综述：MBenes：下一代多功能传感器，用于检测湿度、气体、生物分子和环境毒素

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：MBenes: Next-Generation Multifunctional Sensors for Humidity, Gas, Biomolecule, and Environmental Toxin Detection

MBenes作为新型二维材料，因其高导电性、表面反应性和稳定性，在气体、生物分子及湿度传感中展现潜力。本文系统综述了MBenes的合成方法、表面修饰策略及其在传感中的应用进展，并讨论了其挑战与未来前景。

　　

Sajjad Hussain|Nadeem Raza|Karma M. Albalawi|Irfan Ijaz|Yan Xu|Mohamed Khairy|Muhammad Asim Mushtaq|Waseem Raza

河南科技大学药学院，河南省纳米碳改性薄膜技术工程重点实验室，中国新乡453003

摘要

传感器在现代分析方法中变得越来越重要，因为它们能够高效准确地检测各种物质。近年来，MBenes（一种二维过渡金属氮化物或碳化物）由于其独特的热机械性能、较大的表面积、丰富的表面官能团、较低的带隙、亲水性和较高的电导率而受到广泛关注。这些特性使得MBenes非常适合用于需要将目标化合物固定在传感系统中的应用。因此，由于MBenes的表面反应性和较高的电导率，它们在湿度、气体、重金属和生物传感方面展现出巨大的潜力，能够检测微量有害气体并选择性地结合生物分子。本文综述了MBenes的合成、组成修饰和功能化方面的进展，以及它们与目标物质相互作用的实验和理论研究，评估了它们的局限性及未来潜力，并强调了其在实际传感技术中的应用前景。主要进展包括制造出能够快速响应且具有无与伦比灵敏度的气体传感器，用于检测低浓度的气体、湿度、环境毒素和重金属离子。

引言

电子技术和信息技术的最新突破证实了传感器在现代生活中的重要性[1][2]。传感器已经从简单的检测设备发展成为复杂的系统，在信息时代成为可靠的工具，有助于收集和解释各种生物、化学和物理信号。传感器对于提高不同领域的性能和决策制定至关重要，包括环境监测、军事行动和医疗保健[3][4]。日益严重的全球环境和健康问题推动了对精确、实时检测污染物和生物分子的需求[5][6]。气体传感器在监测大气状况和确保安全方面发挥着重要作用，应用于住宅和工业环境[7]。这些传感器还用于识别有毒和有害气体，如挥发性有机化合物（VOCs）、NH₃、SO₂、CO和NO_x。

此外，气体传感器在食品质量分析、公共安全和疾病诊断等多个领域也至关重要[8]。在过去50年里，已经使用了多种类型的传感器来检测气体，包括声学[9]、热电[10]、电化学[11]、光学[12]和电导率[13]传感器。化学电阻传感器因其先进的制造工艺、低成本、可微型化以及与标准集成电路技术的兼容性而具有明显优势[14][15]。目前，引入新材料和纳米技术对于提高传感器效率至关重要，特别是降低检测限和反应时间，以促进连续监测和早期预警系统[16][17]。

材料科学的进步促进了气体向传感应用的转化[18]。导电聚合物、二维（2D）材料和金属氧化物因其优异的电学特性、可调节的表面化学性质和高表面积/体积比而被广泛研究作为传感系统。然而，传统材料在传感应用中存在一些局限性。金属氧化物通常需要较高的温度才能达到足够的响应，导致能耗较高且便携性受限。为了解决这些问题，MXenes（一种二维过渡金属氮化物或碳化物）在近几十年里引起了广泛关注[8][19]。它们的化学稳定性、可调节的表面官能团（如-F、-OH和-O）、亲水表面以及固有的金属导电性为各种应用提供了显著优势[20][21]。尽管如此，MXenes在潮湿或环境中容易氧化，从而影响长期稳定性和重复性以及传感效率。

受MXenes的启发，研究人员目前正关注一类称为MBenes的新二维材料。这类材料在催化、能量存储与转换以及传感等多个领域引起了广泛关注[22][23][24][25]。MBenes由硼和过渡金属交替层组成，虽然结构与MXenes相似，但具有出色的稳定性、高活性表面积和可调的电子特性，赋予了独特的功能优势（图1）。通过表面修饰方法可以精确调节其对湿度、生物分子和气体污染物的选择性和反应性[26][27][28]。最近的实验和计算研究表明，MBenes在检测微量有害气体方面表现优异，这得益于其稳定性、表面反应性和高电导率，对于有效的环境监测至关重要[29]。它们多功能的表面使得能够精确识别生物分子，如癌症标志物、DNA和mRNA，从而推动快速、经济且便携的诊断系统的发展。

MBenes的发现与演变历史

最初的MBenes研究集中在正交结构的M₂B₂化合物上，如Cr₂B₂、Mo₂B₂、W₂B₂和Fe₂B₂，这些化合物都源自它们的MAB前体。这些早期材料具有正交晶体对称性、层状结构以及M₂B₂的化学计量比，成为MBenes家族的基础原型。后续研究扩展了这一家族，包括M₃B₄型和M₄B₆型的正交结构以及六方结构。

合成策略

MBenes作为一种新型的二维过渡金属硼化物，因其独特的化学和物理特性、增强的理论性能以及高电导率而受到广泛关注[65][66]。迄今为止，已经进行了大量研究来设计制备已发现的MBenes、新的MBenes及其衍生物的策略。最近，这些合成策略被分为两大类：自上而下的方法和自下而上的方法（图）。

电子特性

MBenes表现出多样的电学特性，使其成为先进应用中的有希望的材料。样品的电子特性与其在多种应用中的耐用性和性能密切相关。最近的研究探讨了Mn₂B、Cr₂B₂和V₂B₂的投影态密度（PDOS）和总态密度（TDOS）[73]。通过Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE06）等理论方法进行了分析。

MBenes在传感器中的作用

MBenes作为一种二维过渡金属硼化物，由于其出色的机械稳定性、可调节的表面化学性质和较高的电导率，成为传感器的理想材料。由于它们依赖于高效的电荷转移、快速的反应和恢复时间以及强大的分析物相互作用能力，MBenes在电化学传感应用中表现出巨大潜力。

MBenes的生物相容性、毒性和生态风险

作为二维材料，MBenes因其独特的化学性质和使用的相对无毒元素而在传感应用中受到关注。与某些由稀有和重金属组成的纳米材料相比，许多MBenes含有丰富的低毒性元素，如硼和铁、镍、钛等[79]。这种组成优势构成了其生物相容性的基础。对多种人类细胞系的初步细胞毒性测试表明...

结论与未来展望

MBenes材料的独特特性，包括众多的活性位点、强大的氧化还原活性、广阔的比表面积和较高的电导率，使其在基于MBenes的传感器中引起了极大兴趣。由于这些特性，基于MBenes的传感器能够快速、选择性和准确地检测多种分析物。因此，基于MBenes的传感器在多个领域展现出巨大潜力，特别是在...

CRediT作者贡献声明

Waseem Raza：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论设计、概念构思。 Mohamed Khairy：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化。 Yan Xu：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化。 Muhammad Asim Mushtaq：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验研究。 Nadeem Raza：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、资金筹集、数据分析。 Sajjad Hussain：撰写 – 原稿撰写、数据管理、概念构思。 Irfan Ijaz：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

竞争利益声明

? 作者声明没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究部的支持和资助（资助编号：IMSIU-DDRSP 2602）。