生命科学的快速发展要求人们从组织、细胞或亚细胞水平上跟踪生物分子的变化,并揭示生命过程。荧光成像技术因其具有高灵敏、高时空分辨率以及可用于探测活细胞的能力,正好满足该发展的需求。高质量的生物成像往往依赖于灵敏、稳定的荧光探针的使用。相比于传统荧光探针,荧光碳基纳米材料由于具有优异的光学性能、低毒性、易于制备和功能化等优势,近年来引起了人们的广泛关注。本论文采用多种合成方法,制备了稳定、高亮度、小尺寸的荧光碳基纳米材料,通过系综和单颗粒表征技术系统地研究了碳基纳米材料的光学性质,并且基于其特定的光学性质或行为,发展了高灵敏、高分辨率的生物荧光成像技术。主要内容包括:(1)以炭黑为前体,通过硝酸氧化法制备了光学稳定的荧光碳点(Carbon Dots,CDs)。该类碳点具有强的耐光漂白性即使强光持续照射30min,荧光强度也不会降低。尽管该类碳点本身的荧光亮度不高,但利用等离子体共振银膜可极大增强其耐漂白的荧光亮度,将信噪比提高到30倍。我们进一步基于银膜增强碳点的抗漂白荧光性质和细胞自荧光易漂白的特点,发展了一种高信噪比的荧光成像技术,并用于细胞靶向成像。(2)从单颗粒角度,研究了碳点的荧光性质,发现其具有爆发型的荧光闪烁行为。通过与有机染料AF647、Cy5、Cy3和CdSe/ZnS量子点的单分子/单颗粒荧光性质的比较,表明该类碳点具有与AF647和Cy5相当的低荧光闪烁周期(约0.003)和高光子数输出(单次亮态的光子数约为8000),同时具有与半导体量子点相当的高光学稳定性。基于该碳点优异的荧光闪烁行为,发展了一种超高分辨的荧光成像技术,其空间分辨率可达到25nm。利用该成像技术,实现了对多肽自组装体、光刻模板、细胞内微管等精细结构的超分辨成像。最后,成功实现了对细胞膜上蛋白质受体聚集和分布的超分辨成像研究。(3)以柠檬酸和乙二胺为前体,使用微波辅助合成法制备了超小的荧光碳基复合物,其分子量在1000Da以下。该碳基复合物具有明亮的蓝色荧光,量子产率高达80%,且在近红外区域有荧光发射。进一步研究表明该碳基复合物对核糖体RNA具有独特的选择性,可用于特异性转染细胞核仁,实现核仁的靶向成像。最后,基于碳基复合物的小尺寸、近红外荧光的性质,开展了高信噪比的活体成像,并且证实该碳基复合物拥有快速的肾清除和被动靶向肿瘤的能力。