单分子是发挥生物分子功能、参与化学反应的最小单元。在微纳尺度下解析单个分子行为，对揭示单个分子独特的理化行为、识别分子–微环境间相互作用、设计具有极高灵敏度的单分子检测方法等方面都具有极其重要的意义。
课题组通过构建新型单分子荧光显微成像系统，从单分子三维定位、空间取向、荧光光谱等多重维度，全方位解析单分子参与物理、化学、生命活动等过程的多模态信息。
课题组重视单分子成像整套流程，在构建成像研究对象、发展成像方法与成像系统、超分辨成像数据处理等方面均具有自己的研究特色。
研究方向一
利用单分子定位超分辨荧光技术实现对单个分子纳米级别的三维精确定位，能够突破衍射极限，观察与研究纳米尺度下生物膜、多肽、核酸等大分子自组装体以及亚细胞单元的结构与功能，成为推动生命科学领域进展的重要技术；也有助于在单个分子层次上，深入理解分子理化行为所遵循的独特规律。
另一方面，单个分子的空间取向是一个极其重要却常常被忽视的重要参数。例如，在复杂的生物软物质、自组装体或主客体结构中，单分子与所处的微环境的相互作用，生物功能分子发挥特定的生物学功能、实现化学变化的转换途径，都依赖于单个分子以特定的空间取向参与其中。
课题组进一步发展超分辨荧光成像技术，通过设计光学成像系统，调控单个分子的点扩散函数（point spread function，PSF），实现对单个荧光分子的三维空间取向与定位的同时成像。以一个崭新的维度，重新审视生物膜、多肽、核酸等大分子自组装体独特的微观异质性结构及其功能间的耦合、调控机制。
对磷脂膜微区化学组分、磷脂膜微球进行三维空间取向超分辨成像
研究方向二
研究单个分子的电化学行为、发展单分子电分析化学理论与技术，将有助于在单分子尺度上理解电化学行为，实现单分子高灵敏检测与传感。使用具有电化学活性的荧光探针，将难以检测的单个电子得失事件转换为易于检测的单分子荧光信号，使单分子电化学研究成为可能。
进一步结合单分子荧光三维空间取向与定位超分辨荧光成像技术，对生物体内电子转移、氧化呼吸过程进行超分辨成像定量分析。
介孔孔道内荧光探针受限扩散与单分子电化学成像 J Am Chem Soc 2017
∼10 fL限域空间调控分子富集与扩散行为 Anal Chem 2017
研究方向三
基于宽场成像的单分子荧光技术，发展新型单分子传感策略与检测方法，将定量分析进一步推进到检测单个分子这一终极灵敏度，避免宏观尺度测量带来的群体行为平均化问题。