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超分子人工离子通道赋能快速响应且水稳定的有机电化学晶体管

受电子与生物融合愿景的驱动，有机电化学晶体管（OECTs）因其能够直接利用水环境中的离子通量来调制通道层的体积电子传输，被视为连接非生物电子与生命系统的关键器件。基于有机混合离子-电子导体（OMIECs）的OECTs兼具柔软、生物相容等优势，有望在生理环境中实现高保真生物信号转导。然而，OECTs的水相操作引入了一个核心矛盾：有效的离子掺杂与稳定、高性能的电子输出难以兼得。当器件接触生理流体时，OMIECs的大自由体积促进水吸收，导致被动膨胀；在栅极偏压下水合离子进一步迁移进入通道层，水分子破坏结晶域的长程有序，损害电荷传输，造成响应缓慢和放大能力下降。随后的电化学掺杂/去掺杂循环还会驱动水分解副反应，其产物可能氧化聚合物骨架，引发不可逆化学降解（图1c）。因此，当前OECTs面临两大限制：一是响应速度慢，难以高保真检测瞬态生理活动；二是性能保持差，难以在生理环境中长期稳定工作。尽管固态电解质被尝试用于缓解水诱导问题，但传统电解质材料存在高离子电导率与低水渗透性之间的固有权衡。

自然界中，细胞膜通过脂质双层与嵌入式离子通道构成的空间分离双结构，精巧地解决了水扩散与离子传输的矛盾。受此启发，美国宾夕法尼亚大学蒋圆闻助理教授开发了一种超分子人工离子通道材料，并将其用于OECTs，同时实现了快速响应与水稳定性。该材料由氢键连接的冠醚堆叠组装在氟化聚合物基质中，兼具高离子电导率和低水渗透性。采用该离子通道层操作的OECTs表现出显著增强的时间响应和水相稳定性。该策略适用于p型和n型半导体，并在高密度晶体管阵列中保持均匀性能。将器件植入大鼠脑内后，OECTs能够在慢性条件下实现对多巴胺动态的实时、高保真监测。通过解决长期存在的水不稳定性瓶颈，该工作推动了OECTs向闭环自适应调制和生物混合计算方向发展。相关论文以题为“Rapid-responsive and water-stable organic electrochemical transistors enabled by supramolecular artificial ion channels”发表在最新一期《nature materials》上。

图 1 | 用于有机电化学晶体管的超分子离子通道聚合物的总体概念

超分子人工离子通道的合成与表征

研究人员通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合，将含脲冠醚的单体与氟化单体共聚，合成了四种具有不同氟烷基链长度的离子通道聚合物1–4（图2a）。其中，离子通道聚合物3在25°C下同时实现了高离子电导率（2.09 µS cm⁻¹）和低水渗透性（5.88×10⁻²⁰ m²·s⁻¹·Pa⁻¹）（图2c,d），因而被选为后续研究对象。与传统的固态离子导体（如聚环氧乙烷）和钝化材料（如聚对二甲苯C和SU-8）相比，该材料在离子电导率与水不渗透性之间取得了显著更优的平衡（图2e）。对照材料，包括纯脲冠醚聚合物、纯氟化聚合物以及缺乏脲连接基团的共聚物，均无法解决离子传输与水排斥之间的权衡，凸显了空间分离双结构和冠醚组装的关键作用。为探究离子传输特性，研究者进行了大单层囊泡（LUV）传输实验和电压钳记录。在LUV实验中，离子通道聚合物可传输多种碱金属阳离子，其中Na⁺传输效率最高，与其和15-冠-5空腔的高结合亲和力一致（图2g）。HPTS实验显示，离子通道聚合物的EC₅₀为1.61 µg ml⁻¹，而无脲对照样品为3.25 µg ml⁻¹（图2h），表明氢键驱动的冠醚有序组装促进了连续离子跳跃。电压钳记录显示，在平面脂质双层中，离子通道聚合物的Na⁺电导达到236±17 pS，并呈现清晰的通道状态双峰分布（图2j,k）。小角X射线散射（SAXS）在0.28 Å⁻¹处显示微相分离峰，在1.2 Å⁻¹处显示氢键组装峰；透射电子显微镜（TEM）观察到两相互连接域；傅里叶变换红外光谱（FTIR）在3300 cm⁻¹处出现氢键化脲基N-H伸缩振动，升温后蓝移至3340 cm⁻¹；圆二色（CD）光谱在加热或加入六氟异丙醇后信号减弱或崩溃。这些结果共同证实了冠醚组装结构对跨膜人工离子通道形成至关重要。

图 2 | 超分子离子通道聚合物的设计与特性

基于人工离子通道的超快、高耐久OECTs

研究者以PEDOT:PSS为通道材料，制备了涂覆离子通道层和未涂覆的两种OECTs。涂覆离子通道层的OECTs展现出卓越性能：最大漏电流Imax达到14.55±3.28 mA，跨导Gm高达39.73±9.67 mS（图3e–g）。其开态时间常数仅为1.3 µs，关态时间常数为1.2 µs（图3c），对应操作带宽约0.8 MHz（图3d），比原始OECT快近60倍（原始器件开态87.2 µs、关态72.9 µs）。同时，几何归一化跨导Gm,n超过44.8 mS µm⁻¹，在速度-增益平衡上超越了现有OECTs。在生理环境长期稳定性方面，37°C下PBS中老化4周后，离子通道修饰的OECT保留了96%的初始开态电流，响应时间仍为9.5 µs（第28天）（图3h,i）；而原始OECT的ID降至初始值的59%，响应时间从87.2 µs恶化至417 µs。在循环动态偏压测试中，离子通道修饰的OECT至少承受6000次电化学掺杂/去掺杂循环，仍保持97%的开态漏电流（图1g），而原始OECT在1000次循环后即退化14%。使用Nafion、壳聚糖和聚环氧乙烷等固态电解质的对照器件在3天内即出现Gm、响应时间和开关比的显著退化。无脲对照样品的Gm仅为13.8 mS，响应时间48.2 µs，进一步证明冠醚组装结构的关键性。该策略还成功扩展至n型半导体BBL和p(gNDI-T2)，同样增强了晶体管性能与稳定性（图3j,k）。此外，研究者还合成了12-冠-4和18-冠-6离子通道聚合物，均改善了OECT性能。

图 3 | 超分子离子通道介导的 OECT 操作，具有高速和长期稳定性

离子通道介导OMIECs门控的机理研究

研究者通过多种谱学手段揭示了性能提升与稳定性增强的机制。电化学阻抗谱（EIS）拟合表明，涂覆离子通道层的PEDOT:PSS体积电容C*为108 F cm⁻³，高于原始样品的86 F cm⁻³（图4a,b）。由转移特性推导的载流子迁移率μOECT在离子通道存在下达到7.47 cm² V⁻¹ s⁻¹，而原始薄膜仅为2.29 cm² V⁻¹ s⁻¹（图4c,d）。循环伏安（CV）显示两种样品的电化学行为相似，说明离子通道层允许充分的离子通量。掠入射X射线衍射（GIXD）揭示，原始PEDOT:PSS在0.6 V偏压10 min后，层状堆叠间距从13.2 Å膨胀至20.7 Å，而涂覆离子通道层的样品仅从13.2 Å增至13.7 Å（图4e–g）。原始PEDOT:PSS在去掺杂时厚度膨胀247%，涂覆样品仅膨胀19%（图4h）。原位紫外-可见光谱显示，涂覆样品在相同偏压下吸光度变化ΔA≈0.3，高于原始样品的0.2；去掺杂时间常数缩短至1.18 s，原始样品为4.67 s（图4i–k）。连续偏压3000 s后，涂覆样品在640 nm处的吸光度衰减小于6%，而原始PEDOT:PSS衰减约25%（图4l）。电化学石英晶体微天平（EQCM）直接测量了质量变化：原始PEDOT:PSS被动膨胀吸收9.14 µg，涂覆后降至2.63 µg；主动膨胀时原始样品再增加11.81 µg，涂覆样品仅增加0.87 µg（图4m）。电荷-质量分析表明，原始PEDOT:PSS中每个注入Na⁺伴随多达86个水分子，而引入离子通道层后水/离子比降至约5，同时注入电荷量相近（图4o）。BBL和p(gNDI-T2)样品也表现出类似的水抑制效果。这些结果说明，离子通道层通过抑制水共注入，保持了通道材料的结晶性和电荷传输路径，从而同时提升响应速度与操作稳定性。

图 4 | 超分子离子通道介导的OMIEC门控特性

大鼠脑内多巴胺释放的实时检测

研究者在柔性聚酰亚胺基底上制备了微型离子通道修饰OECT阵列（图5a,b）。在PBS中，该器件对10 nM至0.2 mM的多巴胺浓度范围呈现良好线性（R2=0.97），检测限低至0.244 nM（图5c,d）。器件对多种离子和神经递质干扰物表现出高选择性（图5e）。将柔性阵列立体定位植入麻醉大鼠的腹侧被盖区（VTA），刺激内侧前脑束（MFB）后，通道1的ID立即出现显著下降，表明经黑质树突通路释放多巴胺（图5g）。相邻通道（间距1.1 mm）位于VTA核心外，ID变化极小，说明信号并非电刺激伪影（图5h,i）。将刺激电极或记录阵列回撤5.5 mm后，多巴胺信号消失，证实释放仅沿MFB-VTA轴可测。免疫染色显示MFB和VTA中酪氨酸羟化酶（TH）与c-Fos共定位，验证了多巴胺能神经元的激活（图5j）。在7天植入期间，器件可重复记录多巴胺信号（图5k,l），时间分辨率达4.4 ms。结合0.244 nM的低检测限，该离子通道修饰OECTs超越了现有被动电化学和微透析等体内多巴胺检测方法（图5m）。

图 5 | 实时体内监测瞬时多巴胺释放

总结与展望

综上所述，通过在同一材料中整合高离子电导率和低水渗透性，超分子离子通道聚合物以仿生的空间分离双结构解决了OECTs中长期存在的水-离子权衡。这一进展解锁了高跨导、快速响应和长期稳定性在生理条件下的组合，而此前这些性能难以兼得。作为一个通用且可扩展的平台，超分子离子通道聚合物为生物电子学在实时传感、闭环调制和生物混合计算等方向开辟了新途径。