在生命科学,材料科学,医药,地理学和物理学当中,磁场的精密测量和成像都是一个非常重要的课题。弱磁探测在近些年来得到了长足的发展,包括在材料科学,生命科学以及物理学等不同领域。磁探测的灵敏度,空间分辨率和稳定性都得到了很大的发展。经过自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)以及磁交换力显微镜(MExFM)的发展,已经能够直接对自旋结构进行原子尺度的测量。在力探测磁共振技术的帮助下,2004年实现了单电子自旋的探测,2009年实现了对10nm尺度核自旋系综的核磁共振探测。而在另外一种灵敏度更高的体系SQUID中也已经实现了扫描磁探测。SQUID方法有着更好的灵敏度但是空间分辨率较差。为了同时达到提高探测灵敏度和空间分辨率的要求,Chernobrod和Berman提出了基于荧光的自旋显微系统。同时,Budker和Romalis的一篇综述研究了量子相干并发现了其在基于光学的磁探测中扮演了重要的角色。而本文将要介绍的金刚石中的单自旋体系——NV中心恰好完美的满足了对精密磁探测的要求。NV中心可以非常精确的定位,进行纳米尺度的加工,有着良好的光学性质,以及室温下超长的相干时间。精确定位和纳米尺度加工技术使得NV中心作为探针有可能达到很高的空间分辨率,而良好的光学性质和超长相干时间能够帮助进一步提高探测灵敏度。在本篇博士论文中,我们发展了一种基于NV中心自旋的磁探测方法并实现了单核自旋灵敏度的探测。第一章,我们介强了NV中心基本性质,同时总结了NV探针对于交变磁场以及电子自旋和核自旋的探测现状,并且介绍了其在材料,生物和物理方面的应用。在第二章我们介绍了利用了“多通过”方法来提高探测灵敏度,优化了脉冲序列,并实验展示了高阶的动力学去耦脉冲序列可以用于磁探测。第三章,我们首次发现了反常退相干效应。我们在NV中心自旋上施加了一系列的动力学去耦脉冲,通过比较单量子跃迁和多量子跃迁的不同行为,从而首次揭示了这一新奇的物理现象。第四章中,我们研究了强耦合情况的核磁共振谱。我们实现了对4个29Si核自旋的核磁共振探测,探测灵敏度已经达到单个质子水平。利用金刚石探针形成的强梯度场,以及压缩探测的方法,我们实现了以A量级的精度对核自旋位置的判断。第五章,我们通过关联谱的探测提高了谱的分辨率。在第六章,我们探测并表征了13C-13C核自旋之间的相互作用,并从相互作用矢量解析出核自旋对的取向和结构信息。