本次向各位同行介绍一项发表于 Anal. Chem. 2020年第92卷，第2452-2459页的研究。该研究的通讯作者为 Martin Pumera（隶属布拉格化学技术大学无机化学系、中国医科大学附属医院、布尔诺理工大学CEITEC未来能源与创新实验室及韩国延世大学等多所机构），第一作者为 Hui Ling Chia（新加坡南洋理工大学），合作作者包括 Carmen C. Mayorga-Martinez、Nikolas Antonatos、Zdeněk Sofer、Jesus J. Gonzalez-Julian 和 Richard D. Webster。这项研究系统地探讨了基于新型二维材料MXene（特别是碳化钛）的电化学葡萄糖生物传感器的构建，并重点揭示了材料的剥离方法对其电化学传感性能的强烈依赖性。
一、 学术背景与目标
本研究的科学领域属于纳米材料与电化学生物传感的交叉领域。具体聚焦于一类新兴的二维过渡金属碳化物和氮化物——MXene材料。MXene由三元层状MAX相通过选择性蚀刻其中的“A”层（通常为ⅢA或ⅣA族元素）而得到，其通式为Mn+1XnTx，其中Tx代表表面终止基团（如-OH, -O, -F）。MXene因其从母体MAX相继承的类金属高电导率、巨大的比表面积以及表面亲水性等独特性质，在能量存储、催化和传感等领域展现出巨大潜力。
研究的直接动机源于全球日益严峻的糖尿病（Diabetes Mellitus, DM）健康挑战。血糖浓度的准确监测对于糖尿病的诊断和管理至关重要。电化学生物传感器，特别是第二代葡萄糖生物传感器（使用人工电子媒介体替代氧气），因其高灵敏度、快速响应和操作简便等优点，已成为市场主流。然而，传感器性能的核心挑战在于如何促进葡萄糖氧化酶（GOD）的氧化还原中心与电极表面之间的高效电子转移。由于GOD的活性中心（FAD）深埋在蛋白质内部，其在裸电极上的直接电子转移非常困难。
因此，本研究旨在探索将原始（未复合其他纳米材料）MXene材料作为换能器平台，用于构建第二代电化学葡萄糖生物传感器的可行性。研究人员特别关注不同剥离方法（仅氢氟酸蚀刻与蚀刻后再剥离）所得的MXene材料（Ti3C2）在电化学性能和最终生物传感器性能上的差异，以期证明原始MXene本身在生物传感领域的应用价值，并为开发高选择性、高灵敏度的电化学生物传感器开辟新途径。
二、 详细工作流程
本研究包含四个主要且逻辑连贯的步骤：MAX相（Ti3AlC2）的合成、MXene（Ti3C2）的制备与表征、材料异相电子转移能力评估、以及葡萄糖生物传感器的构建与性能测试。
1. MAX相与MXene的合成与处理 首先，研究团队通过熔盐法合成了母体MAX相Ti3AlC2。具体方法是将钛粉、铝粉和石墨粉按3:1:2的摩尔比与KBr盐混合，在乙醇介质中球磨24小时。干燥后的粉末在200 MPa压力下压片，随后在KBr盐床中于1300°C下加热1小时（升温速率5°C/min）。冷却后，通过水洗去除KBr，得到Ti3AlC2粉末。
接着，通过两种路径制备MXene： * Ti3C2-HF：将2克Ti3AlC2浸入100 mL 40%氢氟酸（HF）溶液中，在室温下持续搅拌7天，通过选择性蚀刻去除铝层。随后通过离心、水洗和抽滤进行纯化，最后在50°C真空烘箱中干燥。 * Ti3C2-HF/TBA：在得到Ti3C2-HF的基础上，将其与40%的四丁基氢氧化铵（TBAOH）溶液搅拌1小时，随后超声处理0.5小时。此步骤旨在进一步剥离得到少层或单层的MXene。最后同样经过抽滤、水洗和干燥。
2. 材料的结构与形貌表征 研究采用了多种互补的表征技术来确认合成成功并分析材料特性： * 透射电子显微镜（TEM）与选区电子衍射（SAED）：用于观察形貌和晶体结构。结果显示，原始Ti3AlC2为微米级块状薄片，具有六方对称性。经过HF蚀刻后（Ti3C2-HF），结构发生膨胀，但保留了六方对称。经TBAOH剥离后（Ti3C2-HF/TBA），形成了更薄的单层或少层结构，晶体对称性依然保持。 * 能量色散X射线光谱（EDX）：用于元素分布分析。证实了Ti3AlC2中Ti、C、Al的均匀分布。在两种MXene中，Al信号基本消失，并出现了来自蚀刻过程的O和F元素。 * 原子力显微镜（AFM）：用于测量厚度。Ti3AlC2厚度为1-2 μm，Ti3C2-HF约为5-6 nm，而Ti3C2-HF/TBA进一步减薄至1-3 nm，证实了成功的蚀刻和剥离过程。 * X射线衍射（XRD）：用于分析晶体结构变化。Ti3AlC2的XRD图谱与文献一致。经HF蚀刻后，衍射峰变宽、强度降低，特别是(104)峰（~38.9°）的消失，证实了Al层的成功去除。同时，(002)峰向低角度移动，表明层间距因Al被-OH/-F等基团取代而增大。TBAOH剥离后，(002)峰进一步显著移向更低角度（从9.2°移至6.2°），表明层间距大幅增加，TBA+离子插层。 * 拉曼光谱（Raman）与X射线光电子能谱（XPS）：用于分析化学状态。拉曼光谱显示，HF蚀刻后出现了锐钛矿型TiO2的特征峰（144 cm-1），表明发生了部分氧化。而TBAOH处理后该峰大幅减弱，表明剥离过程去除了表面的TiO2纳米晶体。XPS分析进一步证实了Al的去除，并显示在Ti3C2-HF中钛主要以氧化物形式存在，而在Ti3C2-HF/TBA中碳化钛的比例显著增加，再次支持了TBAOH处理能去除表面氧化层、暴露更多本征导电Ti3C2的结论。
3. 异相电子转移（HET）能力评估 在构建生物传感器之前，评估材料本身作为电极修饰材料的电催化性能至关重要。研究采用循环伏安法（CV），以5 mM铁氰化钾/亚铁氰化钾（[Fe(CN)6]4−/3−）为氧化还原探针，对比了玻碳电极（GC）以及修饰了Ti3AlC2、Ti3C2-HF和Ti3C2-HF/TBA的电极。关键评估参数是氧化还原峰的峰电位差（ΔEp），其值越小通常意味着更快的异相电子转移速率。结果显示，所有修饰材料的ΔEp均小于裸GC电极，且顺序为：Ti3C2-HF/TBA < Ti3AlC2 < Ti3C2-HF。这表明Ti3C2-HF/TBA具有最快的电子转移能力，预示其在传感应用中可能具有最佳的电催化性能。
4. 葡萄糖生物传感器的构建与性能测试 基于HET测试结果，选择了性能最优的Ti3C2-HF/TBA作为核心材料构建第二代葡萄糖生物传感器。 * 传感器构建：首先将GC电极抛光清洗。然后将MXene材料分散在DMF中，取0.75 μL滴涂在GC电极表面并干燥。接着滴涂0.1 mg的葡萄糖氧化酶（GOD）溶液。最后，使用1%戊二醛（GTA）溶液进行交联固定，形成稳定的酶层。最终传感器记为Ti3C2-HF/TBA/GOD/GTA/GC。 * 性能测试： * 传感器各组分作用验证：通过计时电流法，对比了仅修饰GOD、修饰Ti3C2-HF/TBA+GOD、以及完整传感器（包含GTA交联）对连续添加葡萄糖的响应。结果显示，单独的GOD响应很小，加入MXene后信号显著增强，再加入GTA交联后信号达到最佳。这证明了MXene在促进电子转移、增加酶负载方面的关键作用，以及GTA在稳定酶层方面的贡献。 * 选择性测试：在含有2 mM FcMeOH（电子媒介体）的PBS缓冲液中，依次加入葡萄糖和常见的电活性干扰物（抗坏血酸、多巴胺、尿酸）。结果显示，只有葡萄糖的加入引起了显著的电流响应，干扰物几乎不产生信号，证明了传感器的高选择性。这得益于较低的工作电位（0.15 V）以及酶对底物的特异性。 * 分析性能测定：通过计时电流法记录传感器对不同浓度葡萄糖的响应，绘制校准曲线。传感器在50-250 μM和750-27750 μM两个宽范围内表现出良好的线性关系（相关系数r均为0.997）。根据IUPAC标准计算，其检测限为23.0 μM，定量限为76.8 μM。 * 实际样品测试：将传感器用于检测商业人血清样品中的葡萄糖含量，测得浓度为1.83 ± 0.27 mM。此外，在无糖饮料中进行加标回收实验，在500 μM葡萄糖浓度下回收率达到95.2%，证明了其在真实生物和食品样品中应用的可行性。
三、 主要结果
四、 结论与价值
本研究的核心结论是：原始MXene材料（Ti3C2）是一种极具潜力的高性能电化学生物传感器换能平台，但其性能强烈依赖于剥离方法。 通过HF蚀刻结合TBAOH剥离得到的少层Ti3C2（Ti3C2-HF/TBA）展现出最快的异相电子转移速率和最优的电催化性能。基于此材料构建的第二代葡萄糖生物传感器，无需与金纳米粒子等其他纳米材料复合，即可实现高选择性、高灵敏度、宽线性范围的葡萄糖检测。
这项研究的科学价值在于：首次系统比较了不同剥离方法对原始MXene材料电化学及生物传感性能的影响，明确了获得高性能MXene生物传感材料的关键处理步骤，深化了对MXene结构-性能关系的理解。其应用价值在于：为开发新一代简单、高效、低成本的MXene基电化学生物传感器提供了概念验证和实验基础，不仅限于葡萄糖检测，也可拓展至其他生物标志物的检测，在生物医学诊断和食品安全监测领域具有广阔的应用前景。
五、 研究亮点
六、 其他有价值的内容
研究在讨论部分将所开发的MXene传感器与文献中报道的其他基于二维材料（如WS2、WSe2、MoS2、石墨烯等，且多数需复合金纳米粒子）的葡萄糖传感器进行了对比（见表1）。通过对比线性范围和检测限等关键参数，有力地证明了本工作中仅使用原始MXene所构建的传感器具有竞争力，甚至在某些方面更优。这一对比进一步强调了本工作的创新性和所开发传感器的实用价值。