苏黎世联邦理工学院、西南交通大学：关于研究MXenes-环境生化传感平台新型材料

近日，苏黎世联邦理工学院王京课题组联合西南交通大学赵志俊课题组及四川大学张传芳课题组，在高起点新刊Electron发表了题为“MXenes: Emerging Materials for Environmental Biochemical Sensing Platforms”的综述文章。

这篇综述全面总结了MXene在生化传感领域的最新研究进展，系统梳理了MXene的合成策略、材料特性、传感机制及其在气体检测、环境监测、生物识别等多元场景中的应用。文章从结构-性能-功能关系出发，深入解析了MXene表面官能团、导电性、二维结构与高比表面积对传感性能的调控作用，并结合电化学、光学、场效应晶体管等多种传感模式，展示了其在高灵敏、高选择性、快速响应传感器构建中的巨大潜力。同时，文章客观指出了MXene在稳定性、选择性、规模化制备等方面面临的挑战，并展望了绿色合成、表面工程、多功能集成与AI辅助设计等未来发展方向，为基于MXene的下一代智能传感系统的研发提供了系统参考与前瞻视角。

图文导读

1. Mxene生化传感器的发展时间轴

综述系统的总结了Mxene生化传感器在不同传感类型（电化学、荧光、表面增强拉曼、场效应晶体管和电阻式传感）当中的代表性研究成果，并绘制成可视化的时间轴。

图1. Mxene生化传感器的发展时间轴。

2. Mxene的制备策略
 

MXene的制备策略经过十余年的发展，发展目标变为了更加绿色高效的制备Mxene，制备策略可分为传统的HF酸体系刻蚀和新型的无氟合成。如图2所示，传统路线以HF或原位HF体系选择性溶去MAX相中的Al层，得到多层后再经插层剥离成单层。为绿色化，研究者开发出熔融盐路易斯酸刻蚀（图3）、碱水热刻蚀（图4A）和电化学刻蚀（图4B）三条无氟方案，均能在保留M–X骨架的同时引入–Cl、–OH或–O等可控终端。最近的研究提出了一步直接合成（图5A）与气相选择性刻蚀（图5B）的方法，进一步提高了MXene合成的效率与质量。 

图2. （A）MXene的典型合成路径。（B）在元素周期表中标出了可用于合成MXene和MAX相的M、X、A、T元素，并展示了不同n值（n=1–4）的MXene典型层状结构（如M₂XTₓ, M₃X₂Tₓ, M₄X₃Tₓ, M₅X₄Tₓ）。

图3. （A）展示了通过CuCl₂ Lewis酸熔盐在750 °C下刻蚀Ti₃AlC₂制备Ti₃C₂Tₓ的示意图。（B）基于电化学氧化还原电位绘制的Gibbs自由能图，用于指导选择合适的Lewis酸熔盐。（C）展示了通过不同熔盐（如CdBr₂）可实现多种表面终止基团（-O, -NH, -S, -Se, -Br, -Te等）的调控。

图4. （A）碱辅助水热刻蚀法示意图，使用高浓度NaOH在高温下刻蚀Ti₃AlC₂，得到无氟MXene。（B）电化学刻蚀法示意图，通过调控电压和插层剂（如TMA⁺）实现一步刻蚀与剥离，避免表面碳化问题。

图5. （A）一步直接合成法示意图，通过高温反应直接由金属、卤化物和碳/氮源合成MXene（如Ti₂CCl₂），无需MAX前驱体。（B）气相选择性刻蚀法示意图，使用卤素气体（Cl₂/Br₂/I₂）或卤化氢气体在高温下刻蚀MAX相，得到-Cl/-Br/-I终止的MXene。

3. Mxene的物理特性
 

MXene凭借其可调的组成与表面化学，展现出优异的物理化学性质。电子性能方面，如图6A-C，MXene通常具有高导电性，导电率可达10⁴ S/cm，且受表面基团和层间距调控，多数呈现负温度依赖性，部分经退火可恢复金属特性。光学上，如图6D-E，其光学行为与电子结构相关，–F/–OH终止影响类似，–O则需更多电子稳定；在可见-近红外区还具有等离子激元特性，适于透明电极应用。力学性能如图6H-J所示，MXene继承MAX相的高模量特点，单层Ti₃C₂Tₓ和Nb₄C₃Tₓ的杨氏模量分别达（330±30）GPa与（386±13）GPa，虽低于石墨烯但优于多数溶液法制备的二维材料，兼具良好柔性与强度。

图6. Mxene物理特性分析示意图。

4. Mxene基传感器在检测气体，化学物质和生物分子的研究进展
 

MXene在气体传感领域展现出显著潜力，尤其在室温下对特定气体具有快速响应、高灵敏度和可调控的选择性。相较于传统金属氧化物、石墨烯和二硫化钼等材料，MXene优势明显。图7A-B研究通过理论计算证实，单层Ti₂CO₂对氨气具有高吸附能、优异选择性和灵敏度。图7C-D实验制备的Ti₃C₂Tₓ基传感器在室温下可实现低浓度挥发性有机化合物的高信噪比检测，其高性能源于表面羟基与气体分子间的氢键作用。此外，图7E-F通过调控插入金属离子（如钠离子）的浓度，可调整Ti₃C₂Tₓ薄膜的层间距，从而有效优化其气体选择性及传感性能。

图7. Mxene在气体传感领域的研究进展。

有害化学物质如重金属和农药具有环境持久性与生物毒性，对人类健康和生态安全构成威胁。MXene基传感器为痕量检测提供了高效解决方案。图8A-E研究开发了MXene气凝胶-CuO/碳布传感器，通过构建三维结构并引入氧空位和铋离子，显著提升了对镉、铅离子的检测性能。图8F-H利用MXene与NH₂-CNTs复合形成多孔材料，实现了对杨梅素的高灵敏检测，改善了电子转移与电化学活性。此外，MXene还应用于场效应晶体管和激光解吸/电离质谱技术，实现了对银离子和农药的有效检测,如图8I-N所示。这些成果凸显了MXene在提升化学检测灵敏性与可靠性方面的关键作用，为环境与健康监测提供了新兴技术路径。

图8. Mxene在化学物质检测领域的研究进展。

表面增强拉曼散射（SERS）的增强效应主要源于电磁与化学机制。MXene作为一种二维材料，凭借高导电性、亲水性和可调表面化学性质，能显著增强拉曼信号，并在水环境中稳定分散，提升检测准确性。研究已开发多种MXene复合基底，如图9A-C MXene/金纳米棒用于染料检测；图9D-G湿法纺丝制备的MXene/GO/AuNCs柔性基底可实现TNT高灵敏检测；以及图9H-I MXene/Fe2O3/Ag复合结构用于甲基蓝检测。这些复合材料通过协同效应增强SERS性能，展现出作为拉曼检测基底的广阔前景。

图9. Mxene在表面增强拉曼检测中的应用。

MXene可通过非共价（如静电吸附和弱相互作用）和共价方式与生物受体结合。非共价法操作简便，利于快速制备和重复使用。如图10A-B，DNA探针通过弱相互作用与Ti₃C₂Tₓ结合，实现特定病毒序列检测。图10C-D为共价法，通过表面羟基与戊二醛等交联剂形成稳定共价键，提高固定蛋白质受体的稳定性和特异性，适用于细菌或病毒蛋白的高选择性检测。引入金属纳米颗粒可进一步增强传感器性能。未来，合理利用共价或非共价修饰，并结合抗污抗菌涂层，可提升对海洋环境中微量药物的传感能力，如图10E-F。

图10. Mxene在生物分子检测中的发展进程。

总结与展望

总体而言，MXene基材料因其独特性质在多种传感器应用中展现出巨大潜力，但仍存在若干挑战亟待突破：
 

（1） MXene在高温、高湿等苛刻条件下的稳定性较差，易发生氧化导致性能衰退，同时现有合成方法（如HF蚀刻）存在安全与环境风险，难以满足大规模生产需求；

（2） 选择性尤其是气体选择性识别能力不足，例如难以区分氨气（NH₃）与二氧化氮（NO₂）等相似气体，限制了其在复杂环境中的应用；

（3） 当前材料相态、终端调控及缺陷工程仍缺乏精准设计手段，制约了性能的进一步提升。

原文链接

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