课题组致力于新型化学生物传感器、可穿戴检测设备、芯片实验室的设计以及新功能材料的研究，积极探索在移动医疗、公共安全、食品与环境监测等相关领域的实际应用。鉴于手机移动端的便捷性等优势，我们尤其感兴趣在智能手机上构建以化学传感元件为基础的即时检测平台。

目前主要研究项目包括：

(1)基于微纳自组装结构的液体活检数字化微平台构建。

        液体活检技术在疾病诊断中发挥重要作用。然而众多疾病的早期阶段，许多重要的生物标志物在生物体液中的丰度通常处于极低水平，从而需要超灵敏的生物检测方法。而大多数传统的基于批量分子测量的分析方法，即模拟信号读出分析，都不尽如人意。近十年来，随着荧光/拉曼原理的计数技术的快速发展，一系列能够在单分子水平检测生物标志物的数字式生物测定方法为微量生物标志物的定量开辟了新的途径。与传统的分析方法完全不同，在典型的数字式生物测定中，低丰度的目标分子被隔离到众多密封的微反应器中，确保一个微反应器中最多有一个目标分子。然后，单个靶标分子启动产生足够的信号，照亮单个微反应器的微小体积(fL~nL)，并将其视为正，记录为“1”。而没有靶分子的微反应器输出负信号，记为“0”。最后通过数字计数阳性或阴性微反应器的数量来量化目标分子的浓度。与传统的基于批量测量的方法相比，数字式生物分析可以实现更高的灵敏度和更低的检测限。  

        该工作结合各类特定形貌的微纳自组装结构，积极开发单颗粒/单分子层面的液体活检微平台，旨在极大提升生物标记物检出限。通过多重标记物定量分析，对各类疾病的早期诊断与演化发展提供全面信息。

(2)医用微流控芯片及其靶向诊疗应用。

       近年来，肺癌已经成为中国发病率和病死率最高的癌症种类。受限于化疗药物的非特异性、半衰期短和系统毒性等因素，化疗药物往往无法发挥其最大的治疗效果。而采用病毒纳米颗粒、聚合物或脂质体作为药物递送载体进行给药，则由于这些载体无靶向性而存在非特异的药物释放。且这些载体往往具有较强的免疫原性，导致最终药物递送效率不够理想。寻找一种新的生物相容性好、免疫原性低、可主动靶向肿瘤组织的药物递送载体，对于提高化疗的治疗效果具有重要意义。

       该项目拟开发一种新型微流控芯片，实现低流速流体的充分混匀，结合修饰有针对特异性肿瘤标志物的抗体的免疫磁珠，实现外泌体的高效、高纯度捕获和释放（图1）。进一步利用脂质体融合法，将捕获的外泌体改造为癌症治疗药物的载体。注入同一患者体内后，工程化的自体靶向外泌体可协同利用磁珠释放的特异性抗体的靶向作用和外泌体自身的归巢效应，护送癌症治疗药物至肿瘤部位，精准杀灭肿瘤细胞，并在循环过程中免受免疫系统攻击和溶酶体损伤等，实现对肺癌的高效、低副作用治疗的目的。为实时监控肿瘤的治疗效果，还可同时在自体靶向外泌体内装载近红外/荧光成像分子，利用近红外光良好的组织穿透能力，实时成像观察肿瘤治疗情况，为癌症治疗方法的制定提供精准指导。

图1. 医用微流控芯片设计。A）Hb-DF-chip捕获和释放血浆中外泌体流程示意图；B）计算机模拟鱼骨增强型迪恩流混匀流道内物质浓度分布。

(3) 其他类型生物/化学传感器的开发。

       另外还将拓展其他光电传感检测体系，寻找其他高效的检测平台或信号传导机制如：i)开发基于光子晶体结构的光学传感器。光子晶体是由折射率不同的材料交替层构成的周期性结构。限制在光子晶体内部的波导具有非常尖锐的低损耗弯曲，从而使集成信号密度增大多个数量级。利用硅基球作为模板合成功能聚合物，并经过化学刻蚀除去模板剂所形成的周期性结构，可作为具有优异光学性质的一类传感材料。ii)可穿戴的半导体电阻或电容传感器的开发（图2）。目前该领域的研究主要集中在力学性质的研究如对肢体运动、心跳等多种人体活动和健康的实时监测，我们想进一步将其引入到对人体代谢产物以及对植物体的研究中，且除了对物理信号的收集还将考虑对多种化学信号的数字化（如水分、挥发性气体代谢物、矿物质、糖类等各类营养成分以及潜在的农药、毒素和病原体污染的标定）。

图2. 一种的基于电阻变化的可穿戴气体阵列式传感器微芯片，用于实时监测植物对外界刺激的VOC释放应激响应。