基于MXenes的葡萄糖生物传感器研究进展综述

本文是对学术期刊 Chinese Chemical Letters 第34卷（2023年）所发表的综述文章《Recent advances in MXenes-based glucose biosensors》的学术报告。该文由来自哈尔滨工业大学、的里雅斯特大学、新加坡国立大学等多家机构的科研人员共同撰写，通讯作者为哈尔滨工业大学的Fanghua Li。

文章主题与背景 该综述的主题聚焦于一种新型二维纳米材料——MXenes（过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物）在葡萄糖生物传感器领域的最新研究进展与应用潜力。文章旨在系统梳理MXenes材料的合成方法，并详细阐述其在作为电极修饰剂用于葡萄糖检测时的各种生物传感器设计、工作原理及性能表现，最后展望该技术面临的挑战与未来前景。

选择此主题的背景源于全球日益严峻的糖尿病健康问题。根据国际糖尿病联合会的数据，全球成人糖尿病患者数量持续快速增长，预计到2045年将达到7.83亿。血糖的日常监测是预防和治疗糖尿病最有效的手段之一。因此，开发具有优异传感性能的葡萄糖检测平台对糖尿病的早期诊断和风险评估至关重要。生物传感器，尤其是基于二维材料的生物传感器，被视为实现葡萄糖监测信号获取的 promising（有前景的）工具。然而，碳纳米管等传统二维材料存在毒性较高、生物相容性不佳、功能化困难、或易发生片层重新堆叠等固有缺陷，限制了其广泛应用。MXenes作为一类新兴的二维材料，凭借其卓越的亲水性、类金属导电性、丰富的表面官能团、独特的层状结构、大比表面积以及出色的生物相容性，迅速在生物传感领域展现出巨大的应用潜力，吸引了不同科学领域的广泛关注。

文章主要观点阐述

第一，MXenes的合成路径。 文章详细阐述了MXenes的两种主要合成策略：自上而下法（从MAX前驱体到MXenes）和自下而上法（如化学气相沉积）。其中，自上而下的湿化学刻蚀法是当前的主流方法。该部分的核心观点是，合成方法的选择直接决定了MXenes的尺寸、形貌、官能团及表面端基（-F, -OH, -O, -Cl等），进而影响其最终应用性能。因此，为满足特定的研究或应用需求，需要采用或定制合适的合成方法。 * 直接HF刻蚀法： 这是最早、最常用的方法，使用氢氟酸（HF）选择性刻蚀掉MAX相中的A层（如Al），生成多层MXenes。该方法操作相对简便，产物可控性高。但其主要弊端在于HF的高毒性、强腐蚀性和挥发性，增加了实验风险，且产物易产生表面缺陷，产率较低。 * 含F刻蚀增强法： 为避免直接使用HF，发展了原位生成HF的方法，例如使用LiF/HCl等混合物。这种方法利用氟化物与强酸反应生成HF，既发挥了HF的选择性刻蚀能力，又降低了直接操作HF的危险性。此外，文章还介绍了通过氧化剂辅助（如HF/HNO₃）刻蚀非铝基MAX前驱体（如Ti₃SiC₂）的方法，拓展了MXenes的合成范围。 * 无氟刻蚀法： 为进一步解决氟元素带来的环境污染和表面端基（-F不易功能化）问题，研究人员开发了无氟合成路线。例如：1）熔盐法：使用ZnCl₂等路易斯酸性熔融盐，通过热力学过程置换MAX中的A层原子，可得到以-Cl为端基的MXenes，且层间距增大。2）电化学刻蚀法：使用稀盐酸等温和蚀刻剂，在加热或外加电位条件下对MAX前驱体进行电化学刻蚀。这种方法环境友好，可获得以-Cl、-OH、-O为端基的MXenes，避免了-F端基的不利影响。 * 插层/分层方法的选择： 由于MXenes层间作用力较强，单纯的机械剥离效果不佳。通常需要在刻蚀后或刻蚀同时，使用插层剂（如二甲基亚砜、四丁基氢氧化铵、胆碱阳离子、Li⁺、Sn⁴⁺等）增大层间距，再辅以超声处理，才能高效获得单层或少层MXenes纳米片。文章指出，一步法（刻蚀与插层同时进行）可以简化流程，提高剥离率，并获得缺陷更少的产物。

第二，基于MXenes的葡萄糖生物传感器的最新进展。 这是综述的核心部分，文章根据传感器类型，系统介绍了三类主要的基于MXenes的葡萄糖生物传感器：非侵入式、酶基和非酶基传感器。对于每一种类型，文章都选取了代表性的研究工作，详细说明了其制备流程、工作原理（机制）、关键性能参数（如灵敏度、检测限、线性范围）以及优势所在。 * 非侵入式葡萄糖生物传感器： 这类传感器旨在通过检测汗液、泪液等体液实现无创、实时、连续的血糖监测，代表了可穿戴健康设备的重要方向。MXenes因其优异的生物相容性、高导电性和催化活性，成为构建此类传感器的理想材料。 * 汗液传感示例： 文章介绍了两个基于Ti₃C₂ MXenes的汗液传感器研究。一项工作利用原位生长的TiO₂纳米线/Ti₃C₂复合材料构建了电化学发光（ECL）生物传感器，用于检测汗液中的葡萄糖。其机制在于复合材料能催化H₂O₂产生O₂•⁻活性氧，进而增强鲁米诺的ECL信号，实现了高灵敏度和宽检测范围。另一项工作设计了一种具有“三明治”结构的多功能汗液传感贴片，其中采用碳纳米管（CNTs）插层的Ti₃C₂Tₓ/普鲁士蓝（PB）复合材料形成多孔巢状结构作为富氧电极，极大地促进了氧气传输和酶固定，提升了传感器对葡萄糖和乳酸的检测性能。 * 泪液传感示例： 文章介绍了一种基于Ti₃C₂Tₓ MXenes和纳米金颗粒（AuNPs）构建的柔性表面增强拉曼散射（SERS）基底，用于泪液中葡萄糖的非侵入检测。其机制是：葡萄糖氧化酶（GOx）将葡萄糖转化为H₂O₂，AuNPs利用其类过氧化物酶活性催化H₂O₂将底物（亮绿）转化为孔雀石绿（MG），从而产生SERS信号。MXenes不仅作为负载AuNPs的平台，其出色的荧光猝灭能力和高比表面积还显著增强了SERS信号并降低了背景干扰。 * 酶基葡萄糖生物传感器： 这类传感器利用葡萄糖氧化酶（GOx）的特异性催化，是当前市场的主流。MXenes的引入主要解决了酶与电极之间电子传递效率低的问题。 * 提升电子传递： 多项研究证实，将MXenes（如Ti₃C₂）与氧化锌（ZnO）、纳米金（Au）等材料复合，可以显著提升电极的导电性和比表面积。这为GOx提供了更多的固定位点，缩短了酶活性中心与电极表面的距离，从而促进了直接电子转移（DET）或异相电子转移（HET），最终提高了传感器的灵敏度、选择性和稳定性。例如，Au/MXenes复合材料能克服GOx蛋白壳的绝缘效应，为酶提供适宜的微环境；而分层后的MXenes因其更大的比表面积和更小的片层尺寸，进一步增强了电子传输效率。 * 构建级联反应体系： 针对GOx催化过程中产生的有毒副产物H₂O₂会抑制酶活性的问题，有研究利用Ti₃C₂ MXenes自身具有的催化分解H₂O₂的能力，构建了“Ti₃C₂-PLL-GOx”二维级联纳米反应器。在此设计中，MXenes不仅固定GOx，还能及时分解产生的H₂O₂，生成的氧气可被GOx循环利用，从而加速葡萄糖氧化反应，提高反应速率和检测灵敏度。 * 非酶葡萄糖生物传感器： 这类传感器不依赖生物酶，通过具有电催化活性的材料（如金属、金属氧化物/氢氧化物）直接氧化葡萄糖，从而避免了酶固有的脆弱性（对温度、pH、湿度敏感）和复杂的固定化过程，具有更好的稳定性和更简单的操作流程。 * MXenes复合催化材料： 文章以MXenes/NiCo-LDH（镍钴层状双氢氧化物）三维多孔复合材料为例进行说明。通过水热法在MXenes纳米平台上生长NiCo-LDH，形成的3D多孔结构有利于电解质扩散和与活性物质的充分接触。MXenes优异的导电性和亲水性进一步提升了复合材料的整体催化活性。在碱性环境中，Ni/Co(III)被还原为Ni/Co(II)，同时葡萄糖发生去质子化并被氧化。这种非酶传感器表现出宽的线性范围、低的检测限和快的响应速度，并且具有良好的抗干扰能力、重现性和稳定性，在真实血样分析中展现出实用潜力。

第三，结论与展望。 文章总结指出，具有独特性质的MXenes及其复合材料在生物传感领域已成为研究热点，并在葡萄糖检测中展现出前所未有的潜力。通过合理的材料设计和结构优化，基于MXenes的传感器能够满足高生物相容性、高电子传输效率和大比表面积等平台要求。 然而，文章也明确指出当前研究面临的挑战与未来发展方向： 1. 合成工艺复杂性与成本： 目前大多数MXenes的制备方法仍然相对复杂、成本较高，且涉及HF的工艺存在环境污染和操作风险。开发环境友好、高效、适合大规模生产的合成新路径至关重要。 2. 材料性能优化： 不恰当的超声处理会导致MXenes片层尺寸过小、缺陷增多。需要改进剥离和插层工艺，以获得高质量、少缺陷的MXenes纳米片。 3. 微型化与集成化： 未来传感器的发展趋势是微型化、多功能化。MXenes的独特性能使其有望应用于可植入式微型传感器，实现完全实时、非侵入的体内血糖水平监测。 4. 生物安全性评估： 作为新兴纳米材料，MXenes用于便携式、可植入生物传感器时，将直接与人体组织接触。尽管其应用前景广阔，但其细胞毒性、生物降解性和长期生物相容性对于体内临床转化至关重要，需要进一步深入研究，以防止生物污染并确保安全。

文章的价值与意义 本综述的价值在于，它首次对MXenes在葡萄糖生物传感器领域的应用进行了较为具体和详尽的系统性分析。文章不仅全面总结了MXenes的多种合成路线及其优缺点，还深入剖析了基于MXenes的各类葡萄糖传感器（非侵入式、酶基、非酶基）的设计原理、工作机制和性能特点，并通过表格（文中提及的Table S1）和图示清晰对比了不同传感器的关键参数。这为相关领域的研究人员，特别是新进入该方向的研究者，提供了一个清晰的技术路线图和研究现状概览。文章在最后部分提出的挑战与展望，也具有重要的指导意义，指明了未来研究需要攻克的关键问题和发展趋势，有助于推动MXenes基葡萄糖传感技术从实验室走向实际应用和商业化。