光学传感和成像

（1）光学材料：我主要关注稀土材料、染料、和其复合材料。该类材料特点是：上转换发光、近红外发光、单激发多波长发射等特点，使其能够显著降低光学检测和成像的生物背景噪声信号，例如常见的可见光波段染料生物穿透深度仅为1mm，而近红外材料的生物穿透深度可达10mm 该类材料的典型应用方向包括：细胞和动物光学成像（包括分子成像、无创纳米级温度成像、超分辨成像、极弱机械力成像）、体外诊断、光热治疗、光动力学治疗、光遗传学、安全防伪、光伏等。

（2）开发新型的活体诊断方法：人体的自由基与多种疾病的发生和发展密切相关，但由于自由基的半衰期短，传统的体外诊断在检测时大部分自由基已降解，无法得到准确的检测结果；通过给待测部位注射纳米自由基检测探针 是一种学术上的研究方法，仅限于小鼠等动物模型的研究，这种方法无法应用于临床的主要原因是光学在组织内的穿透深度有限、纳米探针的潜在生物毒性威胁、缺乏长期监测的模式等。基于此，我们开始探索通过植入式医疗器械与光学探针的联用解决以上问题，为光学活体 实时监测的临床转化提出了一条可行的路径。同时，发展了对自由基的活体实时监测和长期监测两种模式，在大鼠和实验猪模型上验证了方法的可行性和植入式器械的生物相容性。最后做了一些生物学上的探究，通过表达绿色荧光蛋白的大鼠卵巢癌细胞构建了癌细胞腹膜转移 模型，观测了20天内疾病模型中的自由基含量变化，并首次量化了肿瘤微环境中癌细胞和免疫细胞等对自由基产量的贡献。 相关成果：发表论文Advanced Materials, 2023, 2210948；其中探针的基础研究论文Nano Letters,2023, 23, 15, 7001-7007。 项目中用到的微型柔性腹水转运泵在2023年已成立公司开展临床实验研究。

（3）近红外发光便携式快速检测方法及仪器研发：通过对光学波长的近红外调制和上转换发光，实现了最高检测灵敏度的生化检测试纸条（降钙素原、肌红蛋白），检测性能优于常见的胶体金、量子点、荧光微球等试纸条， 使低成本的试纸条检测性能可媲美高端的化学发光检测。 相关成果：ACS Nano, 2020, 14, 12, 16864-16874； Sensors and Actuators B: Chemical，2018，282, 309-316；

（4）纳米单颗粒尺度研究稀土光学传感器和能量耦合机理：系综尺度的研究是最常见的方式，系综可以理解为日常生活中肉眼直接可见的维度，我们在系综层面上具有一些积累，比如发表了第一篇关于“染料到稀土上转换纳米晶光学能量传递” 的顶刊综述文章（Chemical Society Reviews, 2017, 46(14):4150-4167），并应用染料到纳米晶的能量传递进行生化检测等。2021年首次发表文章研究了单颗粒尺度的基于上转换纳米晶和染料能量耦合的光学传感（Analytical Chemistry, 2021, 93(34): 11686-11691），对铜离子进行了高灵敏检测。研究过程中我发现目前普遍使用的单颗粒研究方法并不严谨，无法实现对单颗粒的原位和大量统计研究、无法准确揭示微观的能量耦合模型，因此，借助微纳加工和人工智能技术发展了一种新型的单颗粒研究手段， 拿到了一些项目资助，目前正在做相关研究。

（5）生物成像：光学造影剂是生物成像的必备试剂，常见的光学材料包括有机染料、量子点、稀土发光纳米材料、贵金属纳米颗粒等，其中有机染料小分子是最具有临床转化价值的。但有机染料特别是比较好用的近红外染料存在 光稳定性差、量子产率低、生物相容性一般、缺乏可供修饰的官能团等缺点。基于此，我们的想法是通过内源性的蛋白质-铁蛋白与染料构建复合物，解决该问题。具体地，铁蛋白去除铁核为去铁蛋白，将去铁蛋白解离为多肽，与染料分子发生相互作用连接，而后自组装成 包含染料的去铁蛋白。去铁蛋白-染料复合物相比于单独的染料分子，其摩尔消光系数、量子产率和发光亮度都得到了巨大提升，最高发光亮度提升了两三千倍。随后我们通过AutoDock计算分析了染料与多肽间的作用力类型（几何互补、疏水作用、氢键等），并研究了发光亮度提升 的机理。最后进行了超分辨细胞成像、光学和光声双模态成像应用研究。 ACS Nano, 2022, 16(1): 328-339

电化学传感

（1）通过电化学工作站和三电极体系，进行工作电极的功能化处理，构建电化学生物传感器，对蛋白质、核酸、小分子等进行检测。通常在材料上进行创新，以增加系统导电性、增大传感面积，或者在方法上创新，以放大检测信号。 这是我硕士期间的早期研究，目前做的较少了，作为一作发表了多篇论文（Biosensors and Bioelectronics, 2014, 54: 85-90. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 204(204): 119-124. Biosensors and Bioelectronics, 2013, 47(47): 171-177. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 194(194): 276-282）。基于这些原理，2022年我们也参与了多个省重点研发和横向项目的研究，包括柔性可穿戴无创血糖检测贴片、可穿戴无创检测生殖激素等。

电场/电刺激治疗

（1）肿瘤电场治疗器件，肿瘤治疗电场是一种中频（100-300kHz）、低强度（1-3V/cm）交变电场的新型非侵入性抗癌治疗方式，主要原理是破坏快速增殖癌细胞的有丝分裂过程，杀灭肿瘤细胞。2023年初我作为项目经理 主持该样机的研发，完成了基础实验样机的定型和动物实验验证，相关的工作也上传到学术预印本bioRxiv上：Development and Validation of a Comprehensive Tumor Treating Fields System for Glioblastoma Therapy: From Prototype Design to Preclinical Evaluation。 目前，我们依靠自身优势和技术积累正在研发更加创新型的细胞/动物/人体实验样机、电极贴片，之后会与临床医生合作推进产品转化，与基础医学研究人员合作探索治疗原理等科学问题。 当然，本技术实质上是一种靶向破坏快速分裂细胞的技术，也会探索在其它疾病中的应用，这些疾病也是由细胞异常增殖引起。