一般来说,碳点是一类粒径小于10 nm、以碳元素为主体、表面富含多种含氧官能团或有机聚合物的荧光纳米材料。近十余年来,碳点以其优越的光学性质、良好的生物相容性、易于制备且成本低等特点,已在检测、光催化、生物成像及光电器件等领域中得到了广泛应用。然而,其荧光性质和发光机理仍需深入研究。本文的主要研究工作如下:(1)利用湿法氧化法制备了表面含有丰富含氧官能团的碳点,通过不同酸碱条件下的红外光谱测定,确定了其表面存在大量的羧基。基于羧基与各类醇或胺反应的特点对碳点进行表面修饰,研究结果表明,羧基转化为酯或酰胺前后碳点的发光性质没有明显变化,为基于羧基的碳点功能化修饰奠定了坚实的基础。此外,将3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)共价偶联到碳点表面,再通过Stober法将其包埋到二氧化硅球中,成功实现了碳点荧光信号的汇聚,有效地抑制了碳点的自粹灭(self-quenching)和外部猝灭(external quenching)。相对于单颗碳点而言,碳点—二氧化硅杂化球(约150 nm)的亮度增强了 3000～4000倍。利用麦胚凝集素(WGA)修饰的杂化球实现了对细胞的标记作用,大幅度提高了碳点的成像质量。(2)通过羰基的还原和羟基的消除反应,有意地调控碳点的羰基含量和共轭体系的离域程度,结合结构与荧光性质的依赖关系,进一步揭示了碳点表面态相关的发光机制,表面态中的π-共轭体系和羰基的强耦合作用决定了碳点的能隙。相应理论计算进一步支撑了这一结论。此外,荧光寿命和超快激发态动力学结果表明,羰基是导致碳点非辐射跃迁的主要因素。因此,可以通过改变共轭体系的大小来调控碳点的发射波长,降低羰基的含量以提高其量子产率。为设计具有理想的发射波长和量子产率的碳基荧光纳米材料奠定了基础。(3)通过表面修饰得到了三种不同表面官能团的同源碳点,考察了它们的荧光对金属离子(Cu2+)的敏感性,并结合荧光寿命和超快光谱,深入地研究了 Cu2+对碳点荧光猝灭的机制。碳点表面的羧基与Cu2+以配位键结合,拉近两者之间的距离,促进了激发态碳点至Cu2+空d轨道的光致电子转移过程,从而导致荧光猝灭。对未来设计基于碳点的荧光探针具有重要的指导意义,也为可控调节碳点表面官能团的种类和数量提供了崭新的思路。