碳点(Carbon Dots, CDs)作为新型荧光碳纳米材料,具有类似量子点优良的光致发光性能,同时具有化学惰性和良好的生物相容性。因此,·碳点是潜在的可以替代量子点的良好选择。然而,碳点的制备与应用还有一定的挑战,主要体现在以下两方面：(1)高荧光量子产率的碳点,其发射光颜色大多为蓝色或绿色,与生物体的背景荧光相近,不利于成像研究；而发射光为红色的碳点,其荧光量子产率都较低。(2)由于碳点表面基团的不确定性和缺乏多样性,其应用依然受到限制。因此,如何充分利用荧光碳点的优良性质,将其应用在更多的领域还需进一步研究。本文主要从荧光碳点的制备出发,研究了其生物相容性,并最终将其应用于药物分析中。论文的主要内容包括三个部分,概括如下：第1部分：荧光碳点合成新方法研究。以血晶素为碳源,比较了煅烧和水热法制备碳点的发光性质,并最终采用水热法一步合成荧光碳点。研究发现,血晶素的碱性水溶液在聚四氟乙烯反应釜中,250℃下反应4h得到碳点,荧光量子产率达8.3%。合成的碳点不仅具有良好的光致发光特性、还有较好的水溶性和光化学稳定性。其形貌通过透射电子显微镜(TEM)表征,结果显示所合成碳点为球形或类球形,粒径分布在2-5nm,平均粒径约为3.23nm；另外,碳点在水溶液状态下的水合粒径采用动态光散射(DLS)进一步表征,约为10nm。Zeta电位分析表明碳点表面带有负电荷。高分辨透射电镜(HRTEM)成像显示其具有完整的晶体结构,晶格参数为0.22nm。X射线电子能谱与红外光谱表征结果显示碳点表面主要由C和O两种元素组成,带有羟基和羧基官能团。此外,该碳点具有良好的光致发光性能,激发与发射光谱较为对称,其荧光发射随激发波长红移而红移且强度会发生变化,最大激发与发射分别在290nm和390nm。第2部分：荧光碳点在药物分析中的应用。这一部分主要基于碳点荧光信号的改变检测药物,包括四个内容：1.基于小檗碱类猝灭CDs荧光检测小檗碱类。小檗碱类是一类广泛存在于自然界中的异奎宁生物碱,具有广泛的药理活性。研究发现小檗碱类的五种成分均可以猝灭CDs的荧光,且猝灭程度随着小檗碱类浓度的增大而增大。基于此,将CDs分别用于检测这五种小檗碱类,并在优化的条件下分别建立了线性关系。利’用此种方法检测盐酸小檗碱片中的盐酸小檗碱含量,结果与标示量一致。对猝灭机理进行研究,发现CDs的荧光发射与五种小檗碱类的吸收均有重叠,猝灭是因为CDs与它们发生能量转移。同时由于反应前后CDs荧光量子产率没有发生变化,说明CDs与小檗碱类药物之间发生了辐射能量转移而导致CDs荧光的猝灭。2.基于药根碱致CDs发射红移检测药根碱。研究发现,药根碱在碱性条件下使CDs发射峰红移,且红移程度随着药根碱浓度增大而增大。药根碱浓度在2.30μM到414μM范围内,位移值与浓度对数值呈良好的线性关系,方程式：Δλem=17.3log c-6.64(μM), r=0.995(n=10)。药根碱致CDs发射红移的机理同样是基于辐射能量转移,主要是由于药根碱的羟基在碱性条件下解离,导致吸收发生变化,与CDs的荧光发射重叠部分发生变化,不同波长处猝灭程度不同,于是发射峰红移。3.基于支链聚乙烯亚胺钝化的碳点(PEI-CDs,参考文献制备)荧光恢复检测乙酰半胱氨酸。因为铜离子能与PEI-CDs表面钝化剂上的氨基发生配位作用,从而猝灭其荧光。但如果有乙酰半胱氨酸存在,其结构上的巯基能与铜离子作用将Cu2+还原为Cu+同时自身形成二硫键,从而破坏了Cu2+与PEI-CDs表面氨基之间的作用,使得PEI-CDs荧光恢复,以此建立了PEI-CDs免标记快速、灵敏检测乙酰半胱氨酸的方法。在优化条件下,荧光恢复效率与乙酰半胱氨酸浓度在5.56μM～277.8μM范围内呈良好的线性关系,线性方程为：I/I0=0.88+0.013c(μM)，r=0.997(n=10)。4.在PEI-CDs表面偶联上FITC,基于荧光比率法检测pH。通过荧光光谱表征证明PEI-CDs上偶联了FITC。在pH6.4-7.2范围内对pH有响应,线性方程如下：I520/I450=0.550+0.0252pH, r=0.986。第3部分：CDs生物相容性的研究。首先,研究了血晶素制备的CDs及支链聚乙烯亚胺钝化的碳点(PEI-CDs,根据文献制备)和CTAB-CDs(本实验室以富勒烯为碳源,CTAB为钝化剂制备)的细胞毒性。结果发现由血晶素制备的羟基碳点浓度高达5mg/mL时也不会对细胞造成明显毒性；,但PEI-CDs浓度大于2mg/mL可见明显的细胞毒性,且细胞存活率比同浓度PEI存在时低,这是由于在PEI-CDs制备过程中有受热,可能导致PEI进一步聚合从而增大了其毒性；CTAB作为阳离子表面活性剂,其细胞毒性为众人所知,CTAB-CDs的毒性相对最强,达到0.003mg/mL细胞存活率即降低至30%。说明碳点本身细胞毒性很低,其细胞毒性最终取决于CDs表面钝化剂的毒性作用。另外以斑马鱼和豆芽为模式生物,考察了CDs和PEI-CDs对于动植物活体生物生长的影响。在0.05mg/mL CDs和PEI-CDs溶液中,均未发现有斑马鱼胚胎孵化延迟效应和胚胎发育畸形；通过数据分析发现在0.05mg/mL CDs和PEI-CDs溶液中斑马鱼仔鱼死亡率与对照组没有明显差异。CDs浓度小于0.005mg/mL时不会对豆芽的生长产生明显的阻碍,而浓度为20mg/mL时培养的豆芽根茎长则与对照组有明显差异。PEI-CDs浓度小于0.05mg/mL没有明显差异,大于0.2mg/mL则培养的豆芽根茎长与对照组有明显的差异。这些结果说明,碳点本身具有良好的生物相容性,其毒性最终取决于CDs表面钝化剂的毒性强弱。总而言之,本论文新制备了荧光碳点,并基于碳点荧光信号的改变将该碳点与另外一种PEI钝化碳点用于药物分析；最后研究了该碳点和其他两种碳点的生物相容性。