自2009年3月第二次通过了由国家科技部组织的化学类国家级重点实验室评估以来，实验室围绕国民经济发展的战略需求，凝练化学生物传感与计量学相关领域的前沿问题，在分子识别与探针、纳米生物学、化学生物传感、生化分析仪器、化学计量学五个研究方向上开展创新性基础研究。五年间，共发表SCI源刊论文1248篇，其中在《Proceedings of the National Academy of Sciences》、《Journal of American Chemical Society》、《Angewandte Chemie International Edition》等IF>10期刊上发表论文52篇，IF>5期刊上发表论文426篇。应邀为《Chemical Reviews》、《Accounts of Chemical Research》、《Angewandte Chemie International Edition》、《Chemical Society Reviews》、《Advanced Materials》、《ACS Nano》等国际权威化学期刊撰写综述或亮点评述论文23篇。申请发明专利130项，获授权发明专利72项。相关研究成果“功能核酸分子识别及生物传感新方法研究”获2014年度国家自然科学奖二等奖，“纳米尺度和分子水平上生物信息获取的新原理与新方法” 获2011年度国家自然科学奖二等奖，“高耐磨性、高耐蚀性、环保型钨合金电镀技术研发及应用” 获2011年度国家技术发明奖二等奖，“荧光传感探针设计与信号传导新策略研究”获2011年度教育部自然科学奖一等奖。此外，实验室固定成员作为第二完成人完成的研究成果“基于微生物特异性的重金属废水深度净化新工艺”获2011年度国家技术发明奖二等奖。
       (1)  在分子识别研究方面，基于分子工程的手段，从化学生物分子识别出发，以功能核酸及有机小分子配体为分子识别单元，在分子识别机理及基于新原理、新方法的高性能分子探针的研究方面取得了系列新进展: 开发了多种信号放大技术及降低信号背景的方法用于构建功能核酸及有机小分子荧光探针，以提高探针检测的灵敏度；采用各种抗干扰策略设计了系列高性能有机小分子荧光探针，用于生物分子及金属离子等目标物的检测及生物成像研究，解决了传统小分子荧光探针选择性不理想及生理环境背景荧光干扰严重等难题;采用多功能一体化设计策略，发展了集多检测目标、多响应信号于一体的检测体系，并将其用于生命活动中化学与生物信息的实时获取。
       (2)  在纳米生物学研究方面，针对发展适合于生命体系研究的功能化纳米颗粒材料需要同时解决生物相容性和生物可修饰性这两个关键科学问题，提出核-壳纳米颗粒结构模式及制备新原理，发展了基于荧光二氧化硅纳米颗粒结合核酸适体的细胞与活体生物成像技术。发展了多波长发射半导体纳米线光子器件、梯度纳米带异质结构。提出了基于生物分子DNA、蛋白质为模板的金属荧光纳米簇的制备技术，发展了基于荧光纳米簇的细胞与活体成像技术。
       (3)  在化学生物传感新原理、新方法研究方面，围绕高灵敏、高特异性生物传感方法研究主题，兼顾快速、简便、经济、高通量等技术特点，发展了化学小分子配体与蛋白受体相互作用的末端保护分析方法、核酸表面邻近杂交分析方法及磷酸化与激酶的受体工程，并系统应用于基因多态性检测、蛋白标志物检测、生物小分子检测及蛋白激酶活性检测等四类重要的生物靶标检测。针对电化学及光化学传感高灵敏信号转换的要求，系统发展了偏光及荧光成像分析、界面纳米组装分析及均相纳米组装分析等生物传感界面构建方法，为高灵敏、高特异酶传感器、免疫传感器、基因传感器与核酸适体传感器的构建提供了理论与技术依据。
       (4)  在生物分析仪器研制方面，光学成像技术及光学系统的构建是单分子检测系统中最重要的问题，通过在光学系统中增加适当的光学部件，可以获得优化的成像效果，得到检测过程中预想能获得的各种信息。因此，整个成像系统中，采用合适的光学成像技术是进行单分子研究的核心和基础。该方向围绕高信噪比，高时间空间分辨为核心，研制出一系列微分干涉相差显微成像、暗场成像以及偏振成像技术用于单分子行为和相互作用动力学以及与活体细胞的作用机制研究。
       (5)  在化学计量学研究方面，建立了复杂非均相体系光谱定量分析理论；发展了用于复杂体系光谱校正模型预测能力维护的系列新方法；发展了用于多维数阵分析及高阶张量校正的系列新方法；应用多维数阵分析及高阶张量校正的新方法解决了复杂体系分析中遇到的系列难题，实现了复杂化学生物体系未知干扰存在下待测多组分的直接快速定量分析。