岳晚教授课题组在小分子n型有机电化学神经元突触取得最新进展

有机混合离子电子导体(OMIEC)，由于其低操作电压、高化学跨导、良好生物相容性、可溶液加工等优势，已广泛用于有机神经形态电子领域（如人工突触、神经接口），有效地推动了下一代神经形态硬件和生物混合系统，并有望解决能耗过大而面临的冯诺依曼瓶颈。然而，目前已开发的OMIEC大多数是空穴传输（p型）材料，电子传输（n型）材料由于不稳定性导致其性能和种类严重滞后。但是，n型材料对于构建逻辑电路、基于电子转移的生物传感是必不可少的。因此，亟待开发高性能和高稳定的n型OMIEC。此外，相比于聚合物OMIEC，小分子OMIEC具有高结晶性、灵活定制结构、易于合成和纯化、明确的构-性关系等优点，无链纠缠有助于微结构控制和器件性能的增强，在场效应晶体管（OFET）、有机太阳能电池、以及近年来兴起的有机电化学晶体管（OECT）等有机电子领域引起了极大的关注。然而，由于材料稀缺且缺乏有效的分子设计策略，基于小分子n型OMIEC的有机电化学神经元突触（OENS）目前尚未见报道。

前期，岳晚教授课题组已报道开发了一系列小分子n型OMIEC（gNR体系）及其有机电化学晶体管器件（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202213737.VIP; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2203937； ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14，16477.），取得了一定的研究进展。鉴于此，本文采用分子内S-O非键相互作用“构象锁”策略并将n型稠合的全受体小分子OMIEC与微妙的侧链优化相结合，设计了两种新型n型小分子OMIEC，亲水性EG侧链的gNR-EG和疏水性线性丁基侧链的gNR-Bu，首次报道了基于小分子n型OMIEC的有机电化学神经元突触（sn-OENS）（图1）。

图1.生物突触以及sn-OENS示意图

sn-OENS不仅成功地模拟了基于固态凝胶电解质门控的多模态神经形态功能，而且还实现了在水环境中传感检测多巴胺 (DA) 神经递质。在固态电解质模式中，在单个sn-OENS器件中实现了多模态突触特性（图2），包括突触可塑性的鲁棒可调性，例如，短期可塑性、长期可塑性、双脉冲易化、长期抑制/促进、尖峰时间依赖可塑性、尖峰电压依赖可塑性，以及动态滤波、信号分离、学习记忆和图片识别等神经形态功能（图3）。值得注意的是，采用gNR-Bu的OENS对模型人工神经网络表现出高达94%的识别准确率，在环境条件下保持超过600 s的高度稳定的电导状态，以及优异的环境稳定性，100天后兴奋性后突触电流可保留54%（环境条件下，且无任何封装），通过简单调整栅极电压作为补偿，进一步提高到90.9%，明显优于之前的n型有机突触。更令人印象深刻的是，在溶液电解质门控模式中，基于gNR-EG和gNR-Bu的器件能够感知亚微摩级水平的DA突触传递信号（图4）。

图2. sn-OENS的多模态突触特性及稳定性

图3. sn-OENS的学习记忆和人工神经网络图片识别等神经形态功能

图4. OENS在溶液电解质门控中的突触行为

总之，该研究首次报道了基于小分子n型有机混合离子电子导体的有机电化学神经元突触 (OENS)， 在单个器件中实现了多模态突触特性，前所未有地将简便的制造、出色的环境稳定性以及鲁棒而灵活的可调性结合在一起。同时，OENS可作为生物传感器来检测电解质水溶液中亚微摩级水平的多巴胺。这种高性能的n型小分子OMIEC策略为构建感、存、算一体的下一代有机生物电子开辟了一条新的道路。

该工作以“Versatile Neuromorphic Modulation and Biosensing based on N-type Small-molecule Organic Mixed Ionic-Electronic Conductors”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202315537）。中山大学材料科学与工程学院博士生刘日平为论文第一作者，博士生朱修远为共同第一作者，中山大学岳晚教授为唯一通讯作者。同时，感谢中山大学谢庄副教授、谢曦教授以及厦门大学张彦曦副教授给与的指导和帮助。该研究工作得到国家重点研发计划（2022YFA1206600）、国家自然科学基金（22275212）、广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515110729）、中央高校基本科研业务费专项资金（23yxqntd002）的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202315537

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军