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随着社会的发展和科技的进步，人们对疾病的早期预防、诊断和治疗越来越重视，氨基酸、蛋白质、核酸、离子等物质的异常表达往往与疾病相关。因此，实现上述物质的快速、准确检测具有重要意义。荧光检测法是目前最重要的检测方法之一，荧光纳米材料作为荧光检测技术的关键部分，它的研究引起了科研人员的广泛关注。其中，金属纳米团簇（NCs）和碳量子点（CDs）因毒性小、光稳定性高、生物相容性好及细胞穿透力强等优点，在生物传感、生物成像、药物运载及治疗等领域备受瞩目，但仍存在成本高、发光机理不明确、水溶性CDs量子产率较低、荧光发射可调性差等缺点。基于以上问题，本论文围绕NCs和CDs制备及其发光机理与生化分析应用开展了相关研究工作，主要研究内容如下：
（1）以溶菌酶为模板合成了红色荧光Lys-Au NCs，并开发了一种灵敏的基于荧光共振能量转移（FRET）的“switch on”荧光检测法，用于microRNA-21的检测。通过监测610nm处的荧光恢复强度，实现对microRNA-21的定量检测，线性检测范围为0.1-100nM，检出限为0.036nM。此外，将其成功应用于人血清中的microRNA-21的检测和活细胞中microRNA-21的直接成像，证明了该检测方法的准确性和用于临床诊断的可行性。
（2）以梨汁为碳源，乙二胺为氮源，采用微波辅助法制备了高量子产率的氮掺杂碳量子点（N-CDs）。通过DFT理论计算、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和荧光寿命等表征方法，系统地研究了氮掺杂增强荧光的机理。研究发现，N原子以吡啶N的形式掺杂到CDs中，减少了CDs的表面态、增加了sp2杂化位点、延长了荧光寿命，带隙减小，导致荧光增强。并设计了一种简单的免标记荧光法，将N-CDs用于卵巢癌标记物CA125的检测，线性检测范围为0.1-16U/mL，检出限为0.035U/mL。此外，所提出的免标记荧光“打开”检测方法成功应用于健康人和卵巢癌患者血清样本中CA125的检测，展现出应用于临床的潜力。
（3）分别以苯二胺的三种同分异构体（mPD、oPD和pPD）为原料，通过氧化聚合反应合成了蓝色、黄色和红色荧光的水溶性CDs（m-CDs、o-CDs和p-CDs）。通过DFT和SP-DFT理论计算，结合XPS、FT-IR、TEM和Raman等表征手段，对三种CDs发光依次红移的机理进行了深入研究。研究发现，黄色o-CDs发光红移的主要因素是石墨N掺杂导致带隙减小，而红色p-CDs发光红移的主要因素是尺寸增大导致带隙缩小，这对了解发光机制的起源具有重要意义。构建了基于三种CDs-金属离子络合物的阵列多维传感器平台，用于同时快速识别不同类型的含硫物种（无机硫、有机硫和生物硫醇）。最重要的是，对于含硫物种的识别，只需2min就可以获得最佳的响应信号。与最近的文献报道相比，该方法是目前能够同时识别10种不同类型含硫物种的最快方法。此外，该阵列传感器可以快速、准确地区分癌症患者（如前列腺癌、乳腺癌和直肠癌）与健康人的血清。还能实现硫氧化细菌和非硫氧化细菌的的区分。
（4）以对苯二酚为碳源水热法合成了蓝色荧光CDs，以乙二胺为氮源，对CDs进行N掺杂改性后合成了绿色荧光N-CDs，实现了CDs发光红移的调控。通过DFT理论计算、XPS、Raman、FT-IR和TEM等方法，对N掺杂导致CDs发光红移（从蓝色到绿色）的机理进行了深入探究。研究发现，N掺杂会在碳量子点表面引入大量的氨基，并增大表面氧化程度，这有利于带隙的减小，使得发光红移，对指导合成目标CDs具有重要意义。值得注意的是，N-CDs对pH有敏感的响应，研究发现，在酸性环境下，N-CDs会自组装成大尺寸的碳量子点，尺寸越大，越容易失去量子限域效应，导致带隙减小，发光红移。在弱碱性环境，N-CDs表面的-COOH会发生去质子化，减小了非辐射复合率，使得发光增强，而强碱性环境会导致N-CDs分解，使得荧光猝灭。最后利用N-CDs对pH敏感响应的特性，成功的将N-CDs应用于细胞内pH的检测和可视化。
（1）以溶菌酶为模板合成了红色荧光Lys-Au NCs，并开发了一种灵敏的基于荧光共振能量转移（FRET）的“switch on”荧光检测法，用于microRNA-21的检测。通过监测610nm处的荧光恢复强度，实现对microRNA-21的定量检测，线性检测范围为0.1-100nM，检出限为0.036nM。此外，将其成功应用于人血清中的microRNA-21的检测和活细胞中microRNA-21的直接成像，证明了该检测方法的准确性和用于临床诊断的可行性。
（2）以梨汁为碳源，乙二胺为氮源，采用微波辅助法制备了高量子产率的氮掺杂碳量子点（N-CDs）。通过DFT理论计算、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和荧光寿命等表征方法，系统地研究了氮掺杂增强荧光的机理。研究发现，N原子以吡啶N的形式掺杂到CDs中，减少了CDs的表面态、增加了sp2杂化位点、延长了荧光寿命，带隙减小，导致荧光增强。并设计了一种简单的免标记荧光法，将N-CDs用于卵巢癌标记物CA125的检测，线性检测范围为0.1-16U/mL，检出限为0.035U/mL。此外，所提出的免标记荧光“打开”检测方法成功应用于健康人和卵巢癌患者血清样本中CA125的检测，展现出应用于临床的潜力。
（3）分别以苯二胺的三种同分异构体（mPD、oPD和pPD）为原料，通过氧化聚合反应合成了蓝色、黄色和红色荧光的水溶性CDs（m-CDs、o-CDs和p-CDs）。通过DFT和SP-DFT理论计算，结合XPS、FT-IR、TEM和Raman等表征手段，对三种CDs发光依次红移的机理进行了深入研究。研究发现，黄色o-CDs发光红移的主要因素是石墨N掺杂导致带隙减小，而红色p-CDs发光红移的主要因素是尺寸增大导致带隙缩小，这对了解发光机制的起源具有重要意义。构建了基于三种CDs-金属离子络合物的阵列多维传感器平台，用于同时快速识别不同类型的含硫物种（无机硫、有机硫和生物硫醇）。最重要的是，对于含硫物种的识别，只需2min就可以获得最佳的响应信号。与最近的文献报道相比，该方法是目前能够同时识别10种不同类型含硫物种的最快方法。此外，该阵列传感器可以快速、准确地区分癌症患者（如前列腺癌、乳腺癌和直肠癌）与健康人的血清。还能实现硫氧化细菌和非硫氧化细菌的的区分。
（4）以对苯二酚为碳源水热法合成了蓝色荧光CDs，以乙二胺为氮源，对CDs进行N掺杂改性后合成了绿色荧光N-CDs，实现了CDs发光红移的调控。通过DFT理论计算、XPS、Raman、FT-IR和TEM等方法，对N掺杂导致CDs发光红移（从蓝色到绿色）的机理进行了深入探究。研究发现，N掺杂会在碳量子点表面引入大量的氨基，并增大表面氧化程度，这有利于带隙的减小，使得发光红移，对指导合成目标CDs具有重要意义。值得注意的是，N-CDs对pH有敏感的响应，研究发现，在酸性环境下，N-CDs会自组装成大尺寸的碳量子点，尺寸越大，越容易失去量子限域效应，导致带隙减小，发光红移。在弱碱性环境，N-CDs表面的-COOH会发生去质子化，减小了非辐射复合率，使得发光增强，而强碱性环境会导致N-CDs分解，使得荧光猝灭。最后利用N-CDs对pH敏感响应的特性，成功的将N-CDs应用于细胞内pH的检测和可视化。