DO3A-Thiol ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการพัฒนาสารตัวแทนการถ่ายภาพโมเลกุลแบบกำหนดเป้าหมาย โดยเฉพาะในภาพถ่ายด้วยคลื่นแม่เหล็ก (MRI) และการแพทย์นิวเคลียร์ การประยุกต์ใช้หลักคือความสามารถในการจับไอออนโลหะ เช่น แกโดลิเนียม (Gd³⁺) หรือโลหะกัมมันตรังสี สร้างคอมเพล็กซ์ที่มั่นคงซึ่งสามารถคอนจูเกตกับไบโอโมเลกุล เช่น เพปไทด์ แอนติบอดี หรือนาโนพาร์ติเคิล ผ่านหมู่ธิโอล สิ่งนี้ช่วยให้การส่งตัวแทนคอนทราสต์ไปยังตำแหน่งเฉพาะ เช่น เนื้องอกหรือเนื้อเยื่อที่เป็นโรค เพิ่มความไวและความแม่นยำในการถ่ายภาพ

คุณสมบัติของหมู่ธิโอลช่วยให้การคอนจูเกตชีวภาพที่ควบคุมได้ภายใต้สภาวะอ่อนโยน เหมาะสำหรับการติดฉลากไบโอโมเลกุลที่ละเอียดอ่อนโดยไม่กระทบต่อกิจกรรมทางชีวภาพ ในงานเทอรานอสติก (theranostic) โครงสร้างที่ใช้ DO3A-Thiol ถูกนำมาใช้เพื่อรวมการถ่ายภาพวินิจฉัยและการรักษาในแพลตฟอร์มเดียว โดยเฉพาะในการวิจัยมะเร็ง นอกจากนี้ ยังสนับสนุนการพัฒนาโพรบ MRI แบบตอบสนองหรือกระตุ้นได้ ซึ่งการเพิ่มสัญญาณเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีตัวกระตุ้นทางชีวภาพเฉพาะ ช่วยปรับปรุงการตรวจจับโรคในระยะเริ่มต้น