近日，蘇黎世聯邦理工學院王京課題組聯合西南交通大學趙志俊課題組及四川大學張傳芳課題組，在高起點新刊Electron發表了題為“MXenes: Emerging Materials for Environmental Biochemical Sensing Platforms”的綜述文章。

這篇綜述全面總結了MXene在生化傳感領域的最新研究進展，系統梳理了MXene的合成策略、材料特性、傳感機制及其在氣體檢測、環境監測、生物識別等多元場景中的應用。文章從結構-性能-功能關系出發，深入解析了MXene表面官能團、導電性、二維結構與高比表面積對傳感性能的調控作用，并結合電化學、光學、場效應晶體管等多種傳感模式，展示了其在高靈敏、高選擇性、快速響應傳感器構建中的巨大潛力。同時，文章客觀指出了MXene在穩定性、選擇性、規模化制備等方面面臨的挑戰，并展望了綠色合成、表面工程、多功能集成與AI輔助設計等未來發展方向，為基于MXene的下一代智能傳感系統的研發提供了系統參考與前瞻視角。

圖文導讀

1.Mxene生化傳感器的發展時間軸

綜述系統的總結了Mxene生化傳感器在不同傳感類型（電化學、熒光、表面增強拉曼、場效應晶體管和電阻式傳感）當中的代表性研究成果，并繪制成可視化的時間軸。

圖1.Mxene生化傳感器的發展時間軸。

2.Mxene的制備策略

MXene的制備策略經過十余年的發展，發展目標變為了更加綠色高效的制備Mxene，制備策略可分為傳統的HF酸體系刻蝕和新型的無氟合成。如圖2所示，傳統路線以HF或原位HF體系選擇性溶去MAX相中的Al層，得到多層后再經插層剝離成單層。為綠色化，研究者開發出熔融鹽路易斯酸刻蝕（圖3）、堿水熱刻蝕（圖4A）和電化學刻蝕（圖4B）三條無氟方案，均能在保留M–X骨架的同時引入–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，進一步提高了MXene合成的效率與質量。

圖2.（A）MXene的典型合成路徑。（B）在元素周期表中標出了可用于合成MXene和MAX相的M、X、A、T元素，并展示了不同n值（n=1–4）的MXene典型層狀結構（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）基于電化學氧化還原電位繪制的Gibbs自由能圖，用于指導選擇合適的Lewis酸熔鹽。（C）展示了通過不同熔鹽（如CdBr?）可實現多種表面終止基團（-O, -NH, -S, -Se, -Br, -Te等）的調控。

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）電化學刻蝕法示意圖，通過調控電壓和插層劑（如TMA?）實現一步刻蝕與剝離，避免表面碳化問題。

圖5.（A）一步直接合成法示意圖，通過高溫反應直接由金屬、鹵化物和碳/氮源合成MXene（如Ti?CCl?），無需MAX前驅體。（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憑借其可調的組成與表面化學，展現出優異的物理化學性質。電子性能方面，如圖6A-C，MXene通常具有高導電性，導電率可達10? S/cm，且受表面基團和層間距調控，多數呈現負溫度依賴性，部分經退火可恢復金屬特性。光學上，如圖6D-E，其光學行為與電子結構相關，–F/–OH終止影響類似，–O則需更多電子穩定；在可見-近紅外區還具有等離子激元特性，適于透明電極應用。力學性能如圖6H-J所示，MXene繼承MAX相的高模量特點，單層Ti?C?T?和Nb?C?T?的楊氏模量分別達（330±30）GPa與（386±13）GPa，雖低于石墨烯但優于多數溶液法制備的二維材料，兼具良好柔性與強度。

圖6.Mxene物理特性分析示意圖。

4.Mxene基傳感器在檢測氣體，化學物質和生物分子的研究進展

MXene在氣體傳感領域展現出顯著潛力，尤其在室溫下對特定氣體具有快速響應、高靈敏度和可調控的選擇性。相較于傳統金屬氧化物、石墨烯和二硫化鉬等材料，MXene優勢明顯。圖7A-B研究通過理論計算證實，單層Ti?CO?對氨氣具有高吸附能、優異選擇性和靈敏度。圖7C-D實驗制備的Ti?C?T?基傳感器在室溫下可實現低濃度揮發性有機化合物的高信噪比檢測，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通過調控插入金屬離子（如鈉離子）的濃度，可調整Ti?C?T?薄膜的層間距，從而有效優化其氣體選擇性及傳感性能。

圖7.Mxene在氣體傳感領域的研究進展。

有害化學物質如重金屬和農藥具有環境持久性與生物毒性，對人類健康和生態安全構成威脅。MXene基傳感器為痕量檢測提供了高效解決方案。圖8A-E研究開發了MXene氣凝膠-CuO/碳布傳感器，通過構建三維結構并引入氧空位和鉍離子，顯著提升了對鎘、鉛離子的檢測性能。圖8F-H利用MXene與NH?-CNTs復合形成多孔材料，實現了對楊梅素的高靈敏檢測，改善了電子轉移與電化學活性。此外，MXene還應用于場效應晶體管和激光解吸/電離質譜技術，實現了對銀離子和農藥的有效檢測,如圖8I-N所示。這些成果凸顯了MXene在提升化學檢測靈敏性與可靠性方面的關鍵作用，為環境與健康監測提供了新興技術路徑。

圖8.Mxene在化學物質檢測領域的研究進展。

表面增強拉曼散射（SERS）的增強效應主要源于電磁與化學機制。MXene作為一種二維材料，憑借高導電性、親水性和可調表面化學性質，能顯著增強拉曼信號，并在水環境中穩定分散，提升檢測準確性。研究已開發多種MXene復合基底，如圖9A-C MXene/金納米棒用于染料檢測；圖9D-G濕法紡絲制備的MXene/GO/AuNCs柔性基底可實現TNT高靈敏檢測；以及圖9H-I MXene/Fe2O3/Ag復合結構用于甲基藍檢測。這些復合材料通過協同效應增強SERS性能，展現出作為拉曼檢測基底的廣闊前景。

圖9.Mxene在表面增強拉曼檢測中的應用。

MXene可通過非共價（如靜電吸附和弱相互作用）和共價方式與生物受體結合。非共價法操作簡便，利于快速制備和重復使用。如圖10A-B，DNA探針通過弱相互作用與Ti?C?T?結合，實現特定病毒序列檢測。圖10C-D為共價法，通過表面羥基與戊二醛等交聯劑形成穩定共價鍵，提高固定蛋白質受體的穩定性和特異性，適用于細菌或病毒蛋白的高選擇性檢測。引入金屬納米顆粒可進一步增強傳感器性能。未來，合理利用共價或非共價修飾，并結合抗污抗菌涂層，可提升對海洋環境中微量藥物的傳感能力，如圖10E-F。

圖10.Mxene在生物分子檢測中的發展進程。

總結與展望

總體而言，MXene基材料因其獨特性質在多種傳感器應用中展現出巨大潛力，但仍存在若干挑戰亟待突破：

（1） MXene在高溫、高濕等苛刻條件下的穩定性較差，易發生氧化導致性能衰退，同時現有合成方法（如HF蝕刻）存在安全與環境風險，難以滿足大規模生產需求；

（2） 選擇性尤其是氣體選擇性識別能力不足，例如難以區分氨氣（NH?）與二氧化氮（NO?）等相似氣體，限制了其在復雜環境中的應用；

（3） 當前材料相態、終端調控及缺陷工程仍缺乏精準設計手段，制約了性能的進一步提升。

原文鏈接

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