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磁性纳米材料由于在磁流体、信息存储、催化及生物医学领域等方面的广泛应用而引起人们越来越多的关注。纳米材料的磁学性能很大程度上依赖于磁性纳米颗粒的粒径大小、化学组成、晶体结构、形貌等参数。精准的调控这些参数，对于提高磁性纳米材料的性能、推进纳米技术发展起着重要的作用。本论文利用直接还原法、水热法、热分解法制备了一系列尺寸形貌可控的磁性纳米材料；研究了不同尺寸形貌的磁性纳米颗粒的磁学性能，并对材料进行合金化或进行包覆提高其稳定性、改善磁学性能；对磁性纳米材料进行表面改性应用于生物影像学，研究了不同尺寸、不同成分的磁性纳米探针在活体生物成像上的应用。
1.利用纳米Kirkendall效应，采用直接还原-原位置换的方法，以Fe纳米颗粒为牺牲模板与Co2+反应，制备了Fe70Co30合金磁性纳米空心球。通过对不同时间所得产物的透射电镜（TEM）观察，对它们的生成机理进行了详细的探讨。同时研究了573K下煅烧对产物性质的影响，对煅烧前后的Fe70Co30空心球进行了表面等离子体共振（SPR）光学和磁学性能表征。煅烧后，产物的结晶度变好，饱和磁化强度和矫顽力得到提高。
2.利用外加磁场，使得Fe纳米颗粒因磁偶极相互作用组装成一维链状结构，原位缓慢氧化得到一维Fe3O4磁性纳米空心球链。反应是一个类Kirkendall效应的过程，扩散过程受制于气氛中的氧气含量，同时反应所处的水相环境也起到了很重要的作用。产物的饱和磁化强度较低，矫顽力较小，冻结温度TB约为300K，各向异性常数比本体材料高一个数量级。
3.在葡萄糖存在的条件下，利用NaOH将FeSO4沉淀，通过水热反应制备了多聚糖包覆的二维Fe3O4纳米片。详细研究了实验参数对产物形貌结构的影响，得到片状的Fe3O4产物得益于葡萄糖和NaOH浓度的精准调控。经过多聚糖的包覆，产物稳定性和亲水性得到大大的改善，并且该方法可以推广至其他铁酸盐纳米片的制备。产物的饱和磁化强度高，但矫顽力较低，产物之间的磁偶极相互作用较强。
4.通过热分解法，在强极性溶剂中直接制备了水溶性的PVP包覆的氧化铁（PVP-IO）纳米颗粒。通过控制表面活性剂与有机前驱体的比例，制备了一系列粒径不同的单分散PVP-IO纳米颗粒。该样品表现出较高的弛豫率R2值，并随着粒径的增大而增加。研究了不同粒径大小的PVP-IO纳米颗粒与巨噬细胞作用的不同，以及对正常鼠肝部及原位肝癌Huh7肿瘤磁共振成像中提高图像对比度的能力。流体力学直径在100nm左右的PVP-IO-37样品表现出最快的细胞摄取速度，最高的活体磁共振成像对比度。
5.利用热分解法制备了单分散的MnO纳米颗粒，并对其进行表面修饰改性，用多巴胺替换表面试剂分子，紧接着包覆一层人血清蛋白（HSA），得到了水溶性的HSA-MnO纳米颗粒。经过进一步接枝上放射性单元DOTA-64Cu，实现了纳米探针的多功能化，并将其成功应用于皮下U87MG肿瘤的活体生物磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PET）。HSA-MnO纳米颗粒基于EPR效应聚集在肿瘤部位，使得皮下肿瘤能被MRI/PET检测。通过离体器官PET和组织切片TEM，进一步证实了HSA-MnO纳米颗粒在肿瘤部位的聚集。