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食品安全的挑战促使电化学生物传感器发展，MXene和MBene因其高导电性、可调表面化学及稳定性优势成为研究热点。MXene具有快速电子传输和丰富的官能团，但易氧化；MBene以更稳定的结构替代MXene，合成更环保，但应用研究较少。综述系统评估了两者的合成策略、传感机制及对重金属、抗生素、微生物等污染物的检测性能，指出MBene在氧化稳定性上的潜力及需优化的合成工艺。
作者名单：Canan Yagmur Karakas、Ozum Ozoglu、Sema Nur Yildirim、Osman Sagdic、Sebahattin Gurmen、Enes Dertli、Aytekin Uzunoglu
土耳其伊斯坦布尔Yildiz技术大学化学与冶金工程学院食品工程系
摘要
食品安全是一个全球性的重大挑战，其背后原因是人口增长、工业食品生产以及公众健康问题的日益关注。诸如病原微生物、重金属、农药、霉菌毒素和抗生素残留物等污染物需要快速、灵敏且可靠的检测方法。电化学生物传感器因其简单性、低成本以及适用于实时监测的特点，已成为传统分析方法的有效替代方案。二维（2D）材料，尤其是MXenes和MBenes，在提升传感器性能方面展现出了巨大潜力。MXenes由二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成，具有可调的表面性质和高电导率；而MBenes（二维过渡金属硼化物）则具备优异的抗氧化稳定性和化学稳定性。本文综述了基于MXenes和MBenes的电化学（生物）传感器在食品安全监测领域的最新进展，重点探讨了它们的优势、局限性以及实际应用的未来前景。
引言
随着人口增长、人们生活水平的提高以及对公共健康问题的关注，食品安全成为了一个日益重要的议题（G?kmen等人，2024；Huang等人，2025）。世界卫生组织（WHO）报告称，由食物引起的污染物已影响了约6亿人，其中42万人因此丧生（Foodborne Diseases Estimates，无日期）。食品中的病原体、重金属和农药等污染物在食品供应链的任何环节都可能对食品安全构成威胁（Huang等人，2025；Kumar等人，2024）。为应对这些挑战，各国政府和国际组织制定了相关法规和标准。因此，快速、准确、经济高效且灵敏的检测技术对于确保食品安全至关重要。生物传感器因其响应速度快、分析过程简单、特异性强、成本低以及适用于多种食品基质而受到广泛关注（Li等人，2022；Xie等人，2023）。与传统检测方法相比，电化学（生物）传感器能够实现高灵敏度的快速实时检测，且通常无需复杂的样品预处理步骤（Niu等人，2022；Sangu等人，2022；Wu等人，2019；Zhang等人，2025；Shi等人，2025；Ullah等人，2021）。它们能够将生物相互作用转化为可读的电信号，特别适用于复杂的多动态食品基质（Gao等人，2022）。
2004年二维石墨烯的发现极大地推动了新型二维材料的研究和创新。二维材料的出现为生物传感器技术开辟了新的途径（Zhang等人，2025；Shi等人，2025）。这些材料具有较大的表面积和优异的电子转移能力，易于功能化，从而实现了与生物受体的更强更稳定的相互作用，这是提升分析性能的关键因素（Hassan等人，2023；Uzunoglu等人，2023）。
在包括石墨烯、氧化石墨烯、过渡金属硫属化合物、硼烯和图迪炔在内的多种二维材料中，二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MXenes）因其卓越的导电性、可调的表面化学性质、高亲水性和高电子转移速率以及层状结构而彻底改变了生物传感器的研究。表面官能团（如-OH、-F和=O）为固定生物分子提供了多种位点，从而提高了传感器的灵敏度和选择性以及检测限（LOD）（Ghidiu等人，2014；Naguib等人，2011）。目前，多种MXenes及其杂化材料已成功应用于生物传感器中，结果表明这些材料在电分析领域具有巨大潜力（Liu等人，2023；Liu等人，2024）。然而，MXenes易被氧化，这会对其层状结构、表面积和电子导电性产生不利影响，从而限制了其实际应用。因此，需要对基于MXenes的材料采取特殊保护措施或进行改性以减轻氧化问题。二维过渡金属硼化物（MBenes）由于具有类似的结构特性，被认为是MXenes的潜在替代品，因为它们具有更高的抗氧化稳定性。此外，如后续部分所讨论的，MXenes的合成需要强酸（如HF和HCl+LiF），这对人类和环境安全构成风险。而使用NaOH等温和溶液可以从母相MAB合成MBenes，使其更加环保和安全。尽管MBenes在稳定性和合成方法上优于MXenes，但相关研究仍处于起步阶段，仍需大量努力来优化其合成工艺及其在电化学系统中的应用，尤其是在生物传感器领域。早期研究显示，MBenes凭借其优异的金属导电性、化学稳定性和电子传输性能，有望开发出高性能的电化学传感器（Gupta等人，2020；Khazaei等人，2019）。值得注意的是，基于MBenes的生物传感器在食品污染物检测方面的应用尚未得到充分开发，这为进一步研究提供了广阔空间。本文旨在总结和评估基于MXenes和MBenes的电化学生物传感器在食品安全检测中的最新进展，包括重金属、抗生素、食源性病原微生物、霉菌毒素和农药等污染物的检测（图1）。通过介绍它们的合成策略、传感机制、目标分析物和检测性能，我们旨在对比分析它们的优势及未来潜力。最终，本文旨在探讨这些先进二维材料如何帮助未来实现更安全、更快速、更可靠的食品监测技术。
二维材料在电化学传感器中的应用
二维材料已在多种电化学系统中得到广泛应用，包括能量存储与转换以及生物传感器领域。2004年通过微机械剥离技术从石墨中分离出石墨烯，这一发现推动了二维材料研究的快速发展。由于二维材料具有巨大的表面积与体积比，将其用于传感层能够实现高效检测。
结论与未来展望
对安全、可追溯且无污染食品的需求不断增加，推动了生物传感器技术的发展，尤其是基于纳米材料的电化学平台。在新兴材料中，MXenes凭借其可调节的表面官能团和结构，在电化学传感领域展现了显著的应用潜力。此外，它们还具有高电导率、氧化还原活性和较大的表面积等优点。
作者贡献声明
Canan Yagmur Karakas：撰写综述与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思。
Ozum Ozoglu：初稿撰写、形式分析、数据整理。
Sema Nur Yildirim：初稿撰写、方法设计、数据整理。
Osman Sagdic：资源提供。
Sebahattin Gurmen：资源提供。
Enes Dertli：撰写综述与编辑、指导、概念构思。
Aytekin Uzunoglu：撰写综述与编辑、初稿撰写、指导、资源提供。
未引用参考文献
Bae等人，2019
Chen等人，2025
Chen等人，2025
Dolez，2015
Halim, Rahman和Khan，2022
Leng等人，2021
Liu等人，2023
Liu等人，2023
Mitra等人，2022
Mojtabavi, Ghosh和Sinha，2023
Prasad, Mishra, Gupta, Prasad和Singh，2021
Robati等人，2016
Tang等人，2021
Thakali和MacRae，2021
Uzunoglu和Karakas，2025
Wang等人，2024
Wang, Yin和Gunasekaran，2024
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢TUBITAK在项目编号222Z140项下的财政支持。
