金屬化學生物學（生物無機化學）發展和利用新型無機化合物作為外源金屬分子工具，實時、原位、定量探測或調控生命科學中重要分子事件的過程和動态規律，是無機化學與生命科學的前沿交叉領域。我們緻力于在無機化學與生命科學之間架起橋梁，通過天然金屬酶的模拟，構建新型金屬（稀土）分子工具，從金屬發光和反應兩方面出發，拓展在生命過程分子事件可視化及調控/修飾重要分子的應用，為重大疾病的診斷和治療提供新的标記物和新的藥物先導結構。
1. 金屬酶模拟和卟吩内酯化學
四吡咯金屬輔酶是光合作用系統、氧化酶等的活性中心,将可見/近紅外區域光轉化為電/化學能。我們以卟吩内酯作為分子平台，構築仿生四吡咯配體庫，系統地模拟共轭度和分子對稱性等結構因素調控發光、催化等功能，主要解決兩個重要化學問題。一是區域異構效應（regioisomerism）。自然界四吡咯金屬輔酶（如葉綠素）通過區域異構，即共轭大環内兩個内酯基團位置的相對變化，微調光吸收行為以适應所處環境（如深海和陸地等）。
二是揭示與飽和度相關的電子結構和金屬反應性。以鎳葉綠素（tunichlorin）為例。1989年，美國Rinehart教授在被囊生物中發現鎳葉綠素，但結構不穩定。人們一直認為鎳葉綠素的形成是在光合作用中氫化酶的鎳簇催化中心分解後取代葉綠素的鎂離子産生，因此鎳葉綠素是“鎳離子回收站”。我們以卟吩内酯作為模型分子，考察了芳香性和次級配位環境等多元協同效應對鎳金屬氧化-還原反應性（析氫）的明顯提升作用，反應速率比卟啉類似物快200倍左右。通過模拟構-效關系的途徑，我們率先提出并驗證葉綠素的結構對鎳的催化和電子傳遞功能的重要性，突破“鎳離子回收站”的傳統認識，對光合作用體系的理解和仿生分子催化。
Chem. Sci. 2017, 8, 5953-5961； ACS Catalysis 2020, 10 , 2177-2188; highlighted by Nat. Rev. Chem. 2017 1 , 0062.
2. 稀土化學生物學
稀土元素發光主要基于f軌道電子躍遷，所有稀土元素發光覆蓋從紫外-可見-近紅外區域。通過置換稀土種類，定制特定發光波長、光化學反應特性等的探針，建立從可見到近紅外區域的，具有“元素特征”的發光稀土配合物(稀土分子工具箱)。基于成像功能的優化，“匹配”配體激發态與稀土能級（f-f躍遷），實現對單線态氧的活化及近紅外（或MRI）成像，用“成像介導”的方式進行具有時空精确性的疾病治療。發展稀土探針的生物相容性修飾，改善稀土生物安全性，拓展治療功能，深化稀土化學生物學。
3. 金屬藥物化學及臨床轉化
金屬化學生物研究表明，金屬配合物探針在疾病的治療和診斷中發揮着重要作用。由于其獨特的電子構型、配位環境以及幾何結構，金屬探針具有靶點多且機制複雜的特點，與有機小分子的幾何尺寸類似，但是作用方式呈現顯著區别。金屬配合物的生物活性高度依賴于其配位過程的熱力學(金屬-配體鍵的強度)、動力學(配位鍵形成和斷裂的時間尺度)、金屬氧化态及分子形貌（分子間相互作用）等。因此，設計金屬分子探針将在細胞/活體水平上追蹤金屬的攝取、定位、形貌變化等過程，實現目标可視化，在最短時間内得到治療反饋信息，這對療效監測、評估和精準治療具有重要意義。
J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 22
