近日，南京大学生命分析化学全国重点实验室赵伟伟教授团队在《Chinese Chemical Letters》上发表了题为“An organic photoelectrochemical transistor biosensor mimicking visual nociceptive system with self-adaptability”的研究论文（DOI：10.1016/j.cclet.2026.112702）。本研究报道了一种基于有机光电化学晶体管的谷氨酸生物传感器，并将其用于模拟具有自适应能力的视觉伤害感受系统。该器件将光刺激感知、谷氨酸生物识别、类突触信号传递和人工瞳孔反馈调控集成于同一系统中，实现了谷氨酸依赖的神经形态响应及强光刺激下的自适应保护功能。该研究为构建更接近生物视觉系统的仿生传感器和神经形态电子器件提供了新的思路。
人体视觉伤害感受系统并不是简单地将光刺激转化为神经信号，而是涉及光感知、神经递质调控、信号整合以及反馈保护等多个环节。其中，谷氨酸作为视觉系统中的重要神经递质，在信号传递和伤害感受调节过程中发挥关键作用。因此，要实现对视觉伤害感受系统的高水平模拟，需要人工器件同时具备光响应、生化信号感知、类突触可塑性以及闭环反馈调控能力。
本文以谷氨酸脱氢酶修饰的氧化钨(WO₃)光栅极为核心，构建了基于谷氨酸脱氢酶/氧化钨（GluDh/WO₃）光栅极的有机光电化学晶体管。光照条件下，WO₃ 产生光生电荷并诱导器件中的离子迁移，从而调控沟道电流；当体系中存在谷氨酸时，酶催化反应生成的 NADH 可促进光生空穴消耗，增强电子转移与离子注入，进而放大器件的输出信号。基于这一机制，谷氨酸能够像生物视觉系统中的神经递质一样调节人工系统的“伤害感受”强度。
在器件功能验证方面，作者通过调节光脉冲间隔、数量、宽度、强度和波长等参数，模拟了多种神经形态可塑性行为，包括成对脉冲易化、脉冲频率依赖可塑性、脉冲数量依赖可塑性、脉冲宽度依赖可塑性和脉冲强度依赖可塑性等。进一步地，作者将器件与微控制器和人工瞳孔相结合，当输出信号超过设定阈值时，人工瞳孔自动闭合，从而实现对强光刺激的自适应保护。
图1 人体视觉伤害感受系统与人工视觉伤害感受系统设计
图1展示了人体视觉伤害感受系统调控瞳孔的基本机制，以及本文构建的人工视觉伤害感受系统。自然视觉系统在强光刺激下会产生伤害感受信号，并引导瞳孔收缩以减少光损伤。受此启发，研究团队构建了基于 GluDh/WO₃ 光栅极有机光电化学晶体管的人工系统，通过光刺激和谷氨酸共同调控输出信号，并借助微控制器控制人工瞳孔，实现“感知—处理—反馈保护”的闭环过程。
图2对 WO₃ 光栅极材料和器件响应机制进行了表征。SEM 图像显示 WO₃ 呈现均一的片状形貌，XRD 结果证明 WO₃ 成功构筑于 FTO 电极表面。器件在光脉冲刺激下产生明显的栅极电流和沟道电流响应；当加入谷氨酸后，电流响应显著增强。其原因在于谷氨酸参与酶催化反应后生成的 NADH 能够促进光生空穴消耗，从而增强电子转移和离子注入，最终放大器件的类突触输出信号。
图3 成对脉冲易化及脉冲频率、脉冲数量依赖突触可塑性模拟
图3展示了器件对典型突触可塑性行为的模拟。通过施加不同时间间隔的双光脉冲，器件表现出成对脉冲易化现象，即第二个响应峰高于第一个响应峰；随着脉冲间隔增加，易化效应逐渐减弱。此外，通过调节光脉冲频率和脉冲数量，器件还成功模拟了脉冲频率依赖可塑性和脉冲数量依赖可塑性，说明该系统具备对光刺激时间信息进行编码和处理的能力。
图4 脉冲宽度、脉冲强度、波长及谷氨酸浓度对器件响应的调控
图4进一步研究了不同光刺激参数和谷氨酸浓度对器件输出信号的影响。随着光脉冲宽度和强度增加，器件产生更大的突触后电流响应，并表现出更长的恢复时间，分别对应脉冲宽度依赖可塑性和脉冲强度依赖可塑性。同时，器件对不同波长光表现出差异化响应，短波长光引发更强响应，这与生物视网膜对高能光更敏感的特征相呼应。随着谷氨酸浓度从 0 mmol/L 增加至 5 mmol/L，器件输出信号明显增强且恢复时间延长，说明谷氨酸能够有效调控人工视觉伤害感受系统的敏感性。
图5展示了该人工系统对不同强度、不同持续时间及成对光刺激的响应规律。结果表明，在较低谷氨酸浓度下，光刺激虽然能够引起响应，但不易超过设定的“疼痛阈值”；而随着谷氨酸浓度升高，器件对相同光刺激产生更强响应，更容易超过阈值。这一现象模拟了生物视觉伤害感受系统中谷氨酸调控视痛觉敏感性的过程。
此外，当强刺激后接弱刺激时，器件在谷氨酸存在下能够对后续弱刺激产生放大响应，表现出类似生物系统中的敏化行为；随着刺激间隔增加，响应逐渐减弱，又体现出脱敏过程。这说明该系统不仅能判断单次刺激强弱，还能对连续刺激历史进行“记忆”和动态调节。
图6展示了器件与人工瞳孔结合后的自适应保护功能。当光刺激引发的输出信号超过设定阈值时，系统通过微控制器驱动人工瞳孔闭合，从而阻挡后续强光照射。在没有人工瞳孔保护时，器件响应会持续升高并超过阈值；而引入人工瞳孔后，强光刺激可被及时阻断，使响应维持在相对安全范围内。
进一步实验表明，在较强光刺激下，人工瞳孔可被触发闭合；而在谷氨酸浓度较高时，即使光强相对较低，系统也能更早达到阈值并启动保护。这说明该人工视觉伤害感受系统能够根据外界光刺激强度和内部谷氨酸水平实现自适应调控，较好地模拟了人体眼睛在不同伤害敏感状态下的保护反应。
本研究成果得到了国家自然科学基金（22374066、22174063）和南京大学卓越研究计划（ZYJH004）等基金的支持。
本研究构建了一种基于有机光电化学晶体管的谷氨酸生物传感器，并将其用于模拟具有自适应能力的视觉伤害感受系统。该系统将光感知、谷氨酸生物识别、类突触信号传递和人工瞳孔反馈保护有机结合，成功模拟了多种突触可塑性行为、谷氨酸依赖的阈值响应、敏化/脱敏过程以及强光下的自适应瞳孔保护功能。
与传统基于固态光电器件的人工视觉系统相比，该工作的重要特色在于引入了真实神经递质参与调控，使人工伤害感受系统更加接近生物视觉系统的工作方式。该研究为发展面向神经形态传感、仿生视觉、智能机器人和生物电子接口的自适应感知系统提供了新的研究范式。
赵伟伟（通讯作者），理学博士，南京大学化学学院、生命分析化学全国重点实验室教授、博士生导师。一直从事电分析化学基础研究与应用工作。在基于法拉利电流的电分析化学研究中，开创并发展了光电化学晶体管分析技术（photoelectrochemical transistor），该技术开辟了“生化分析-仿生感知-智能计算”的跨学科研究方向；在基于非法拉第电流（离子流）的电分析化学研究中，创新研制了多种单细胞分析器件，提出了“突触脉冲生化感知”、“光电化学纳流忆阻器”等差异化概念。迄今，在Natl. Sci. Rev., Sci. Bull., Natl. Sci. Open, eScience, Research, CCS Chem., Sci. China. Chem./Mater., Exploration, Nat. Water, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Device, ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Anal. Chem.等期刊发表论文多篇；在Chem. Rev.; Chem. Soc. Rev.; Coord. Chem. Rev., Anal. Chem., Trends Anal. Chem., 科学通报等期刊发表综述及评述文章多篇。先后担任国家自然科学基金、European Commission-Welsh Government Sêr Cymru II基金、Poland National Science Center OPUS-20基金评审专家多次。
刘星施（共同第一作者），南京大学化学学院、生命分析国家重点实验室2024级硕士研究生，主要研究方向为基于有机光电化学晶体管与光电化学纳流忆阻器的“生化分析-仿生感知-智能计算”应用。
袁骋（共同第一作者），南京大学化学学院、生命分析国家重点实验室2022级博士研究生，主要研究方向为基于有机光电化学晶体管与光电化学纳流忆阻器的“生化分析-仿生感知-智能计算”应用。以第一作者在National Science Review、Advanced Materials、Biosensors and Bioelectronics、ACS Sensors等发表论文多篇。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cclet.2026.112702
出品｜CCL编辑部
供稿｜刘星施、袁骋、赵伟伟
审核｜王俊丽
审定｜郭焕芳
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