近日，南方科技大学工学院生物医学工程系系主任、讲席教授蒋兴宇因其在“使用微/纳米材料进行多重分析，从而提高了医疗保健的质量和生物医学研究的效率”等方面的贡献，当选2020年美国医学与生物工程学会会士（AIMBE Fellow）。

       美国医学与生物工程学会（AIMBE，American Institute for Medical and Biological Engineering）是国际医学与生物工程领域著名的非营利性学术组织，旨在引领和推进医学工程和生物学工程为社会服务。AIMBE Fellow 由世界医学与生物工程领域最杰出（Top 2%）的学者组成，每年经过国际同行提名与严格评选产生。其贡献对生物医学、医疗器械、疾病治疗以及相关公共卫生政策的制定具有重要的影响。今年全球共有156名科学家当选。

蒋兴宇

       蒋兴宇研究方向主要包括微流控芯片和纳米生物医学。他于2010年获“国家杰出青年科学基金”，2013年获中组部“青年拔尖人才”，2014年获国务院政府特殊津贴、科技部“创新人才推进计划”，2019年获科技部“国家重点研发计划重点专项项目首席科学家”、首届“科学探索奖”（由腾讯基金会发起）；曾获中国化学会青年化学奖，入选中科院“百人计划”；迄今发表论文200多篇。

       3月27日，中国科学院人机智能协同系统重点实验室研究员李光林老师受我系张明明老师的邀请，在腾讯会议平台上开展了线上讲座。

        基于神经机器接口技术的人机交互是实现生机电一体化机器人系统智能控制的核心，运动功能康复和辅助系统是生机电一体化机器人的一个重要应用领域，而利用神经接口技术获取人体活动信息是实现行为与运动意图精确识别的关键。目前，利用各种柔性传感技术精准获取神经肌肉活动的生理信息，来实现运动意图精确识别是人机智能交互研究的重要方向之一。此次报告汇报了该课题组在柔性传感检测技术及应用方面的一些初步研究进展。

       当前，人机交互已经是当然人们生活中必不可少的活动，包括手机，电脑的使用等等。交互包括物理交互，语音交互，智能交互等。“智能交互”是要求自然，精准，安全的一种交互。基于神经接口的人机交互系统是智能交互的一个重要实例，即采集脑电信号，外周神经信号或者是肌电信号来解码人的意图，实现人机交互。

       但是这也存在问题。首先，这种系统缺乏力反馈，将极大地限制人机交互的发展。为了促进人机交互发展，李教授团队选取了以下几个方面开展研究：利用骨骼肌肉信号来尝试构建一个更好的人机交互系统。这种思想旨在探究肌肉，血液，神经三者之间的耦合关系来提升鲁棒性；研究生理电信号，包括研究EMG信号，以此来改进假肢；改进传感电极，用对皮肤友好的，不受导电膏限制的织物电极，来成功采到各种生理信号。

       近期，柔性电极一改传统金属电极的形状，以其柔软性，低电阻的特性受到研究者的广泛青睐。但是这些研究也存在困难，自于“人”的挑战，部分用户很难长时间稳定的输出信息，同时，也存在着来自“机”的挑战，即有决策的算法，以及鲁棒性差的问题。相信如果克服这些困难，自然、精准、安全的人机交互时代会指日可待。

文字：祁是辰

       3月24日，中国科学技术大学李智军教授受我系张明明教授的邀请，开展了疫情期间我系第一场线上讲座。
       李教授以《可穿戴机器人关键技术及其应用》为题，首先介绍了可穿戴机器人在当前社会发展下的急切需求。作为医工结合的最新研究领域，此项技术将有助于探索神经网络损伤后对运动控制预知能力的影响机理，研究康复机器人干预下中枢神经系统的重建机制。接着，李智军教授又为同学们详细介绍了可穿戴机器人的概况、系统设计方案、当前人机交互式可穿戴机器人技术的研究难点及突破点等内容。最后，李教授展示了所在实验室所自主研制的系列化的上肢、下肢外骨骼机器人，上下肢的义肢、灵巧手和移动操作机器人等。针对每一类可穿戴系统，李智军教授都详细介绍了各类型可穿戴设备的设计、信息感知、信息融合，利控制方法，令人耳目一新。

文字：马芮

       近日，南科大生物医学工程系副教授李凯团队在平面型AIEgens（聚集诱导发光剂）固态发光的增强效应研究及其在多重耐药菌感染的治疗领域的应用取得最新进展。研究成果以“平面型AIEgens光敏剂的设计及其在治疗多重耐药菌感染中的应用（Planar AIEgens with Enhanced Solid-State Luminescence and ROS-Generation for Multidrug-Resistant Bacteria Treatment）”为题发表于化学类国际顶尖期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition，IF:12.257)。

       荧光材料由于其在光电子学和生物医学工程领域中的巨大潜力而备受关注。虽然AIEgens的开发极为有效地解决了传统荧光材料聚集诱发的荧光猝灭（ACQ）问题，但平面型AIEgens的开发仍然不足，主要瓶颈是平面荧光材料分子间极易发生π-π堆积而难以克服固有的ACQ现象。因此，寻找简单有效的增强平面型AIEgens的固体发光方法，为其广泛应用奠定基础，显得尤为重要。

氟取代平面型AIEgens的设计策略

       在这项工作中，课题组设计并合成了三对平面型AIEgens，基于激发态双键重整（ESDBR）效应的理论基础对其光物理性质进行了详细研究。研究结果表明，通过在芳香环中引入氟取代基，分子间氢键作用可以有效限制在聚集态环境中的分子运动，抑制其非辐射跃迁，进而显著提升了AIEgens的聚集态量子产率。研究结果还表明，该类平面型AIEgens激子可以有效地失活到基态，并且与粘度响应具有一定的关联性。此外，该类AIEgens具有随着聚集而提升的AIE（聚集诱导发光）性能，同时可以有效促进活性氧簇的生成能力。

DMA-AB-F和F-AB-DMA两种平面型AIEgens的紫外-可见光和荧光光谱

       课题组进一步将该类平面AIEgens材料作为光敏剂，探索其在多重耐药菌感染的光动力治疗中的效果。在体外实验中，DMA-AB-F分子显示出对多重耐药大肠杆菌及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的良好杀伤效果。在体内实验中，课题组建立了标准的小鼠三级烧伤感染模型来评估材料的灭菌效果。结果显示，经过光动力治疗的伤口恢复情况显著优于对照组，光动力实验组样本的细菌数量也显著少于对照组。因此，体外和体内实验证明DMA-AB-F作为AIE光敏剂具有优异的光动力抗菌疗效。

体外抗菌效果图

在体抗菌效果图

       在这项研究中，课题组仅需通过氟原子的取代，就可有效利用分子内氢键作用来限制分子的运动、增加发光单元的晶体密度，从而使非辐射衰变速率降低一个数量级，开发出高固态量子产率的平面型AIEgens。同时，课题组利用该材料聚集诱导活性氧簇生成的特性，成功证明该类平面型AIEgens有用于治疗多重耐药细菌感染的潜力。

       李凯课题组研究副教授倪侦翔博士介绍，本研究提出的增强平面型AIEgens固态量子产率的设计策略，不同于传统引入大分子基团作为旋转单元（如四苯基乙烯、三苯胺）的策略，有效突破了AIEgens的设计瓶颈，为开发更多平面型AIE光敏剂并用于生物医学领域提供了更多选择。

李凯课题组“有研Lab”合影（摄于2019年夏。李凯：后排右一；倪侦翔：后排左二；闵天亮：后排左一）

       倪侦翔和2018级南科大-哈工大联培硕士研究生闵天亮为文章共同第一作者，李凯为唯一通讯作者，南方科技大学为论文第一通讯单位。

       该项研究获得了中国科学院深圳先进技术研究院副研究员张鹏飞、南科大生物医学工程系助理教授何俊龙等研究人员的大力支持，以及国家自然科学基金面上项目、深圳市基础研究计划等项目的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202001103

供稿单位：生物医学工程系

编辑：刘馨

       2020年3月4日，南方科技大学-悉尼科技大学生物医学材料与仪器联合研究中心主任、南科大生物医学工程系讲席教授金大勇合作研究团队在《自然》上发表以“功能化纳米材料单颗粒光谱学”（Single particle spectroscopy for functional nanomaterials）为题的综述展望。文章概述了历年来不同类发光纳米材料在单颗粒层面的光谱学研究进展，回顾了从单颗粒光谱学技术中获得的新启发，展望了推进下一代单颗粒光谱学发展的机遇与挑战。

       “欲善其事，先利其器”，纳米材料新功能研发需要更高灵敏度和分辨率的光学显微仪器。经过近些年基础研究和诸多成像分析技术的突破，单颗粒光谱学展示了广阔的科学应用前景，单颗粒光谱学正在成为现代基础科研的“利器”。目前，金大勇团队正在努力打造世界顶尖的光学成像与多维度分析仪器平台，指导和推动新型功能材料的开发，从而为纳米光学、光电子技术、超分辨亚细胞成像、单分子检测、量子通讯和大数据存储等领域的下一次突破提供“利器”。

       当今的纳米材料合成已经实现了高度可控，但即使是同一批次合成的发光纳米粒子，单个颗粒的光学性质往往是不均匀的，这是由于尺寸、形状、结构缺陷、表面基团和电荷等方面的细微影响。这一构效关系是与材料科学、晶体学和界面化学相关的基础研究中的核心问题，对纳米材料合成的重复性、功能和应用至关重要。单颗粒光谱学使人们能够辨别单个粒子的个体特征，从而提供关于其异质性的直接信息。

       单颗粒光谱学的研究大大推动了人们对纳米材料异质性的认知理解、其背后光物理学原理的探索、材料均匀性控制的发展。譬如，人们利用单颗粒光谱学发现了量子点中存在不同类型的闪烁特性，具体观察了每类闪烁性的表现形式和物理机制，实现对闪烁性的控制利用。

       单颗粒光谱仪器平台和方法的建立（图1）包括被动型方式（联用原子力显微镜、透射/扫描电镜）和主动型方式（原子力针尖操控、光镊等）。

图1. 利用相关方法揭示纳米单颗粒的确定性信息。a、AFM集成光学显微镜原位显示颗粒数量、几何形状及其二维操控；b、TEM/SEM/STEM确定颗粒的数量和组成；c、光镊通过改变泵浦激光的偏振态来操纵单个纳米颗粒的三维方向；d、超分辨显微技术可在突破衍射极限条件下确认纳米粒子的数量、几何形状、材料组成和电偶极子方向

       纳米材料在不同光学维度的荧光特性除了决定于本征的电子跃迁特性之外，激子或电子也可以对温度、磁场和电场等外部场的刺激做出反应（图2）。这不仅为推进光物理学和材料特性有关研究的发展提供了新的角度，还使得纳米颗粒作为新一代高灵敏纳米尺度传感器成为可能。

图2.应用外场来动态激发单个纳米粒子的响应。a、温变单颗粒光谱学统计数据显示，带电CdSe/CdS量子点中，非辐射俄歇复合的热激活由电子离域引起; b、在4K温度条件下，当磁场强度从0T增加到7T时，卤化铅钙钛矿的暗态单线态出现了伴有缓慢衰减速率的荧光发射; c、由于量子点的不同能带排列方式，Ⅱ型半导体纳米棒比Ⅰ型量子点具有更高的电压传感灵敏度。准Ⅱ型单纳米棒已用于膜电位传感

       文章论述，单颗粒光谱学技术将继续推进纳米级现有材料和未来材料光物理特性的表征，发光纳米粒子新功能的加入预计将在一些关键的科学技术领域带来革命性的变化，从八个潜在的方向推动单颗粒光谱学的发展。

       （一）超分辨单颗粒光谱学。光学衍射极限将继续限制先进单颗粒光谱仪的横向和纵向分辨率，解决方案将是结合现今发展的多种超分辨显微镜技术。

       （二）多模联用单颗粒光谱学。光电联用以及操控技术联用，结合多种荧光模态的测量方式，可以准确辨别纳米材料的每一结构信息是如何影响其总体光学特性的。

       （三）运用纳米镊子技术。非接触式捕获和操控纳米尺度的单个粒子，结合光谱学技术，将为基于纳米粒子的杂化组装器件开发提供机会。同时也可用于对距离和取向依赖现象的原位研究，例如不同类型的单纳米粒子之间的能量转移和力学动力学。

       （四）单颗粒表面特性表征。表面物质和电荷的不均匀性会导致纳米颗粒光学性质的不均匀性，从特定的分子靶向到纳米器件的自组装，几乎影响纳米颗粒的所有预期应用。引入远场拉曼光谱等方法将为表征纳米粒子的表面形态提供新的视角。

       （五）单颗粒的吸收测量。对于低量子效率的单纳米粒子或猝灭纳米粒子的荧光表征是无法得到单颗粒灵敏度的。一些技术方法也许能够用于单颗粒的吸收成像和光谱学测量，如图3a所示。

       （六）单颗粒的量子效率测量。测量单颗粒绝对量子效率的挑战在于检测单个粒子吸收的光子数。替代方式是采用基于辐射和非辐射跃迁速率之比的测量方法。辐射速率的改变方法如图3b所示。

       （七）高通量光谱学和数据分析。要将单颗粒研究应用到常规样品分析中，需要高通量单颗粒光谱仪和数据分析自动化。使用商用高光谱成像系统或棱镜来分散光谱信息的宽场成像方案可以极大地提高检测通量和速度。机器学习可以超越传统数据分析的极限，识别和记录单个纳米粒子的光学特征，避免重复实验。

       （八）单颗粒光谱学标准化。纳米材料的许多群体性荧光测量方法要成为定量技术仍有待优化，因为不同研究组获得的结果可能会受到不同仪器设置和测量环境的影响。为了使得定量比较成为现实，单颗粒光谱学技术可以提供不同激发功率密度下发射光子的绝对数量。这种标准化的平台对非线性光学转换尤其重要。

图3. 先进单颗粒光谱学的发展远景。a和b，对单个物体的吸收(a)和量子产率 (b)测量中采用的光子学结构设计

       本综述是由金大勇教授领导的南方科技大学-悉尼科技大学生物材料与仪器联合研究中心牵头，联合澳大利亚悉尼科技大学生物材料与仪器研究所周佳佳博士，德国哥廷根大学第三物理研究所Chizhik博士和美国斯坦福大学朱棣文教授合作完成。

       金大勇教授2019年初入职南方科技大学，筹建南方科技大学-悉尼科技大学生物材料与仪器联合研究中心，重点研发单分子探针传感器、高维度光学分辨解析、亚细胞超分辨成像、和“清、快、深、活”类器官多细胞体成像。该团队的研究得到了深圳科创委的大力支持。

       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2048-8

供稿单位：生物医学工程系

编辑：刘馨