本课题组研究领域为食品安全传感分析和电化学生物传感，主要研究方向为：

食源性致病菌\真菌毒素快速传感检测研究

 Rapid sensing of food-borne pathogens and mycotoxins

展青霉素（PAT）是一种由曲霉，青霉及丝衣霉代谢的副产物，同时也是广泛存在于水果中的污染物。毒理学研究证明了它对人体健康有毒害作用，例如肾损伤，神经毒害以及潜在的致畸性。因此，国际上制定了一系列标准监督食品中PAT含量，联合国粮食及农业组织/世界卫生组织食品添加剂专家委员会规定人体每天摄入的限量值为0.4 μg/kg，我国GB2761-2011对食品中PAT含量也做出了规定，标准为50 μg/kg。目前，一些分析方法被研究来定量检测PAT，如电化学方法，色谱法，比色法和免疫法等，其中，电化学方法由于具有响应时间短，便携和实时检测等优势，而受到研究者们的青睐。黑磷纳米片（BPNS），是一种新型的二位纳米材料，BPNS可以通过破坏黑磷层状晶体间的范德华力来得到，每个磷原子与相邻的三个磷原子结成共价键，形成卷曲的正交结构。由于它具有优异的电学、光电学性质和好的生物相容性被广泛用于电池材料、光催化和生物医学等方面。为了扩展它的应用，进一步提高它的性能，一些基于BPNS的纳米复合材料也被成功制备。传统的电化学传感器通常是单信号输出，这种单信号输出的传感器容易受到外界干扰而产生信号波动。比率型的双信号电化学传感器的提出克服了这一缺点。与传统的单信号电化学传感器不同，比率型电化学传感器具有双电化学信号，并使用两个信号的比率而不是单个信号的绝对值作为输出信号。我们利用黑磷纳米片构建了一种比率型传感器，并将其应用于苹果等水果中展青霉素的快速电化学传感检测中。相关论文目前一部分发表于Microchimica Acta 2019, 186: 238。

图1. 基于黑磷纳米片的展青霉素电化学传感快速检测原理示意图

 疾病标志物Point-of-Care快速检测研究

 Point-of-Care analysis of disease-related markers

疾病标志物的检测是一直以来是科研工作者们的重要研究领域，开发便捷、低成本的方法用于疾病标志物的检测在现代医疗保健中具有重要作用。因为这些方法具有个人医疗保健的潜力，并可以将简单的医疗保健从医院转移到家庭或医疗点，这就是常说的POC检测，它可以给农村和偏远地区的人们带来极大的方便。为实现这一目标，过去十年中科研工作者已经做出了巨大的努力。但是，只有很少一部分方法可供大众使用。而其中，血糖仪（PGM）是最成功的例子，它价格便宜、方便购买，并且也可以作为智能手机的附件。然而，目前的PGM只能检测血糖，所以开发出一些新方法将血糖仪用于更多目标物的检测是科研工作者们的研究方向。这些方法通常由三部分组成：目标识别，信号转换和信号放大。我们基于酶级反应，实现了PGM对谷胱甘肽和甘油三酯的检测；（2）基于介孔硅纳米材料的调控释放，实现了PGM对核糖核酸酶、mRNA和肌钙蛋白的检测。因此，使用血糖仪检测非葡萄糖目标物的方法是可行的，并且基于血糖仪的POC检测具有很大的应用前景。相关论文目前一部分发表于Analytical Methods 2019, 11, 1849-1856。

图2. 基于PGM的POC快速检测谷胱甘肽、甘油三酯原理示意图

核酸纳米组装及传感分析研究

 Nucleic acid-based nanoassembly and sensing analysis 

        近年来，基于核酸生物分子设计和构筑新型高性能传感界面受到食品科学、生命科学、材料科学、环境科学、医学等相关学科和领域研究者们的广泛关注。尤其是利用核酸分子组装新型纳米结构来构筑传感界面，以实现超低浓度甚至是单分子检测，已成为食品、生物、医药和环境分析的前沿课题。我们将具有高特异识别性能的DNA适配体链与特定DNA链构成具有五面体结构的传感识别单元，设计组装了DNA五面体纳米结构，构建了基于三维DNA纳米结构的电化学传感器，揭示了DNA纳米结构识别机理与转换机制，建立了高稳定三维DNA纳米结构组装新方法和高灵敏检测γ干扰素、可卡因等的电化学检测新方法。所构筑的传感器对γ干扰素的检出限可达5×10^-13 mol·L^-1，对可卡因的检出限可达5×10^-10 mol·L^-1。该工作扩展了基于DNA纳米结构在电化学传感研究中的应用，并为三维DNA纳米结构的组装及其生物传感研究、新型多信号标记传感研究提供了新思路，对开发逻辑门纳米电子器件和传感芯片等具有重要科学意义和参考价值。相关论文发表于Nanoscale 2013, 5, 7505和Biosens. Bioelectron. 2014, 51, 191上。

图3. 基于三维DNA纳米结构的电化学传感界面构筑与识别原理示意图

在构筑具有信号放大效应的传感界面研究中，我们将前期系列研究工作（J. Mater. Chem. 2011, 21, 12873; Biosens. Bioelectron. 2009, 24, 1621; 2010, 25, 2071; Sens. Actuators B, Chem. 2011, 160, 1070; Anal. Chim. Acta 2011, 689, 47; Analyst 2011, 136, 781等）中的生物催化与纳米材料、滚环扩增等信号放大策略相结合，构筑了具有信号放大效应的传感识别界面，建立了高灵敏、高选择性检测乳腺癌细胞MCF-7、肌钙蛋白等的电化学传感新方法。相关论文发表于Chem. Commun. 2015, 51, 2114;  Biosens. Bioelectron. 2018, 113, 142; Biosens. Bioelectron. 2010, 25, 2071等。

图4. 基于DNA滚环扩增诱导酶催化的电化学传感器构置示意图

纳米材料可控制备及传感分析研究

 Controllable synthesis of nanomaterials and their application for sensing

     近年来，利用纳米材料优异的光、电、磁等特性构建传感体系是纳米材料制备和组装、光电器件、生物成像和传感等领域的研究前沿。在该研究之前，利用纳米材料来构筑电化学传感界面已有文献报道。然而，如何通过控制纳米材料组成、形貌和尺寸，实现对传感界面识别、催化等性能的高效调控，是摆在传感界面研究工作者们面前的一大挑战。2010年以来，本研究组采用水热、气液界面、电化学沉积、亲疏水力调控等方法，系统制备了金属及合金、金属氧化物、碳等多种类型纳米材料，构筑了基于形貌可控纳米材料的电化学传感界面，研究了血红蛋白、葡萄糖氧化酶等生物分子的电化学行为和电催化性能，揭示了材料组成、尺寸、形貌等与多元纳米结构协同催化性能和传感界面识别响应性能间的关系，建立了高灵敏检测NO₂^—、咖啡酸、H₂O₂、葡萄糖等物质的电化学传感新方法，并将其应用于食品、生物样品、环境样品的分析检测。我们以氯化胆碱和丙二醇为原料制备出具有类离子液体的低共熔溶剂，并以其作为溶剂和模板制备出普鲁士蓝纳米球，发现普鲁士蓝纳米球的生长与低共溶剂分子结构相关（Nanoscale 2012, 4, 6880）。基于可控制备这一思路，我们开展了“气液界面”、“亲疏水作用”等调控制备纳米材料系列研究工作（ACS Appl. Mater. Inter. 2015, 7, 28377; 2014, 6, 5439; ACS Sustain. Chem. Eng. 2016, 4, 4895; 2015, 3, 1600; Electrochim. Acta 2013, 90, 35; 2011, 56, 2471等），原理见图3和图4。该方法具有简单易行、高效可控、重复性好等特点。同时，所构置的传感器也表现出响应更快、更灵敏和线性范围更宽等突出性能。基于上述可控制备的纳米材料所构置的传感器成功用于牛奶、饮用水、香肠等食品中NO₂^—、H₂O₂，血液中葡萄糖、L-半胱氨酸，环境中硝基苯、N₂H₄、儿茶酚等多种与人类健康密切相关的物质的检测。

图5. “气液界面”可控制备Ag/MnOOH/GO的（A）流程图及（B）原理图

图6. “亲疏水作用”调控（A）表面双电层示意图和（B）Ag-POSS/GOGO的生长示意图