝胶更好的细胞粘附性和细胞活力。进一步研究了SCDs-AP水凝胶体内抗菌能力,SCDs-AP水凝胶周围的皮肤组织状况良好且伤口得到了良好的修复,SCDs-AP水凝胶在体内具有抗菌作用,为细菌引起的伤口感染的体内安全治疗提供了理论和数据支持。