本发明提供了一种空心氮掺杂碳球负载单原子钆造影剂的制备方法及应用。该方法通过制备尺寸可控的纳米二氧化硅微球作为模板，将多巴胺和钆离子同时包覆在纳米二氧化硅微球表面，通过高温煅烧得到氮掺杂碳负载的单原子钆；随后将二氧化硅刻蚀掉，并进行亲水性聚合物的表面包覆，得到聚乙二醇化的空心氮掺杂碳球负载单原子钆造影剂。通过上述方法，本发明独特的Gd‑N‑C结构可以使得单原子钆被氮原子稳定地锚定而不会脱落，提高了生物安全性，表面包覆的聚乙二醇进一步提高其水溶性和生物相容性；该单原子造影剂可以充分利用每一个钆原子，提高了金属原子的利用率；其造影成像能力和效果优异，是一种应用广泛、前景良好的新型造影剂。