内容速览

1.生命科学学院谢强教授团队揭示海生昆虫起源之谜

2.电子与信息工程学院喻颖、余思远课题组成功研制出具有超低阈值、室温连续光泵浦Mini-BIC量子点激光器

3.地球科学与技术学院孙晓明教授团队热力学模拟解释藏南造山型金矿床的成矿物质来源

4.微电子科学与技术学院赵毓斌教授课题组在IEEE IOT-J发表论文

5.化学工程与技术学院欧阳钢锋院长、陈国胜副教授团队在生物杂交框架研究领域取得新进展

6.中山医学院颜光美教授团队开发出新一代溶瘤病毒M1

01

生命科学学院谢强教授团队揭示海生昆虫起源之谜

由于海生昆虫通常物种稀少、分布遥远、生境独特，因而进行野外采集和室内研究的难度很大。2018-2019年，谢强教授研究团队3次赴羚羊礁海域并短期住岛，突破了海蝽采集的瓶颈、获得大量个体样本，随后生成了包括核基因组、转录组、宏基因组等在内的多种数据，为以海蝽为代表深入认识海生昆虫的起源与适应奠定了数据基础。

随后，该研究团队基于所生成的高质量核基因组，在节肢动物门的进化框架内进行了六足动物亚门-昆虫纲的系统发育基因组学研究。结果表明，海蝽科昆虫起源于侏罗纪早期的约1.92亿年前，而该时期正是三叠纪末集群绝灭后海洋珊瑚礁系统漫长的恢复期，至少持续到了侏罗纪中期。珊瑚礁系统大范围、长时期的恢复过程，很可能是海蝽科起源的古生态学驱动因素。与同时被纳入分析的海黾蝽和海宽蝽等昆虫相比，海蝽的起源更早、很可能是最早成功回到典型海洋环境生活的昆虫。而这相较于六足动物的海生祖先来说，中间已经相隔了3亿多年，昆虫祖先在成功登陆并分化出高度多样的类群之后，个别类群再次回到海洋、适应海洋之难，可见一斑。

基因家族扩张/收缩的分析表明，羚羊礁海蝽的基因组发生了较大程度的收缩（26个基因家族显著收缩，4个显著扩张），发生收缩的基因家族在形态建成、昼夜节律、蜕皮周期、翅的飞行等方面发挥着重要的作用。而这与海蝽身体构造简化、受潮汐节律支配、若虫龄期4个（比通常的5个少一个）、完全无翅等生物学特点高度对应；这意味着，在基因家族层面，海蝽适应海生生活的方式更多在于做“减法”而不是“加法”。基因组与宏基因组的基因功能注释表明，海蝽与共生微生物在脂肪酸合成和降解、糖酵解/糖原异生、TCA循环等代谢通路中具有高度互补的协同关系。

与此同时，该研究在系统发育基因组学分析中，还尝试突破了基于参考物种基因组中的单拷贝基因构建直系同源集的理论经验，成功展示了两拷贝基因同源集用于动物系统发育研究的有效性。这为将来进行动物界门与门之间的关系研究，乃至真核生物不同类群之间的关系研究提示了新的方法论可能性，可以避免死守所谓单拷贝原则造成几无分子标记可用的窘境。这样的分析方式此前在植物系统发育研究中较为普遍，本项研究则指出了该方式在动物系统发育研究中的有效性。

羚羊礁海蝽雄性个体

以上研究成果以《海蝽回归海洋的3亿年进化历程》为题发表于期刊Proceedings of The Royal Society B，中山大学为第一作者单位。

来源：中山大学生命科学学院

“中大团队揭示海生昆虫起源之谜”

02

电子与信息工程学院喻颖、余思远课题组成功研制出具有超低阈值、室温连续光泵浦Mini-BIC量子点激光器

微纳尺度的超低阈值半导体激光器对光通信、光传感和量子信息等领域研制更大规模、更高性能的光子集成芯片（Photonic Integrated Circuits, PICs）具有重要的科学价值和应用意义。但实现微纳激光器的一般方法中超小的尺寸、极低的阈值和较强的鲁棒性往往无法兼得。

为了应对这一挑战，研究团队采用了小型化连续域束缚态（Mini-BIC）微腔的思路。Mini-BIC结构的核心设计思想结合了连续域束缚态（BIC）的垂直方向限制和光子晶体禁带反射结构的平面内限制作用，通过对光子的三维强限制实现更小的结构尺寸。如所示，Mini-BIC结构由A和B两套不同周期的光子晶体嵌套组成，其中A区域有限周期的光子晶体作为激光器微谐振腔。通过设计使得A区域的离散模式（例如M11模式）恰好处于B区域光子晶体的禁带中。从而实现对微腔模式的横向强限制。这些离散模式是处于光锥以上（绿色区域）连续域中的谐振态，还可以通过精细调控光子晶体孔洞半径和周期，使得“偶然BIC（Accidental BIC）”模式与其动量相匹配，进一步提升其垂直方向的光限制和Q值。在对载流子具有三维限制作用的InAs/GaAs自组装半导体量子点薄膜增益材料中制作上述BIC结构，可实现对光子和载流子的同时强限制，从而大幅度降低激光器的阈值。

研究组采用微加工工艺制备上述微纳结构，采用薄膜转移技术将其转移到玻璃衬底上，最后以紫外固化胶作粘结剂在其上方再覆盖一层玻璃，形成Mini-BIC所需的在垂直方向对称的平板三明治结构，最终成功制作出最小微腔尺寸约为2.5×2.5 μm2，模式体积约为1.16(λ/n)3的室温连续光泵浦单模Mini-BIC激光器。该激光器的阈值功率仅17 μW，而且其阈值功率密度只是已报道的具有最佳特性的半导体BIC激光器的1/236。同时，器件最高工作温度可达343 K (70 ℃)，拟合特征温度高达93.9 K。通过改变光子晶体周期与尺寸，还能够实现约80 nm范围的激射波长调谐。

mini-BICs激光器的单模激射性能表征及波长调谐

以上研究成果以“Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers”为题发表于Light Science Applications， 中山大学博士研究生钟汉城为第一作者，喻颖副教授和余思远教授为共同通讯作者。

来源：中山大学电子与信息工程学院

“中山大学成功研制出具有超低阈值、室温连续光泵浦Min-BIC量子点激光器”

03

地球科学与技术学院孙晓明教授团队热力学模拟解释藏南造山型金矿床的成矿物质来源

造山型金矿床指产于区域上各个时代变质地体中，在时间和空间上与增生造山或碰撞造山密切相关，形成于汇聚板块边界上的受到韧-脆性断裂控制的脉型和浸染型金矿床。造山型金矿床作为世界上最重要的金矿类型，其探明储量占全球金储量的30%以上，但是其金的来源至今还存在大量争议。传统主流观点广泛使用变质脱水模型解释造山型金矿床中金的来源，该模型认为金主要来源于区域上的变质岩，岩石进变质过程中通过绿片岩-角闪岩相的变质作用导致岩石内的黄铁矿向磁黄铁矿转变, 并释放金进入变质流体中最终向上迁移成矿。近年来，部分学者认为造山型金矿床的金可能存在其他的来源，例如地幔、岩体和下地壳等。造成这种分歧的主要原因是无法定量判断区域上的变质岩能否在进变质过程中提供足够的金并迁移成矿，此外矿石的同位素数据所指示的源区具有多解性。

作为中国最重要的造山型金矿区之一，位于西藏南部的雅鲁藏布江缝合带（IYZSZ）在解决这个科学问题中起着关键作用。IYZSZ地区已探明金储量约为200吨，内部的造山型金矿床通常赋存于三叠纪变质沉积岩（朗杰学群）中，该地区的西侧出露一套以雅拉香波穹窿为中心的低绿片岩相-角闪岩相的完整变质带，其变质事件年龄和金成矿年龄一致。值得一提的是IYZSZ中除穹窿外仅出露少量辉绿岩脉，在前人的研究中两者均不存在金含量异常，因此可以排除它们在造山型金矿床的成矿过程中可能存在的潜在贡献，这为解决上述科学问题提供了重要的研究前提。

成矿流体的热力学模拟作为一种新颖研究手段被广泛应用在矿床学领域中，模拟结果能够很好地揭示岩石在不同的P-T条件下释放的流体成分组成及元素释放量。博士研究生丁正鹏在导师孙晓明教授的指导下，对IYZSZ的变质带进行系统性采样，并与北京科技大学的钟日晨教授、于畅博士合作开展了详细的岩相学、矿物学分析，同时在以上地质事实的基础上使用变质砂岩的全岩组分进行了变质岩的视剖面相平衡模拟和不同变质温压条件下流体及金属释放量计算，从而定性定量判断IYZSZ的变质岩能否作为造山型金矿床金的源区。

研究结果显示: IYZSZ的变质砂岩在经历低地温梯度（~25°C/km）的进变质作用时，绿泥石、白云母、石英、金红石、黄铁矿、磁铁矿、磁黄铁矿、蓝晶石和夕线石是不同等级变质岩中的主要矿物。随着温度压力增加，部分矿物发生转变形成新的矿物。这些变化对应了我们在镜下观察到在黑色板岩、千枚岩和云母片岩样品中的实际变质矿物组合。在变质岩P-T视剖图的基础上，研究团队提取了不同变质矿物转变过程中金属、硫和水的释放量。黄铁矿转变为磁黄铁矿、绿泥石和白云母的分解均能在变质过程中释放金属进入成矿流体中。然而，在低地温梯度下，变质沉积岩经历角闪岩相-麻粒岩相变质过程（下地壳深度）中绿泥石的分解是唯一能够释放大量金及其他元素的反应。进一步通过定量计算得知，下地壳变质沉积岩能够在该梯度下能够向矿石流体中释放至少1.5 ppb Au、5.2 ppm Cu、4.3 ppm Pb、5.0 ppm Zn和20 ppm S。通过进一步的质量平衡计算，研究团队发现1km3变质沉积岩中可迁移出4.05 t Au、14040 t Cu、11600 t Pb和13500 t Zn。尽管这个级别的金属释放量无法形成大型Cu、Pb和Zn矿床，但足以形成大型的造山型金矿床。因此，IYZSZ的下地壳变质沉积岩能够视作金的主要源区。综上所述，研究团队认为下地壳变质沉积岩能够提供足够的金及其他元素以形成IYZSZ金矿带以及世界范围内其他变质沉积岩容矿的造山型金矿床。

变质带各变质等级手标本照片及金和部分元素释放量的视剖面

上述研究成果以“Prograde metamorphism provides gold and base metals to orogenic gold deposits in southern Tibet: Insights from thermodynamic modeling”为题发表于Journal of Asian Earth Sciences，博士研究生丁正鹏为第一作者，孙晓明教授为通讯作者。

来源：中山大学地球科学与工程学院

“科研动态 | 我院博士研究生丁正鹏在JAES上发表文章：热力学模拟解释藏南造山型金矿床的成矿物质来源”

04

微电子科学与技术学院赵毓斌教授课题组在IEEE IOT-J发表论文

传统的人体活动识别技术通常采用计算机视觉和可穿戴传感器。基于计算机视觉的识别技术很容易受到光线和视角的影响，同时涉及隐私问题。基于可穿戴传感器的识别技术应用成本相对较高，且在某些场景下会增加人体负担。因此，作为一种无处不在的无线通信技术，WiFi近年来已被广泛应用于非侵入式人体活动识别中。基于WiFi的人体活动识别技术通过分析通道状态信息（CSI）的变化，反推引起通道状态变化的物理环境的变化，如空间中人体活动所引起的载波信号散射、反射、功率衰减等现象，从而实现非接触式智能感知。由于这种技术可以利用建筑中现有的WiFi基础设施，应用方便，成本低廉，所以在通感一体化领域中研究人员开发了许多基于WiFi的应用系统，如活动识别、入侵检测、跌倒检测、心率检测、室内定位等。虽然现有的基于WiFi的人体活动识别系统在一些应用中取得了较好的结果，但这些系统主要采用集中式计算和复杂的人工智能算法，需要大量收集WiFi中的CSI数据来进行离线训练，限制了应用范围和实时处理。相比之下，随着技术的发展，许多配备了WiFi的人工智能物联网（AIoT）设备不仅可以分布式收集数据，而且还能实时处理数据，从而将系统的覆盖范围显著地扩展到整个空间领域。为了实现大范围实时非侵入式人体活动检测，同时兼顾物联网设备的存算空间有限的问题，开发一种基于分布式人工智能物联网的轻量化WiFi人体活动识别系统具有非常重要的科学意义和应用价值。

赵毓斌教授课题组提出了一个利用分布式人工智能物联网设备实现的轻量化WiFi人体活动识别系统，名为LiWi-HAR系统。LiWi-HAR系统首先采用基于PCA的数据压缩算法来降低数据维度，将子载波从原来的高维数据变成低维数据，同时保证数据信息特征，从而有效减少数据处理量。然后，系统利用基于移动方差差异的分割算法对连续活动数据流进行分割，识别每个活动的起始点和结束点，将连续的活动流分割成独立的活动片段。接着，系统根据统计学原理从活动片段中提取八个活动特征，分别为归一化标准差（STD）、运动持续时间（T）、绝对中位数偏差（MAD）、四分位数范围（IQR）、信号熵（HI）、信号变化的速率（R）、均方根值（RMS）、信号线性偏差均值（FDM）。最后，基于所得的活动特征，系统采用基于PSO的双隐含层BPNN算法进行活动识别。该算法利用PSO优化了神经网络的初始权值和阈值，减少了神经网络的搜索空间和时间，便于将训练后的网络结构植入可编程的WiFi芯片中。综合实验表明，该系统具有收敛速度快、易于实现、鲁棒性高等特点。特别是与其他深度学习系统相比，LiWi-HAR系统在小规模数据情况下具有更快的计算速度和更高的识别精度。因此，LiWi-HAR可以灵活地进行实时活动监测，并可以在各种人工智能物联网设备上实现。

利用分布式人工智能物联网设备实现的轻量化WiFi人体活动识别系统的流程图

以上成果以“LiWi-HAR: Lightweight WiFi based Human Activity Recognition using Distributed AIoT”为题发表于期刊IOT-J，文章的第一作者是2021级硕士研究生梁伟锡，通讯作者为赵毓斌教授。中山大学微电子科学与技术学院为第一完成单位。

来源：中山大学微电子科学与技术学院

“喜讯 | 我院硕士生梁伟锡以第一作者身份在IEEE IOT-J发表论文”

05

化学工程与技术学院欧阳钢锋院长、陈国胜副教授团队在生物杂交框架研究领域取得新进展

天然酶是一类具有催化活性的天然聚合物，通过绿色、温和、高效的方式催化细胞内的生物化学反应，具有人工催化剂无法比拟的高效率。然而，酶的柔性构象在外界刺激下极易发生变化，极大地限制了酶的大规模工业应用。利用多孔超分子“盔甲”对天然酶结构进行约束、保护是设计多功能杂化生物催化剂的有效手段，既能解决酶的稳定性问题，又能提高酶的可重复性。尽管该领域已取得了系列进展，但多孔超分子框架的结晶往往需要苛刻的条件，如何实现在生物相容条件下原位装配超分子晶体“盔甲”仍是技术难点。

基于此，中山大学陈国胜副教授和欧阳钢锋教授团队报道了一种温和、绿色的自下而上制备杂化生物催化剂的超分子策略,可以简单、高效地合成氢键有机框架（HOF）杂化生物催化剂。本研究选用具有四个甲酸臂的c2对称芘结构（1,3,6,8-四羧基芘，H4TCPy）作为超分子构建模块。修饰的甲酸臂使芘结构体在微量有机溶剂中具有高分散性，并允许在几乎无有机溶剂的水溶液中，将离散的芘结构体通过羧酸二聚作用在酶表面形成多孔超分子氢键网络结构。这种空间整合充分利用了天然酶的催化活性和高结晶框架的约束效应，并证明了这种绿色方法设计高效稳定的生物催化剂的实用性。此外，HOF共平面的芘核提供了强大的层间π-π相互作用，使杂化生物催化剂在较宽的pH范围内稳定。这种结构明确、孔通道排列有序的HOF“盔甲”可以具有门控作用用于筛选催化底物，从而提高生物催化选择性，同时也可以提高酶在非生理环境下的稳定性。基于这些特性，本研究进一步开发了基于超分子生物催化剂的电化学免疫传感器，实现了对癌症标志物的超灵敏检测。这项工作克服了使用天然酶进行生物催化的常见稳定性和选择性问题，并为获得不同应用的高效杂交生物催化剂提供了新的见解。

绿色超分子组装策略示意图

以上研究成果以“Green synthesis of stable hybrid biocatalyst using a hydrogen-bonded, π-π-stacking supramolecular assembly for electrochemical immunosensor”为题发表在期刊Nature Communications上，中山大学陈国胜副教授和欧阳钢锋教授为论文通讯作者，2021级博士研究生黄维为论文第一作者。

来源：中山大学化学工程与技术学院

“欧阳钢锋院长、陈国胜副教授团队在生物杂交框架研究领域取得新进展”

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中山医学院颜光美教授团队开发出新一代溶瘤病毒M1

溶瘤病毒疗法是一种具有多重抗肿瘤机制的新型肿瘤治疗方法。然而， 溶瘤病毒开发过程中的毒力衰减往往伴随着其溶瘤效应的减弱。在本项研究中，作者首先在难治性结直肠癌细胞HCT-116上进行定向自然进化，开发出了新一代溶瘤病毒M1 (NGOVM)，其溶瘤效应提高了9690倍。进一步研究发现NGOVM具有更广泛的抗肿瘤谱，对多种体内外实体肿瘤具有更强的溶瘤作用。基因分析发现在E2和nsP3基因上分别有一个关键突变，它们分别通过增加M1病毒与Mxra8受体的结合来加速M1病毒的进入，并通过抑制肿瘤细胞中PKR和STAT1的激活来拮抗抗病毒反应， 二者协同增强M1病毒的溶瘤作用。更重要的是，NGOVM在啮齿类动物和非人灵长类动物中都具有良好的耐受性。综上所述，该研究开发出了新一代强效溶瘤病毒M1，且已阐明其增效机制。该研究提示定向自然进化是开发出下一代具有更广泛应用范围和高安全性的溶瘤病毒的可行性方法，为基于定向自然进化的个体化精准治疗提供了研究范式。

一代溶瘤病毒M1（NGOVM）作用机制示意图

以上研究成果以“Directed natural evolution generates a next-generation oncolytic virus with a high potency and safety profile” 为题发表于期刊Nature Communications， 中山医学院颜光美教授团队的博士后郭莉和中山大学附属第三医院的副主任医师胡成为本文的共同第一作者，林园副教授和梁剑开副教授为共同通讯作者。

来源：中山大学中山医学院

转自：“中大科研”微信公众号

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