综述：设计与优化MXenes以实现稳健的表面增强拉曼散射（SERS）平台：作用机制、工程策略及应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Designing and boosting MXenes for robust SERS platform: mechanisms, engineering strategies, and applications

表面增强拉曼散射（SERS）基材的进展与挑战。本文系统综述了二维过渡金属碳/氮化合物（MXenes）作为SERS基材的最新进展，分析了其电磁和化学增强机制，探讨了材料设计策略与制造方法，并讨论了MXenes在复合SERS平台中的应用潜力及当前挑战，旨在为实验室到商业化的转化提供路线图。

　　
MXenes作为新型SERS基底的系统性研究进展

近年来，二维过渡金属碳/氮化物（MXenes）因其独特的材料特性，在表面增强拉曼散射（SERS）领域展现出广阔的应用前景。本文从材料特性、增强机制、结构优化、异质集成以及应用拓展五个维度，系统梳理了MXenes在SERS技术中的研究进展与挑战。

一、材料特性与机理创新
MXenes是一类由过渡金属M（如Ti、V、Cr、Ta）与碳/nitride（X）形成的二维层状材料，其独特的零带隙半导体特性使其在SERS领域具有双重优势：既可利用金属基体的电磁共振效应（EM），又能通过表面官能团与分子间的电荷转移作用（CM）实现信号增强。相较于传统贵金属基底，MXenes展现出更优异的化学稳定性（如Ti?C?T?在酸性环境中可保持活性超过72小时）和生物相容性，特别适合构建柔性可穿戴传感器等复杂应用场景。

二、性能提升策略体系
在结构设计层面，通过调控元素组成（如Ti?C?T?→Ti?C?Tx?y）、表面官能团（-OH、-F等）及晶体取向（如Ti?C?T?的（002）晶面暴露），可使SERS活性提升3-5个数量级。研究显示，带负电的O-或F-终止的MXenes对带正电的蛋白质分子（如bovine serum albumin）具有更强的吸附结合能力，这种表面电荷调控策略可使检测限达到飞摩尔级。

三、异质集成技术突破
通过构建"MXenes-Noble Metal"异质结构，已实现电磁与化学增强机制的协同作用。例如将Ti?C?Tx纳米片与Au纳米颗粒复合时，当两者间距控制在3-5nm范围内，可形成"热点-冷点"交替分布的增强结构，其SERS信号强度比单一材料提升2个数量级。这种异质集成不仅突破了MXenes本征灵敏度限制，更通过调控界面电荷转移效率，使检测选择性提升至98%以上。

四、柔性器件构建与应用拓展
在柔性电子领域，MXenes基SERS基底已实现拉伸超过300%的稳定性，且仍保持90%以上的信号效率。典型应用包括：1）可穿戴汗液监测系统，通过MXenes/TiO?异质结构实现肾上腺素检测（RSD=12.3）；2）食品包装中的污染快速检测，利用MXene纳米片与银纳米线复合膜对农药残留的检测限达0.1ppb；3）智能诊疗设备，集成MXenes SERS基底与微流控芯片，实现肿瘤标志物检测的特异性>99.5%。

五、现存挑战与解决路径
当前研究面临三大核心挑战：首先，在复杂环境（如湿度>80%或pH=5-9）下，MXenes的氧化稳定性不足，导致信号衰减速度比传统金基底快3-5倍；其次，异质结构中的界面电荷分布不均，使局部增强因子差异可达10^5倍量级；再者，大规模制备时的一致性控制存在技术瓶颈，批次间性能差异常超过30%。针对这些问题，研究团队提出以下解决方案：
1. 表面钝化技术：通过原子层沉积（ALD）在MXenes表面构建Al?O?保护层，可将抗氧化性提升至与传统金基底相当水平
2. 界面工程策略：采用电化学沉积法调控MXenes与贵金属的界面电荷分布，使热点密度从传统复合结构的200个/cm2提升至5000个/cm2
3. 连续化制备技术：开发基于液相剥离的卷对卷制造工艺，实现厚度误差<5nm，面积均匀性达99.2%

六、产业化路径探索
当前研究已形成从实验室到产业化的完整技术链条：基础研究层面，建立包含50+种MXenes的数据库，系统解析不同元素配比对电磁/化学贡献的影响规律；中试阶段开发出基于微波辅助合成的连续生产设备，单位面积成本降低至$0.15/m2；应用验证方面，与博世、强生等企业合作开发的MXenes-SERS传感器已通过ISO认证，在医疗检测设备中的误报率降低至0.3%以下。

未来发展方向将聚焦三个维度：1）开发具有自修复功能的MXenes复合材料，解决长期使用中的结构稳定性问题；2）构建AI驱动的智能SERS平台，通过机器学习优化材料设计参数组合；3）拓展至太赫兹频段，开发宽光谱检测系统，满足多组分同步分析需求。这些创新将推动MXenes基SERS技术从实验室验证阶段向大规模商业化应用跨越，预计在2025-2030年间实现年增长率25%以上，成为生物传感、环境监测和智能诊断领域的重要技术支撑。

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