近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院王京課題組聯(lián)合西南交通大學(xué)趙志俊課題組及四川大學(xué)張傳芳課題組，在高起點(diǎn)新刊Electron發(fā)表了題為“MXenes: Emerging Materials for Environmental Biochemical Sensing Platforms”的綜述文章。

這篇綜述全面總結(jié)了MXene在生化傳感領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，系統(tǒng)梳理了MXene的合成策略、材料特性、傳感機(jī)制及其在氣體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物識(shí)別等多元場(chǎng)景中的應(yīng)用。文章從結(jié)構(gòu)-性能-功能關(guān)系出發(fā)，深入解析了MXene表面官能團(tuán)、導(dǎo)電性、二維結(jié)構(gòu)與高比表面積對(duì)傳感性能的調(diào)控作用，并結(jié)合電化學(xué)、光學(xué)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等多種傳感模式，展示了其在高靈敏、高選擇性、快速響應(yīng)傳感器構(gòu)建中的巨大潛力。同時(shí)，文章客觀指出了MXene在穩(wěn)定性、選擇性、規(guī)?；苽涞确矫婷媾R的挑戰(zhàn)，并展望了綠色合成、表面工程、多功能集成與AI輔助設(shè)計(jì)等未來發(fā)展方向，為基于MXene的下一代智能傳感系統(tǒng)的研發(fā)提供了系統(tǒng)參考與前瞻視角。

圖文導(dǎo)讀

1.Mxene生化傳感器的發(fā)展時(shí)間軸

綜述系統(tǒng)的總結(jié)了Mxene生化傳感器在不同傳感類型（電化學(xué)、熒光、表面增強(qiáng)拉曼、場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電阻式傳感）當(dāng)中的代表性研究成果，并繪制成可視化的時(shí)間軸。

圖1.Mxene生化傳感器的發(fā)展時(shí)間軸。

2.Mxene的制備策略

MXene的制備策略經(jīng)過十余年的發(fā)展，發(fā)展目標(biāo)變?yōu)榱烁泳G色高效的制備Mxene，制備策略可分為傳統(tǒng)的HF酸體系刻蝕和新型的無氟合成。如圖2所示，傳統(tǒng)路線以HF或原位HF體系選擇性溶去MAX相中的Al層，得到多層后再經(jīng)插層剝離成單層。為綠色化，研究者開發(fā)出熔融鹽路易斯酸刻蝕（圖3）、堿水熱刻蝕（圖4A）和電化學(xué)刻蝕（圖4B）三條無氟方案，均能在保留M–X骨架的同時(shí)引入–Cl、–OH或–O等可控終端。最近的研究提出了一步直接合成（圖5A）與氣相選擇性刻蝕（圖5B）的方法，進(jìn)一步提高了MXene合成的效率與質(zhì)量。

圖2.（A）MXene的典型合成路徑。（B）在元素周期表中標(biāo)出了可用于合成MXene和MAX相的M、X、A、T元素，并展示了不同n值（n=1–4）的MXene典型層狀結(jié)構(gòu)（如M?XT?, M?X?T?, M?X?T?, M?X?T?）。

圖3.（A）展示了通過CuCl? Lewis酸熔鹽在750 °C下刻蝕Ti?AlC?制備Ti?C?T?的示意圖。（B）基于電化學(xué)氧化還原電位繪制的Gibbs自由能圖，用于指導(dǎo)選擇合適的Lewis酸熔鹽。（C）展示了通過不同熔鹽（如CdBr?）可實(shí)現(xiàn)多種表面終止基團(tuán)（-O, -NH, -S, -Se, -Br, -Te等）的調(diào)控。

圖4.（A）堿輔助水熱刻蝕法示意圖，使用高濃度NaOH在高溫下刻蝕Ti?AlC?，得到無氟MXene。（B）電化學(xué)刻蝕法示意圖，通過調(diào)控電壓和插層劑（如TMA?）實(shí)現(xiàn)一步刻蝕與剝離，避免表面碳化問題。

圖5.（A）一步直接合成法示意圖，通過高溫反應(yīng)直接由金屬、鹵化物和碳/氮源合成MXene（如Ti?CCl?），無需MAX前驅(qū)體。（B）氣相選擇性刻蝕法示意圖，使用鹵素氣體（Cl?/Br?/I?）或鹵化氫氣體在高溫下刻蝕MAX相，得到-Cl/-Br/-I終止的MXene。

3.Mxene的物理特性

MXene憑借其可調(diào)的組成與表面化學(xué)，展現(xiàn)出優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。電子性能方面，如圖6A-C，MXene通常具有高導(dǎo)電性，導(dǎo)電率可達(dá)10? S/cm，且受表面基團(tuán)和層間距調(diào)控，多數(shù)呈現(xiàn)負(fù)溫度依賴性，部分經(jīng)退火可恢復(fù)金屬特性。光學(xué)上，如圖6D-E，其光學(xué)行為與電子結(jié)構(gòu)相關(guān)，–F/–OH終止影響類似，–O則需更多電子穩(wěn)定；在可見-近紅外區(qū)還具有等離子激元特性，適于透明電極應(yīng)用。力學(xué)性能如圖6H-J所示，MXene繼承MAX相的高模量特點(diǎn)，單層Ti?C?T?和Nb?C?T?的楊氏模量分別達(dá)（330±30）GPa與（386±13）GPa，雖低于石墨烯但優(yōu)于多數(shù)溶液法制備的二維材料，兼具良好柔性與強(qiáng)度。

圖6.Mxene物理特性分析示意圖。

4.Mxene基傳感器在檢測(cè)氣體，化學(xué)物質(zhì)和生物分子的研究進(jìn)展

MXene在氣體傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著潛力，尤其在室溫下對(duì)特定氣體具有快速響應(yīng)、高靈敏度和可調(diào)控的選擇性。相較于傳統(tǒng)金屬氧化物、石墨烯和二硫化鉬等材料，MXene優(yōu)勢(shì)明顯。圖7A-B研究通過理論計(jì)算證實(shí)，單層Ti?CO?對(duì)氨氣具有高吸附能、優(yōu)異選擇性和靈敏度。圖7C-D實(shí)驗(yàn)制備的Ti?C?T?基傳感器在室溫下可實(shí)現(xiàn)低濃度揮發(fā)性有機(jī)化合物的高信噪比檢測(cè)，其高性能源于表面羥基與氣體分子間的氫鍵作用。此外，圖7E-F通過調(diào)控插入金屬離子（如鈉離子）的濃度，可調(diào)整Ti?C?T?薄膜的層間距，從而有效優(yōu)化其氣體選擇性及傳感性能。

圖7.Mxene在氣體傳感領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

有害化學(xué)物質(zhì)如重金屬和農(nóng)藥具有環(huán)境持久性與生物毒性，對(duì)人類健康和生態(tài)安全構(gòu)成威脅。MXene基傳感器為痕量檢測(cè)提供了高效解決方案。圖8A-E研究開發(fā)了MXene氣凝膠-CuO/碳布傳感器，通過構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)并引入氧空位和鉍離子，顯著提升了對(duì)鎘、鉛離子的檢測(cè)性能。圖8F-H利用MXene與NH?-CNTs復(fù)合形成多孔材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)楊梅素的高靈敏檢測(cè)，改善了電子轉(zhuǎn)移與電化學(xué)活性。此外，MXene還應(yīng)用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管和激光解吸/電離質(zhì)譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)銀離子和農(nóng)藥的有效檢測(cè),如圖8I-N所示。這些成果凸顯了MXene在提升化學(xué)檢測(cè)靈敏性與可靠性方面的關(guān)鍵作用，為環(huán)境與健康監(jiān)測(cè)提供了新興技術(shù)路徑。

圖8.Mxene在化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）的增強(qiáng)效應(yīng)主要源于電磁與化學(xué)機(jī)制。MXene作為一種二維材料，憑借高導(dǎo)電性、親水性和可調(diào)表面化學(xué)性質(zhì)，能顯著增強(qiáng)拉曼信號(hào)，并在水環(huán)境中穩(wěn)定分散，提升檢測(cè)準(zhǔn)確性。研究已開發(fā)多種MXene復(fù)合基底，如圖9A-C MXene/金納米棒用于染料檢測(cè)；圖9D-G濕法紡絲制備的MXene/GO/AuNCs柔性基底可實(shí)現(xiàn)TNT高靈敏檢測(cè)；以及圖9H-I MXene/Fe2O3/Ag復(fù)合結(jié)構(gòu)用于甲基藍(lán)檢測(cè)。這些復(fù)合材料通過協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)SERS性能，展現(xiàn)出作為拉曼檢測(cè)基底的廣闊前景。

圖9.Mxene在表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)中的應(yīng)用。

MXene可通過非共價(jià)（如靜電吸附和弱相互作用）和共價(jià)方式與生物受體結(jié)合。非共價(jià)法操作簡(jiǎn)便，利于快速制備和重復(fù)使用。如圖10A-B，DNA探針通過弱相互作用與Ti?C?T?結(jié)合，實(shí)現(xiàn)特定病毒序列檢測(cè)。圖10C-D為共價(jià)法，通過表面羥基與戊二醛等交聯(lián)劑形成穩(wěn)定共價(jià)鍵，提高固定蛋白質(zhì)受體的穩(wěn)定性和特異性，適用于細(xì)菌或病毒蛋白的高選擇性檢測(cè)。引入金屬納米顆粒可進(jìn)一步增強(qiáng)傳感器性能。未來，合理利用共價(jià)或非共價(jià)修飾，并結(jié)合抗污抗菌涂層，可提升對(duì)海洋環(huán)境中微量藥物的傳感能力，如圖10E-F。

圖10.Mxene在生物分子檢測(cè)中的發(fā)展進(jìn)程。

總結(jié)與展望

總體而言，MXene基材料因其獨(dú)特性質(zhì)在多種傳感器應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力，但仍存在若干挑戰(zhàn)亟待突破：

（1） MXene在高溫、高濕等苛刻條件下的穩(wěn)定性較差，易發(fā)生氧化導(dǎo)致性能衰退，同時(shí)現(xiàn)有合成方法（如HF蝕刻）存在安全與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求；

（2） 選擇性尤其是氣體選擇性識(shí)別能力不足，例如難以區(qū)分氨氣（NH?）與二氧化氮（NO?）等相似氣體，限制了其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用；

（3） 當(dāng)前材料相態(tài)、終端調(diào)控及缺陷工程仍缺乏精準(zhǔn)設(shè)計(jì)手段，制約了性能的進(jìn)一步提升。

原文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elt2.70015