小分子探针设计及应用：具有原位成像性能的固态发光探针的研究；具有优良光物理性质的功能性荧光染料（包括近红外II区）的设计与合成；设计和合成酶活性或小分子激活成像探针用于研究药物代谢和药物毒性。

多功能纳米探针设计与应用：开发纳米探针用于活体分子影像（光声成像、长余辉成像、化学发光成像、核磁成像），发展癌症的早期诊断、治疗及疗效监测技术。

DNA纳米探针设计与应用:以功能核酸（核酸适体、脱氧核酶等）和DNA自组装纳米结构（DNA折纸、DNA纳米花等）为工具，结合小分子、蛋白质、纳米颗粒等材料，开展荧光生物探针、智能纳米机器、信号放大、药物递送等领域的研究，实现重要生物分子的生物传感和高效药物递送系统的开发，为疾病诊断和治疗提供新工具。

高灵敏、高信噪比的单颗粒与单分子成像技术：基于全内反射荧光显微镜和暗场显微镜，在活细胞水平上开展疾病相关的重要生物分子（如肿瘤标志物）的精准检测、膜蛋白受体分子行为与功能可视化分析、受体与配体检间动态相互作用的分析与调控等研究，为疾病发生发展分子机制的研究提供新的手段。