金刚石中的氮-空位（N i trogen-Vacancy,N V）色心是一种重要的量子传感器,其在室温大气环境下具有很好的光学性质和量子相干性质,可用于温度、电场、磁场等物理量的探测。自2008年使用金刚石NV色心进行弱磁探测的方案公布后,NV色心被应用于凝聚态领域的二维磁性材料物性研究、生命科学、医学等领域,相关研究成果大量涌现。得益于其高灵敏度、高空间分辨率、及室温大气工作环境的特性,金刚石NV色心测磁技术在生命科学领域具有独特优势。荧光纳米金刚石（Fluorescent Nanodiamond,FND）是含有NV色心的纳米材料,依靠NV色心特有的荧光性质和纳米金刚石良好的生物相容性,加上其较小的尺寸,可以作为一种独特的开展荧光检测和磁共振测量的工具应用于生物学研究。基于金刚石NV色心的微观磁共振测量在生命科学中的应用主要包括磁共振谱学和磁共振成像检测,在从单分子到单细胞、再到生物组织、甚至器官个体水平的研究中都有广泛的应用。本论文主要使用NV色心开展微米尺度的磁成像和稳定的荧光成像,分别应用于亚细胞磁成像和生物液液相分离的荧光示踪检测。本论文主要包括以下几个方面的内容:1.介绍了 NV色心的来源和制备方法,NV色心的能级结构和荧光性质,弛豫过程,以及根据NV的哈密顿量可以探测的物理量,并简单总结了 NV色心在生物研究中的应用。2.首先介绍了 NV色心磁场测量的原理,基于该原理我们搭建了适用于生物样品的宽场磁成像装置,并详细描述了该装置的组成、特点和使用方法,最后用该装置对内吞有磁纳米颗粒的巨噬细胞进行了亚细胞分辨率的磁成像,验证了装置的磁成像能力和生物学应用价值。3.我们利用荧光纳米金刚石稳定的荧光特性,探索了 FND用于生物液液相分离过程动态分析和理化性质研究的可能方案。通过相分离体系中FND的动态荧光成像,我们对相分离体系的动态过程及理化性质进行了研究,在相分离的相区、动态运动和电荷性质等方面获取了初步的研究成果。4.我们对基于NV色心的宽场磁成像装置和相分离荧光成像研究进行了总结,分析了当前的问题,也提出了下一步研究设想,同时展望了这一研究方向未来的生物学应用前景和重要意义。总之,我们基于NV色心磁场测量的原理搭建了适用于生物样品的宽场磁成像装置,测试了巨噬细胞这种亚细胞的磁成像,验证了装置的磁成像能力和生物学应用价值。利用荧光纳米金刚石稳定的荧光特性对生物液液相分离过程进行了动态分析和理化性质研究,得到了稳定的荧光成像。