目前临床使用的磁共振(MRI)造影剂普遍存在弛豫率较低,灵敏度有待提高的问题,发展高效的造影剂对组织的精确诊断具有重要意义。作为领域中研究和使用最广泛的造影剂之一,磁性氧化铁纳米的晶体结构与造影性能关系的研究仍很初步,如何有效提高造影性能仍亟需深入发展。本论文以氧化铁纳米结构为基础,以金属掺杂的策略,研究了铁氧体纳米的掺杂和结构、尺寸和形貌等与造影性能的构效关系,有效提高了磁共振造影成像分析的灵敏度和诊断的准确度。第一章,我们简要介绍了 MRI技术的研究背景、MRI的成像原理和几种类型的MRI造影剂及其应用,并提出了设计高性能磁共振造影剂的几种策略。第二章,我们设计合成了一种铕内嵌的新型T1-T2双模式磁共振造影剂,较单一模式的造影剂显著提高了磁共振成像诊断的准确性和可靠性。氧化铕嵌入氧化铁后显著增加了纳米颗粒的T1弛豫率和对比增强效果。直径14 nm的EuIO纳米立方体具有较高的r1值(36.8 mM-1s-1,相对于总金属离子的浓度),约3倍于具有相似尺寸的Fe304纳米颗粒的r1值。此外,可通过改变尺寸和铕掺杂比例来调整EuIO纳米立方体的r1和r2值。表面包裹柠檬酸钠后,EuIO纳米立方体在小动物的心脏和肝脏区域的成像中具有T1和T2对比增强效果。此项工作为设计双模式MRI造影剂应用于生物医学领域提供了一个新的思路。第三章,我们探索了锰掺杂比例对氧化铁纳米晶体结构、磁性性质和造影性能的影响,通过研究优化了锰离子的掺杂比例,得到了一种高性能的T2造影剂。有趣的是,锰离子增加至某一掺杂比例时,材料的饱和磁化强度和T2造影性能达到峰值,之后随着锰离子掺杂比例进一步提高,材料的饱和磁化强度和T2造影性能反而急速降低。相关实验表明,产生这一结果的原因可能是过多的锰离子掺杂使得氧化铁的晶格结构变得无序。另一方面,Mn2+掺杂水平提高后,部分Mn2+可能进入到了氧化铁反尖晶石结构的四面体而非八面体空隙中,从而抵消了部分净磁矩。此工作为调控金属组分以得到高性能的暗场造影剂提供了一个新的思路。第四章,我们利用了第三章所阐述的最优锰掺杂比例为模型,研究了纳米颗粒的形貌如何影响水质子的弛豫过程。我们设计合成出六种不同形貌但具有相同几何体积的锰铁氧纳米颗粒,研究了形状与T1/T2弛豫率之间的关系。磁性纳米颗粒的形貌极大地决定了它的有效半径和由纳米颗粒诱导的杂散场,进而影响了横向弛豫率。在纵向弛豫过程中,T1弛豫率与磁性纳米颗粒的比表面积和裸露晶面上的金属离子的占有率呈正相关。形貌与弛豫率之间的关系以及r2/r1比值均可作为设计T1或T2造影剂的最优形貌的导向,有效半径的概念也可以作为一个法则以获得优越的暗场造影性能,比表面积和裸露晶面亦有助于设计明场造影剂。这些原理将会成为发展高性能造影剂的指导法则。第五章,我们以第四章研究发现的内凹八角叉结构为基础,发展了锌掺杂的氧化铁内凹八角叉作为高性能的T2造影剂。基于内凹八角叉结构极大的有效半径和最优的锌掺杂比例,该纳米颗粒具有超高的横向弛豫率和T2磁共振造影能力,活体实验和原位肝癌模型均显示了很好的暗场成像效果。该工作有助于发展潜在的高灵敏度、低使用剂量和低毒副作用的磁共振造影剂。