构建了多激子与单个表面等离激元模式耦合相互作用的全量子理论，给出了简洁的实现强耦合作用的“量子光学极限条件”。依据该理论，研究团队精心设计和制备出方形银包金纳米棒结构，实现了将光子局域在71 nm3 的超小模体积内，同时，巧妙地实现了单激子偶联以及小于0.9 nm的超短作用距离的精确控制，最终实现了单个J-aggregate激子与单根纳米方棒之间高达～41.6 meV的耦合作用强度，在室温下成功观测到1-7个激子与单个等离激元纳米方棒的强耦合相互作用。

本发明公开了一种结合光子晶体的分支滚环扩增检测miRNA的方法。该方法由四个部分组成：a.制备点状光子晶体；b.5’端磷酸化的锁式探针的两末端与靶标miRNA互补配对后利用T4RNA ligase 2连接成环；c.以成环的锁式探针作为模板，靶标miRNA作为引物，在phi29DNA聚合酶的作用下发生线性滚环扩增，通过加入二级引物，使线性滚环扩增沿着支链方向扩增，达到信号进一步放大；d.往滚环扩增产物中加入SYBR GREENⅠ染料后加到点状光子晶体上进行检测。本发明通过利用光子晶体效应对发光的调控，增强荧光强度，从而增强检测的灵敏度，降低检测下限，在最优实验条件下，该方法的线性范围为0.1aM‑1pM，miRNA的检测限低至1aM。本发明无需对循环miRNA进行分离提取，可直接用于实际样本中循环miRNA的检测。

项目成果/简介:本发明公开了一种结合光子晶体的分支滚环扩增检测miRNA的方法。该方法由四个部分组成：a.制备点状光子晶体；b.5’端磷酸化的锁式探针的两末端与靶标miRNA互补配对后利用T4RNA ligase 2连接成环；c.以成环的锁式探针作为模板，靶标miRNA作为引物，在phi29DNA聚合酶的作用下发生线性滚环扩增，通过加入二级引物，使线性滚环扩增沿着支链方向扩增，达到信号进一步放大；d.往

本发明公开了一种自供能miRNA生物传感器的制备方法。它是基于酶生物燃料电池（EBFC）输出性能的变化实现miRNA的检测。自供能传感的设计主要集中于EBFC的阴极，将电子受体[Fe(CN)6]3‑包覆于介孔硅孔径内部，目标miRNA的互补链（ssDNA）封口。目标miRNA与其互补链的杂交配对形成刚性双螺旋结构后，脱离MSN表面，孔内的[Fe(CN)6]3‑由于扩散作用释放到体系中，导致EBFC的开路电压变化，实现miRNA的检测。该传感器检测过程中无需额外供电设备、组装简单方便、成本低廉、抗干扰能力强，DNA链的互补配对效应使该传感器具有高选择性，因此，该发明构建自供能miRNA生物传感器能实现miRNA简单、快速、灵敏、高效检测。

成果创新点 用于癌症病人的早期筛查以及实时治疗效果评价。 相比目前技术具有独特的优势： 1.可直接用于血清等复杂体系检测不需要过分稀释； 2.普适性较强，适用于不同序列的 microRNA 的检测； 3.检测灵敏度高； 4.应用于便携式以及可穿戴式医疗设备。 技术成熟度 目前处于试验阶段 。 课题组已开发基于血清中 miRNA-21、miRNA-215 以及抑癌基因 let-

用于癌症病人的早期筛查以及实时治疗效果评价。 相比目前技术具有独特的优势： 1.可直接用于血清等复杂体系检测不需要过分稀释； 2.普适性较强，适用于不同序列的 microRNA 的检测； 3.检测灵敏度高； 4.应用于便携式以及可穿戴式医疗设备 

“石墨烯微结构的精准调控及其应用”首次实现石墨烯单晶量子点和单层石墨烯微结构的精准控制。 一、项目分类 重大科学前沿创新 二、成果简介 近年来，石墨烯领域未获得突破性应用成果，也未找到“杀手锏”应用领域，关键是石墨烯结构调控不到位。一个基本的共识是，对石墨烯材料的结构进行设计和调控，有助于在光电器件、能源转化存储、重大疾病诊疗、污染物治理等领域取得重大突破。上海大学吴明红院士领衔的研究团队聚焦“石墨烯微结构的精准调控及其应用”取得了开创性的研究成果，首次实现石墨烯单晶量子点和单层石墨烯微结构的精准控制，在Nature及其子刊上发表十余篇系列论文，获得国家自然科学二等奖。负责人吴明红是中国工程院院士、俄罗斯工程院和俄罗斯科学院外籍院士，获国家杰出青年基金、教育部长江学者及创新团队发展计划等支持。团队依托有机复合污染控制工程教育部重点实验室，推动基础科研成果向应用转化，在生物医学、环境治理等领域取得了相关应用突破。 一、主要理论突破 聚焦于研究主题，团队在以下三个方面取得重要突破： 1）为解决传统方法制备的石墨烯缺陷多，无法量产的问题，团队在分子水平上首次使用分子融合法实现了高品质单晶石墨烯量子点的可控制备。通过对单晶石墨烯量子点精准的物理化学性质调控实现了不同亚细胞器的定位，有力推动了石墨烯量子点在生物成像、重大疾病诊疗中的应用。 2）为解决单层石墨烯容易聚集的难题，团队通过“原位复合与还原”一步法调控策略，获得单层石墨烯复合催化材料。团队首次在该材料上观测到光生电子空穴对分离的皮秒级超快过程，发现并揭示了单层石墨烯高效抽取和快速传输光电子这一重要规律，为高质量单层石墨烯复合材料在催化等领域的广泛应用奠定了坚实的理论基础。 3）精确调节石墨烯层间距，可以将石墨烯有针对性地应用于离子筛分、污染物选择性吸附等广泛领域。团队通过金属水合离子的层间插入控制氧化石墨烯层间距，在国际上首次实现了层间距在超小尺度上（1 Å）的精确控制。 二、在黑臭水体治理、地表水水质提升上的应用 地表水内源污染治理的关键是削减河道污染负荷，重建水生生态。团队以层间距可控石墨烯为基质，发展了水环境污染生态修复的叠层材料。以石墨烯为基体的复合微生物在其表面生长并形成生物膜，通过石墨烯和生物膜的协同作用，对水体污染物进行高效截留、吸附并降解。该复合技术运行成本低，治理周期短，工艺简单，无需底泥疏浚即可将地表水提升至IV类水以上水质指标，对河水的COD、氨氮和总磷，去除率达到80%以上。目前，团队已与上海宝山区政府建立多个石墨烯治理黑臭水体示范基地，显著提升当地水质环境水平。 三、石墨烯负极材料的钠离子电池储能系统应用 锂资源的匮乏，不足以支撑锂离子电池在储能市场的广泛应用，其成本较高的弊端也逐渐显露。同时国内外化学储能市场需求越来越大，促使研究者们利用资源丰富的钠元素组装得到钠离子电池。 经过对钠离子电池材料体系筛选和研究，本团队核心材料选用普鲁士蓝及其类似物作为钠离子电池正极，碳基材料作为钠离子电池负极。其中普鲁士蓝制备主要采用沉淀法及水热法，能耗更低。此外，普鲁士蓝能够作为一种染料进行使用，其安全性非常高。经过一系列放大，正极普鲁士蓝材料的充放电比容量达到160 mAh/g，碳负极材料的充放电比容量达到300 mAh/g。经过中试线生产预制，单体电池工作电压在3.2 V左右，能量密度在100 Wh/kg以上。单体电池在穿刺、挤压、外部短路、及破坏后浸水测试的情况下，均没有发生自燃和爆炸等情况，安全性高。 目前，拟搭建5条钠离子电池储能全自动生产线及相关配套设施，研发生产低成本、高安全、长寿命钠离子电池关键材料，实现高性能钠离子电池产品产业化，预计至2026年项目达产后，年产值达约22.5亿元；年亩均产值1666万元。 四、石墨烯传感材料在呼吸式血糖仪中的应用 我国糖尿病人数众多，并逐年上升。血糖检测仪与检测试纸市场规模约为460亿元，然而国外品牌却占市场份额大半。现有血糖仪采取长期有创刺血检测，存在很大感染风险，给病友带来巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖检测无创，吹气即可检测，完美解决市场痛点。 糖尿病患者呼吸的气体中，可检测的VOCs较异常，需要高灵敏度的气体传感器进行识别。但是，常规气敏传感材料检测限与响应恢复能力不足，且难以在复杂气体氛围中实现特异性检测。团队通过对石墨烯带隙和表界面特性的精确调控，实现皮秒级载流子空穴的形成，从而实现对气体分子的快速响应，解决气体传感器灵敏度、选择性和响应恢复迅速的关键科学问题。研发的呼吸式血糖仪可满足确诊病友的日常检查、实现医院、公共场所快速筛查、手机APP记录管理以及网上专家互动诊断等功能，具有无创伤、无痛苦、便捷即时（15s）等特点，是首款呼吸式血糖检测产品。目前已二类医疗器械证书，即将已进入临床阶段。

该成果先后获江苏省农业科技成果转化奖一等奖和国家科技进步二等奖。该技术建立了不同生态区不同类型专用小麦量质协调栽培技术体系和籽粒品质指标预测生态模型；制定了指标化、标准化、数字化的专用小麦量质协调栽培技术规范，形成了多种形式的产业化技术服务模式。

从水稻中克隆了一个新的粒形调控基因 GS9，该基因突变可以改良稻米外观品质。结合常规回交选育或基因靶向敲除等方法，将 GS9 突变基因用于改良目标品种的粒形和稻米品质。

近日，清华大学材料学院朱宏伟教授团队在《先进材料》（Advanced Materials）上在线发表了题为“石墨烯体系中的阳离子-π相互作用”（Cation-π Interactions in Graphene Containing Systems for Water Treatment and Beyond）的长篇综述论文，系统总结了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用在水处理（膜分离、吸附）、新材料合成、纳米发电、能量存储及溶液/复合材料分散等应用中所发挥的关键作用，分析了阳离子-π相互作用的影响机理，综述了现阶段相关理论工作进展，讨论了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用研究中存在的问题，展望了未来潜在的研究方向。阳离子-π相互作用是一种非共价相互作用，在自然界，尤其是生命体中普遍存在，在诸多生命反应进程中必不可少。近年来，阳离子-π相互作用在生物学、化学、物理学中的重要性被广泛关注。石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，可被视为一种独特的芳香族大分子。阳离子和石墨烯中离域π电子之间的相互作用会引起阳离子在石墨烯表面的富集、溶液中离子及石墨烯结构中电子的重新分布，进而影响石墨烯材料的本征性质及基于石墨烯的器件的性能。深入理解石墨烯体系中的阳离子-π相互作用，对于石墨烯特性的调控、器件的优化设计具有重要意义。石墨烯体系中的阳离子-π相互作用及其应用近年来，朱宏伟教授团队在石墨烯等新型二维材料的可控制备、结构设计及其在能源（太阳能电池、光电探测、光电催化）、环境（水处理、空气净化、土壤治理）、柔性传感器件等领域开展了大量研究工作，取得了一系列重要进展。该综述论文以石墨烯体系中的阳离子-π相互作用为切入点，对相关研究报道进行了梳理和讨论，并对其发展趋势和前景进行了展望。本文通讯作者为朱宏伟教授，第一作者为清华大学材料学院2016级博士生赵国珂。本研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目和面上项目资助。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905756