2021年，超精密光学制造团队在庄松林院士、长江学者张大伟教授带领下，在微纳光学器件、光流控芯片、光学感知材料、新型医用光学仪器等领域发表二区及以上SCI论文28篇，新增ESI高被引论文2篇。其中，一区论文11篇，二区论文17篇。以下是11篇一区论文的概要介绍，期待和大家探讨合作转化，更欢迎各位才俊加盟团队！
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（1）微流体辅助3D打印仿生复眼技术
Bo Dai, Liang Zhang, Chenglong Zhao, Hunter Bachman, Ryan Becker, John Mai, ZiaoJiao,Wei Li, Lulu Zheng, Xinjun Wan, Tony Jun Huang, Songlin Zhuang, Dawei Zhang,Nature Communications, (2021), 12:6458.【SCI一区】【仿生复眼】
摘要：经过五十亿年的进化，节肢动物已经发育出具有非凡视觉能力的复杂复眼，这激发了人工复眼的发展。然而，大多数传统制造技术的有限二维特性使得直接复制这些自然系统具有挑战性。在这里，我们展示了一种使用微流体辅助 3D 打印技术制造的仿生复眼。每个微透镜通过体内、零串扰折射率匹配的波导连接到眼睛的底部平面，以模拟自然眼睛的横纹。通过将制造的眼睛直接放置在商业成像传感器的顶部，可以实现全彩色广角全景视图和点源的位置跟踪。作为天然复眼的仿生类似物，眼睛的全彩色 3D 到 2D 映射能力有可能实现广泛的应用，从改善内窥镜成像到增强机器视觉以促进人机交互。
图1、大黄蜂标本与仿生复眼
（2）超长线性浓度梯度生成match的微流控技术
Dai Bo, Long Yan,WuJiandong, Huang Shaoqi, Zhao Yuan, Zheng Lulu, Tao Chunxian, Guo Shiwei, Lin Francis, Fu Yongfeng, Zhang Dawei, Zhuang Songlin, Lab on a Chip,2021, 21:4390–4400.【SCI一区】【微流控技术】
摘要：在化学和生物领域，浓度梯度微环境的创建是许多应用的重要方法，例如晶体生长和药物筛选。尽管已经证明了许多浓度梯度发生器，但目前的发生器很难产生超长的线性浓度梯度。在本文中，我们提出了一种浓度梯度流/液滴发生器，它由微流体流量开关、用于逐级浓度稀释的腔阵列和用于液滴形成的可选 T 型接头组成。发生器可实现超长的沿流动方向连续变化的浓度梯度。证明了 38 mm 浓度梯度的产生。可以通过扩大腔的容量和增加级数来进一步延长长度。浓度梯度在 10% 到 90% 的范围内显示出高线性。此外，发生器实现了浓度梯度流和不同浓度液滴的循环生成。在药物筛选的演示中，使用发生器生产不同浓度的紫杉醇。治疗后观察到 4T1 细胞活力与紫杉醇浓度呈负相关。我们设想浓度梯度发生器将成为各种药物筛选应用的有希望的候选者。
图2、连续流/液滴浓度梯度生成技术原理示意图及实验图
（3）一种用于多重癌症生物标志物检测的流量自适应无泵微流体自包含平台
Bo Dai, Cheng Yin, Jiandong Wu, Wei Li, Lulu Zheng, Francis Lin, Xiaodian Han, Yongfeng Fu, Dawei Zhang, Songlin Zhuang, Lab on a Chip, 2021, 21: 143-153.【SCI一区】【生物检测】
摘要：微流体推动床旁 (POC) 生物分析诊断技术向便携性、快速响应和低成本方向发展。在大多数微流体生物分析应用中，流动的抗原/抗体以恒定的流量与固定的抗体/抗原反应；很难同时实现足够的抗原-抗体相互作用时间和较短的整个检测时间。在这里，我们提出了一种无泵微流控芯片，其中流动通过毛细管泵自初始化，并通过滤纸的吸入继续。泪珠形微流体单元确保流动以降低的通量通过反应区，以促进抗原和抗体之间的结合，并在反应区之后加速。通过将不同的抗体点入反应区域，可以在一个微流控芯片中同时测量四种类型的生物标志物。此外，还开发了一种用于化学发光检测和信号分析的小型仪器。该系统通过使用患者的血浆样本测试四种结直肠癌生物标志物来验证。测定耗时约20分钟。癌胚抗原、甲胎蛋白、碳水化合物抗原 125 和碳水化合物抗原 19-9 的检测限分别为 0.89 ng mL-1、1.72 ng mL-1、3.62 U mL-1 和 1.05 U mL-1.这种流量适应性强且独立的微流体平台有望用于各种 POC 疾病监测应用。
图3、 (a) 无泵微流控芯片的制作过程。(b) 微流控芯片的照片。(c) 在初始化阶段，流动是由毛细力和重力驱动的。 (d) 在初始化后阶段吸滤纸产生的连续流动。
（4）一个离子捕获所有特性：基于Gd3+的高精度宽温区间玻尔兹曼型温度测量
Dechao Yu, Huaiyong Li, Dawei Zhang, Qinyuan Zhang, AndriesMeijerink, Markus Suta,Light: Science & Applications, 2021, 10: 236.【SCI一区】【温度传感】
摘要：将玻尔兹曼测温的概念与技术原理扩展到两个以上的激发态，建立和完善三能级玻尔兹曼测温模型与理论，并提供定量指南，将多个激发态之间的能隙选择与不同温度区间内的激发态能级热耦合联系起来。通过这种方法，可以基于同一系统，实现了极宽温度范围内高灵敏度和高精度的非接触温度测量。用燃烧法合成了YAl3(BO3)4 (YAB):Pr3+, Gd3+发光粉，其在450 nm蓝光激发Pr3+作用下，高效上转换发射紫外光（~290-320 nm）。这些紫外光来自于Gd3+激活离子6PJ激发态能级到基态8S7/2能级的辐射跃迁。科研人员创造性地基于Gd3+ 6PJ能级的晶体场分裂能级和自旋轨道分裂能级来构建三激发能级玻尔兹曼模型，实验例证了上述三能级玻尔兹曼温度响应模型，实现了30到800K极宽温度变化范围内的精确测量：在30K时，其相对灵敏度高达11.6%K-1，远高于常规的1%K-1阈值要求；同时在所有温区窗口，都可实现不确定性小于0.2%的高精度温度测量。需特别指出的是，这种蓝光紫外上转换荧光粉材料很容易被价格低廉且功率强大的450nm蓝色LED激发；其激发和发射波段可有效避免最高温度下黑体辐射影响，实现了零背景发光测温，在纳米医疗、新型光电子器件等领域具有极大的实际应用价值。
图4、三激发能级玻尔兹曼型荧光温度测量模型和Pr3+ → Gd3+紫外上转换发光示意图
（5）用于植物照明的深红色发光Mg2TiO4:Mn4+荧光陶瓷
Zixin Wang, Hui Lin*, Dawei Zhang, Yiming Shen, Yang Li, RuijinHong,Chunxian Tao, Zhaoxia Han, Lei Chen, and ShengmingZhou,Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(1): 88-97【SCI一区】【照明用荧光材料】
摘要：本文采用高温固相法制备了一系列有着深红色发光的Mg2TiO4:Mn4+荧光陶瓷。这些陶瓷能在465 nm蓝光激发下发射出半峰全宽为31 nm的窄带发射，其中心波长在658 nm，与光合作用的吸收波段十分契合。通过使用田边-菅野图估计了Mn4+在Mg2TiO4基质中的晶体场强度与拉卡参量B和C。掺杂浓度为Mg2Ti(0.999)O4:0.001Mn4+荧光陶瓷在室温下的热导率为7.535 W/(m·K)，比常用与LED封装的透明硅胶高了一个数量级。将荧光陶瓷封装在460 nmLED芯片上时，LED的发射光色坐表随着荧光陶瓷的厚度增加从蓝光区域移动到紫光区域。这些都表明了Mg2TiO4:Mn4+荧光陶瓷适合用于植物照明。
图5.1、不同Mn掺杂浓度下的Mg2TiO4:Mn4+荧光陶瓷的发射光谱
图5.2、不同厚度荧光陶瓷封装的LED芯片发光的色坐标
（6）用于呼吸和汗液传感的隧道裂纹式海绵湿度传感器
Qi Wang, Jianhao Tong, Nan Wang, Shangbi Chen, Bin Sheng,*
Sensors and Actuators: B. Chemical, 2021, 330:129322 【SCI一区】【湿度传感器】
摘要：近年来，多孔结构的高性能湿度传感器受到了广泛的关注。基于蜘蛛腿裂纹增敏的仿生学原理，我们提出了一种新型湿度传感器，该传感器基于通过离子束溅射沉积和机械压缩方法在聚氨酯骨架上形成具有三维导电网络的纳米裂纹镍薄膜/聚氨酯海绵（TCNi@PUS）。在10~95% RH的湿度范围内，TCNi@PUS电阻-湿度响应具有线性度好，灵敏度可调，响应/恢复时间快（0.8 s/3.6 s），湿滞特性良好（湿滞回差约为5% RH），重复性和长期稳定性好（>90天）等特性。TCNi@PUS传感器的湿敏可调机制是通过调节导电金属隧道裂缝宽度和聚合物的吸湿膨胀速率来实现的。基于这种优越的传感性能，该传感器成功地应用于实时人体医疗保健和活动监控。
图6、TCNi@PUS传感器原理及应用
（7）近红外光触发LTA@C3N4体系缓解肿瘤缺氧微环境并通过调节细胞自噬实现多模态黑色素瘤治疗
Yule Zhang, Shifei Kang, Hui Lin, Mengya Chen, Yuhao Li, Lifeng Cui, Yan Fan, Bo Wang, Yuwen Wang, Zhijin Yang, Mantong Zhao, Xiaomeng Yin, Di Sun, Bo Dai, Songlin Zhuang, Dawei Zhang*, Lulu Zheng*,Chemical Engineering Journal, 2022, 429: 132484.【SCI一区】【光动力诊疗学】
摘要：活性氧(ROS)的高效产生、缺氧肿瘤微环境的缓解和低副作用的自噬诱导肿瘤细胞死亡被认为是提高肿瘤治疗疗效的主要目标。然而，基于有效的生物材料治疗体系，通过在缓解乏氧微环境下激活肿瘤细胞自噬效应实现高效的癌症治疗仍然是一个挑战。本研究以LTA型分子筛为载体，负载光催化剂氮化碳(C3N4)和光敏剂二氢卟吩(Ce6)，开发了一种具有较高生物安全的上转化纳米材料体系，作为调控光催化体系和多模式肿瘤治疗的平台。C3N4稳定性高，可以通过光催化水解产氧缓解肿瘤乏氧微环境，并可以实现近红外/超声双触发治疗模式。并且，光动力治疗、光热治疗和声动力治疗被证明能够最大限度地提高ROS产量，从而获得有效的肿瘤治疗结果。此外，内吞的纳米材料可以通过细胞自噬信号通路精准调控抑制肿瘤生长。因此，该生物安全性好的光催化纳米材料体系在基于信号通路精准调节的多模式癌症治疗中显示出了巨大的潜力。
图7.1、实验流程图
图7.2、实验原理及效果图
（8）二维非金属g-C3N4/Ce6多功能纳米平台用于癌症治疗
Mengya Chen, Yule Zhang, Lifeng Cui, Ziqi Cao, Yuwen Wang, Wei Zhang, Yuanyi Zheng, Di Sun*, Lulu Zheng*, Shifei Kang*, Dawei Zhang, Chemical Engineering Journal, 2021,422:130089【SCI一区】【光动力学诊疗】
摘要：本文提出了一种非金属二维石墨氮化碳/二氢卟吩（g-C3N4/Ce6）纳米复合材料，该材料将不稳定的声光敏剂Ce6固定在独特的质子化g-C3N4纳米片上，作为一种合理的多功能纳米平台。该二维纳米药物体系具有良好的稳定性、生物相容性、理想的近红外吸收、优化的能带结构和电荷分离能力。因此，g-C3N4/Ce6纳米平台显著地结合了光动力、光热和声动力疗法。此外，处理后的肿瘤细胞可以作为相关抗原支持体内免疫刺激，温和的光热效应大大促进了g-C3N4/Ce6纳米复合物的免疫佐剂效应，从而更有效促进树突细胞的成熟和长期的癌症免疫治疗。鉴于g-C3N4/Ce6系统具有巨大的通用载药潜力和适应性，这项工作突出了基于g-C3N4的2D多功能纳米结构被设计为癌症治疗的智能无金属纳米平台的前景。
图8.1、用于光/声动力联合免疫治疗的pCN/Ce6纳米复合材料的制备和机理示意图
图8.2、pCN/Ce6纳米复合材料在细胞水平和动物水平验证实验表现出明显的治疗效果
（9）利用合成相位型超构表面产生艾里光束
Jing Wen, Lei Chen, Binbin Yu, Jana B. Nieder, Songlin Zhuang, Dawei Zhang*,ACS Nano, 2021, 15: 1030-1038【SCI一区】【超构表面】
摘要：自加速光束具有无衍射传播、自加速和自愈合三大特性，可在自由空间中弯曲传播，是一类非常特殊的新型光束。生成自加速光束往往需要复杂的光场调控，一般都采用空间光调制器，然而基于空间光调制器的光束发生器存在工作带宽窄、成本高、衍射效率低、集成能力有限等缺点。超构表面作为一种新型的光场调控器件，因其亚波长的特征尺寸以及灵活的光场调控能力，可以很好克服空间光调制器的缺点。尽管目前基于超构表面的艾里光束产生器件能够宽带工作并高度集成化，但它们通常工作距离较短，对光束的特征参数调控有限。张大伟课题组基于合成相位方法设计了超构表面自加速艾里光束，光束具有工作距离可调、压缩的光斑横向尺寸，同时保持较长的焦深，并能对艾里光束的各特征参数灵活调控，为自加速艾里光束的实际应用提供了广阔空间。创新发现有望应用于激光加工制造、光存储、光学显微、光学操控等多个重要领域。
图9、利用超构表面产生自加速艾里光束示意图
（10）利用超构表面产生具有任意轨迹，大偏转角和亚波长尺寸的无衍射类贝赛尔光束
Jing Wen, Lei Chen, Xu Chen, SaimaKanwal, Leihong Zhang, Songlin Zhuang, Dawei Zhang*, Dangyuan Lei*, Laser & Photonics Reviews,2021, 2000487【SCI一区】【超构表面用于光场调控】
摘要：传统的类贝塞尔光束发生器（如空间光调制器）不仅体积大，衍射效率低，而且限制了光束的最小尺寸和弯曲的最大曲率。使用介电质超构表面可在550 ~ 710nm的宽带光谱范围内生成具有预定义任意轨迹的单个类贝塞尔光束以及携带OAM的类贝塞尔涡旋光束，这些光束有非线性抛物线和余弦振荡轨迹，NA高达0.79，从而使类贝赛尔光束的宽度降至接近衍射极限的尺度即234nm（~0.43λ）。研究团队认为，以上成果丰富了自加速光束的多样性，并为自加速光束在微粒或活细胞操控、生物医学成像、光存储以及材料激光加工等领域的应用发挥重要作用。
图10、利用超构表面产生类贝赛尔光束
（11）连续流PCR微流控芯片中目标基因多重扩增方法的研究
Zhenqing Li, Jiahui Liu, Ping Wang, Chunxian Tao, Lulu Zheng, Shinichi Sekine, Songlin Zhuang, Dawei Zhang∗, Yoshinori Yamaguchi∗,Lab on a Chip, 2021, 21, 3159-3164【SCI一区】【微流控多重扩增】
摘要：牙龈卟啉单胞菌(P.g)、齿状密螺旋体(T.d)和福赛坦氏菌(T.f)被认为是引起牙周病的主要牙周病原体，它影响了全球约50-90%的成年人。基于连续流动PCR(CF-PCR)可以有效减少温度转换所需的时间，因为它被认为是实现快速PCR的最佳选择。在本文中我们首次利用CF-PCR微流控芯片研究了P.g、T.d和T.f的多重PCR方法。通过系列实验，我们获得了芯片中适合多重PCR的两组牙周病原菌多重PCR的最佳引物组合，其产物大小分别为(197 bp、316 bp、226 bp)和(197 bp、316 bp、641 bp)。结果表明，采用多重PCR技术，PCR产物较短时，其扩增时间可缩短至3′48′，当PCR产物较长时，其扩增时间最短为8′25′。本研究为芯片内短时间内同时实现P.g、T.d和T.f目标基因扩增提供了一种有效的方法，从而为CF-PCR技术实现POCT检测提供了技术基础。
图11、微流控CF-PCR芯片实现牙周病原菌目标基因多重PCR原理