癌症已成为当今世界面临的最大挑战之一,在过去二十年,各种类型的纳米结构材料已被开发用于癌症的成像和治疗。在这些纳米材料中,碳基纳米材料因其独特的理化性质而被应用在癌症的诊疗学。在碳材料中,介孔碳纳米球因其显著的孔体积和优异的比表面积可以负载大量的药物,并且在近红外区有强烈的吸收,在纳米医学应用上具有较大的潜力,但由于制备过程高温煅烧使得材料非常容易聚集,且合成步骤繁杂,阻碍了进一步应用。此外,碳点由于其优异的光学性质,小的粒径(1-10 nm),低毒性,高度的水溶性和生物相容性展现了巨大的潜力,近年来越来越多的研究者致力于开发金属掺杂的碳点以赋予碳点更多优异性能、拓宽碳点的应用,但目前掺杂碳点在纳米医学领域依然有局限性,具备的性能单一无法满足纳米诊疗学的需要。在本文中的第二章,我们通过无模板法合成了尺寸均匀的中空介孔碳纳米球(HMCNs),且通过湿氧化法改善了材料的分散性。所得的空腔和介孔结构性质使其达到高载药量(48.0 wt%)同时强烈的近红外(NIR)吸收实现了优异的光声成像能力和光热转换效率(32.0%)。体内研究表明,HMCNs在NIR照射下实现了化疗和光热联合治疗,有效抑制了肿瘤增长。针对较大尺寸的纳米颗粒难以在体内清除这一问题,在第三和第四章,我们进一步成功合成了尺寸较小的钆和锰掺杂的碳点,实现了肾脏代谢,不会滞留在网状内皮系统对宿主有长期的毒性。钆基碳点除了荧光性能和磁共振造影能力外,在近红外区有较宽的吸收,在激光辐射下能够高效产生单线态氧,可以应用于光动力疗法,体外和体内实验皆说明该碳点本身即是内在的集成像和治疗功能于一体的诊疗试剂。在第四章,我们进一步合成了内嵌锰碳点,它具有更高的安全性和生物相容性,和同类锰基造影剂相比,在9.4 T磁场中具有很高的纵向弛豫率,更多的是,它具有可调控的荧光以及能够穿过血脑屏障进入大脑,原位脑胶质瘤小鼠模型实验证明它能够用于脑胶质瘤的荧光成像和磁共振成像。本文的研究为碳纳米材料作为癌症诊断和治疗学的新型多功能探针的设计提供了新的见解和很大的应用前景。