综述：二维（2D）过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）和过渡金属硼化物（MBenes）作为用于电化学检测食品污染物的新兴功能材料

《Food Chemistry》：Two-dimensional (2D) Transition Metal Carbides/Nitrides (MXenes) and Transition Metal Borides (MBenes) as Emerging Functional Materials for Electrochemical Detection of Food Contaminants

食品安全面临病原微生物、重金属等污染物检测需求，电化学生物传感器因快速、灵敏、成本低成为优选方案。MXene（高导电、可修饰表面）和MBene（更稳定、合成更环保）作为新型2D材料，在传感器中展现出显著优势，但需解决氧化稳定性与规模化应用问题。

　　

作者：Canan Yagmur Karakas、Ozum Ozoglu、Sema Nur Yildirim、Osman Sagdic、Sebahattin Gurmen、Enes Dertli、Aytekin Uzunoglu 所属机构：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，其根源在于人口增长、工业化食品生产以及日益严重的公共卫生问题。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，具有可调的表面特性和高电导率；而MBenes（二维过渡金属硼化物）则具有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，强调了它们的优势、局限性以及实际应用的前景。

引言

随着人口的增长、人们对生活质量的追求以及公共卫生需求的提升，食品安全已成为一个日益重要的问题（G?kmen等人，2024年；Huang等人，2025年）。世界卫生组织（WHO）报告称，食源性污染物已影响约6亿人，其中42万人因不安全的食品供应而死亡（食源性疾病估计数据，无具体年份）。食源性病原体、重金属和农药在食品供应链的各个环节都可能对食品安全构成威胁（Huang等人，2025年；Kumar等人，2024年）。为应对这些挑战，各国政府和国际组织制定了相关法规。因此，快速、准确、经济、可靠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年；Xie等人，2023年）。与传统检测方法相比，电化学（生物）传感器能够实现快速、实时的污染物检测，并且通常无需复杂的样品预处理步骤（Niu等人，2022年；Sangu等人，2022年；Wu等人，2019年；Zhang等人，2025年；Shi等人，2025年；Ullah等人，2021年）。它们能够将生物相互作用转化为可读的电信号，非常适合用于复杂的多动态食品基质分析（Gao等人，2022年）。 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与创新。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年；Shi等人，2025年）。这些材料具有较大的表面积和优异的电子传输能力，易于功能化，从而与生物受体形成更强的、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年；Uzunoglu等人，2023年）。 在包括石墨烯、氧化石墨烯、过渡金属硫属化合物、硼烯和图尔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）因其出色的导电性、可调的表面化学性质、高亲水性和高电子传输速率以及层状结构而彻底改变了生物传感器的研究方向。这些材料表面的官能团（如-OH、-F和=O）为固定生物分子提供了多样化的位点，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年；Naguib等人，2011年）。目前，多种MXenes及其混合物已被成功应用于生物传感器中，结果表明这些材料具有很高的电分析性能（Liu等人，2023年；Liu等人，2024年）。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。相比之下，结构类似的二维过渡金属硼化物（MBenes）由于具有更高的抗氧化稳定性而成为潜在的替代品。此外，MXenes的合成需要强酸（如HF和HCl+LiF），这对人类和环境安全存在风险；而使用NaOH等温和试剂可以从母体相MAB合成MBenes，使其更加环保和安全。尽管MBenes在稳定性和合成工艺方面优于MXenes，但相关研究仍处于初级阶段，仍需大量努力来优化其合成方法及其在电化学系统（尤其是生物传感器中的应用）。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，也有潜力开发出高性能的电化学传感器（Gupta等人，2020年；Khazaei等人，2019年）。值得注意的是，基于MBenes的生物传感器在食品污染物检测中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方面的最新进展，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（见图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和未来潜力，探讨这些先进二维材料如何帮助实现更安全、更快捷、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及生物传感器领域。2004年通过机械剥离法从石墨中分离出石墨烯，开启了二维材料研究的新篇章，随后出现了大量实验和理论研究。由于二维材料具有极高的表面积与体积比，将其应用于传感层能够显著提升检测灵敏度。

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、氧化还原活性和快速电子传输能力等优势。

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、形式化分析、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、监督工作、概念构思 - Aytekin Uzunoglu：撰写综述与编辑、初稿撰写、监督工作、资源提供

未引用的参考文献

- Bae等人，2019年 - Chen等人，2025年 - Chen等人，2025年 - Dolez，2015年 - 食源性疾病估计数据（无具体年份） - Halim, Rahman和Khan，2022年 - Leng等人，2021年 - Liu等人，2023年 - Liu等人，2023年 - Mitra等人，2022年 - Mojtabavi, Ghosh和Sinha，2023年 - Prasad, Mishra, Gupta, Prasad和Singh，2021年 - Robati等人，2016年 - Tang等人，2021年 - Thakali和MacRae，2021年 - Uzunoglu和Karakas，2025年 - Wang等人，2024年 - Wang, Yin和Gunasekaran，2024年

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢 作者感谢TUBITAK在该项目（项目编号222Z140）中的财政支持。