综述：用于生物传感和制氢的下一代二维MXene纳米材料

《Nanotechnology, Science and Applications》：Two-Dimensional MXenes as Next-Generation Nanomaterials for Biosensing and Hydrogen Production

本篇综述系统阐述了二维MXene纳米材料的结构特点、多样化合成方法及其前沿应用。重点探讨了MXene凭借高导电性、优异亲水性、可控表面官能化等特性，在生物传感（如检测病毒、细菌、生物分子、癌症生物标志物、食品污染物、环境污染物）和催化制氢（光电催化、电催化水解制氢）两大核心领域的卓越性能、关键机理与研究进展，并展望了其作为先进诊断工具和可持续能源催化剂所面临的挑战与未来机遇。

　　

二维MXene的合成与基本特性

二维MXene材料是一类通过选择性蚀刻其前驱体MAX相（化学式为M_n+1AX_n）中的A原子层而得到的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物。其典型的化学式可表示为M_n+1X_nT_x，其中T代表表面端接官能团（如–F, –OH, –Cl, 或–O），这些官能团赋予了MXene材料亲水性，并深刻影响其离子传输和电学性质。

合成方法概览

MXene的制备方法多样，主要可分为“自上而下”的蚀刻剥离法和“自上而上”的直接合成法，其中蚀刻法是主流。常用的蚀刻方法包括：

1. 1.
   氢氟酸(HF)及氟化物盐蚀刻：这是最经典的方法，但HF的毒性和危险性较高，且得到的MXene可能缺陷较多。采用LiF/HCl等体系原位生成HF的蚀刻方法，可以获得更大片层、缺陷更少的MXene，且减少了-F端接基团，有利于提升其电学和催化性能。
2. 2.
   无氟（电化学）蚀刻：该方法在无氟电解质中进行，通过施加电压选择性去除铝层，可以获得无氟端接的MXene，产物更清洁，性能更优。
3. 3.
   路易斯酸熔盐蚀刻：在熔融盐（如ZnCl₂、CdCl₂）中利用氧化还原反应置换出MAX相中的A层原子，是一种环境友好且可生成不同卤素端接（-Cl, -Br）MXene的方法。
4. 4.
   直接制备法：如化学气相沉积(CVD)和碱/水热法，尝试不经过蚀刻步骤直接合成MXene，为绿色、规模化生产提供了新思路。

关键材料特性

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  高电导率：得益于其二维结构、大的比表面积以及结构中高导电性过渡金属的存在，MXene表现出卓越的电子导电性，有利于电信号传输和电荷分离。
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  优异亲水性：表面的–OH和–F等端接基团使其具有高度的亲水性，易于在水溶液中分散，便于加工和在生物/水相环境中应用。
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  丰富的表面化学与可修饰性：丰富的表面活性位点和多样的端接基团使得MXene易于进行表面功能化（如与氨基硅烷、适配体、抗体、酶等结合），从而调控其性能并赋予其特定的识别或催化功能。
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  良好的生物相容性：许多MXene（尤其是Ti₃C₂）显示出良好的生物相容性和低细胞毒性，为其在生物医学领域的应用奠定了基础。

MXene在生物传感领域的革命性应用

凭借上述特性，MXene在构建高灵敏度、高选择性、快速响应的生物传感器方面展现出巨大潜力，其应用覆盖了健康监测、疾病诊断、环境监控和食品安全等多个关键领域。

1. 生物分子传感

MXene被广泛用于检测对健康至关重要的各种小生物分子。例如，基于Ti₃C₂MXene的荧光探针可用于检测细胞内谷胱甘肽(GSH)和尿酸。通过构建红色碳点(RCDs)与Ti₃C₂的能量转移体系，开发了高灵敏的葡萄糖传感器。此外，利用胆固醇氧化酶(ChO_x)与MXene/壳聚糖复合材料，可制备出性能优异的胆固醇电化学生物传感器。基于MXene的传感器也被成功用于检测多巴胺(DA)等神经递质。

2. 病原体检测

在传染病防控方面，MXene基传感器发挥了重要作用。例如，通过将氨基功能化的探针DNA固定在Ti₃C₂T_x修饰的电极上，开发了能够快速、高灵敏检测严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)的传感器。同样，利用DNA功能化的Ti₃C₂T_x场效应晶体管传感器，能够特异性识别SARS-CoV-2的核衣壳蛋白基因。在细菌检测方面，以钛基MXene结合肽核酸(PNA)探针，实现了对结核分枝杆菌等病原菌的高效检测。

3. 食品污染物传感

针对食品中的霉菌毒素等有害污染物，MXene基传感器提供了强大的检测工具。例如，将金纳米粒子(Au NPs)与MXene结合构建的表面增强拉曼散射(SERS)适配体传感器，能够超灵敏检测黄曲霉毒素B1(AFB1)。类似的策略也被用于检测T-2毒素、赭曲霉毒素A(OTA)和胶霉毒素等。这些传感器通常展现出宽线性范围、低检测限(LOD)以及在真实样品中良好的回收率。

4. 环境污染物传感

在环境监测领域，MXene被用于检测多种有害物质。例如，Ti₃C₂复合材料可用于电化学检测亚硝酸钠(NaNO₂)。通过将乙酰胆碱酯酶(AChE)与Ti₃C₂/Au NPs/MnO₂/Mn₃O₄纳米复合材料结合，构建了高灵敏的有机磷农药(OPs)传感器。此外，MXene量子点(MQDs)的荧光特性可用于选择性检测水中的重金属离子，如Cu²⁺和Fe³⁺。

MXene在制氢领域的卓越贡献

氢能作为一种高能量密度的清洁能源载体，其高效、经济制备是研究的核心。MXene及其复合材料在电催化及光催化分解水制氢方面表现出色，被视为贵金属催化剂（如铂）的潜在替代品。

1. MXene基电催化剂用于产氢

MXene本身具有优异的电导率，其表面的端接基团（尤其是-O）可提供有利的氢吸附位点，促进氢析出反应(HER)。研究表明，通过热处理将Ti₃C₂T_x表面的-OH基团转化为-O基团，可以显著提升其HER活性。对MXene进行单原子修饰（如锚定Pt、Co等）是另一种有效策略，例如Mo₂TiC₂T_x-Pt_SA单原子催化剂表现出接近商用Pt/C的优异活性和稳定性。此外，将MXene与高活性材料（如MoS₂、NiS₂、VS₂、金属磷化物、金属纳米粒子等）复合，构建异质结构，可以协同增强导电性、增加活性位点、优化氢吸附自由能，从而大幅提升HER性能。

2. MXene基光催化剂用于产氢

在光催化制氢领域，MXene主要作为助催化剂或载体，与半导体（如CdS、g-C₃N₄、TiO₂）结合。MXene的高导电性可以作为高效的电子受体和传输通道，促进光生电子-空穴对的有效分离，抑制复合。例如，构建的CdS/Ti₃C₂、CdS/Nb₂CT_x、g-C₃N₄/Ti₃C₂、g-C₃N₄/V₂C等异质结光催化剂，其产氢速率相较纯半导体均有数倍乃至数十倍的提升。MXene的表面官能团（-O, -OH）在调控界面能带结构和提供反应位点方面也起着关键作用。更有甚者，构建如Ti₃C₂@TiO₂@MoS₂这样的三元异质结，可以集成各组分优势，实现光吸收、电荷分离和表面反应的多重优化，获得极高的光催化产氢活性。

挑战与未来展望

尽管MXene在生物传感和制氢领域前景广阔，但仍面临一些挑战。在制备方面，急需发展绿色、安全、可规模化生产的合成方法。在生物传感应用中，需要进一步提高传感器的重现性、长期稳定性，并深入评估其在复杂生物环境中的生物相容性和潜在毒性。在制氢领域，如何设计出活性、稳定性全面超越或比肩贵金属，且成本更低的MXene基催化剂仍是巨大挑战。此外，MXene材料在水和空气环境中的氧化稳定性问题也亟待解决，需要通过抗氧化封端、边缘钝化等策略来延长其使用寿命。

未来研究应致力于通过表面功能化工程、杂化技术和先进的表征手段（如密度泛函理论计算），深入理解MXene的构效关系，理性设计性能更优的复合材料。推动MXene基器件从实验室走向实际应用和商业化，最终为先进医疗诊断、个性化医疗、可持续能源系统和环境污染治理提供强大的材料解决方案。