引言 本文档为Lu, Decheng, Zhao, Huijuan, Zhang, Xinying, Chen, Yingying, Feng, Lingyan等作者（所属机构：上海大学材料基因组研究院、上海大学擎为书院、上海器官修复工程技术研究中心）撰写的一篇综述（Review）文章。该文发表于期刊《Biosensors》（ISSN 2079-6374）2022年第12卷第10期（文章ID 820），于2022年9月7日收稿，同年9月28日接受，并于10月2日在线发表。本文系统性地探讨了二维材料MXenes在生物传感领域的最新进展、应用前景及面临的挑战。
主要内容与论点 1. MXenes的基本特性、合成与结构概述 本文首先指出，二维材料因其大比表面积和独特的电子特性成为研究热点。MXenes作为二维材料家族的重要成员，自2011年被首次报道以来，因其独特的表面性质以及优异的机械、光学、电学和生物相容性而备受关注。其通式为M_(n+1)X_nT_x，其中M为过渡金属，X为碳或氮，T_x代表表面官能团（如-OH, -O, -F等）。MXenes通常通过从上至下（Top-down）的方法从其前驱体MAX相中刻蚀掉“A”层元素（如Al）获得，也可通过从下至上（Bottom-up）的化学气相沉积（CVD）、模板法等方法合成。文章详细介绍了氢氟酸（HF）刻蚀、熔融盐法、电化学刻蚀等合成策略的机制与优缺点，并强调了提高MXenes在环境（特别是水介质）中稳定性的重要性。在结构方面，MXenes不仅存在多种二维形貌，还可通过调控其组成元素、表面官能团以及形成固溶体、有序双过渡金属、空位有序等复杂结构来精细调节其物理化学性质，这为其在传感领域的性能优化提供了广阔空间。
2. MXenes在电化学生物传感器中的应用 文章的核心论点之一，是论证MXenes因其高电子电导率、大比表面积和良好生物相容性，是构建高性能电化学生物传感器的理想平台。此部分从三个主要识别单元类别展开论述： * 酶基电化学生物传感器：MXenes可作为增强酶与电极间直接电子转移（DET）的有效媒介。文中列举了多个实例：例如，Xu等人将Ti₃C₂ MXene与辣根过氧化物酶（HRP）直接混合，构建了用于检测H₂O₂的传感器，可分析急性心肌梗死患者血清样本。Ma等人利用壳聚糖-Ti₃C₂复合物固定HRP，实现了食品中痕量H₂O₂的高灵敏度检测。此外，MXenes也已成功用于固定葡萄糖氧化酶、胆固醇氧化酶、乙酰胆碱酯酶、酪氨酸酶等多种酶，通过酶促反应实现对相应底物（葡萄糖、胆固醇、有机磷农药、酚类等）的灵敏、特异性检测。这些研究证明了MXenes或MXenes复合材料能够很好地维持酶的生物活性，并促进高效的电子传递。 * 核酸基电化学生物传感器：MXenes与核酸（DNA/RNA）之间的强相互作用（如静电吸附、氢键）使其成为优秀的核酸探针载体。这部分论述分为两类应用：一是基于沃森-克里克碱基配对原理的杂交检测，例如Duan等人开发了Ti₃C₂/FePc QDs纳米复合材料用于检测miRNA-155，Mohammadniaei等人利用MXenes和金纳米颗粒修饰的电极结合双链特异性核酸酶（DSN）扩增策略，实现了对miRNA-21和miRNA-141的多重检测。二是基于适配体（Aptamer）的特异性识别。适配体是能特异性结合靶标分子（如蛋白质、小分子、细胞）的单链DNA或RNA。例如，Zhou等人合成了聚吡咯（PPy）修饰的Ti₃C₂T_x与磷钼酸（PMo₁₂）的复合材料，用于固定RNA适配体，高灵敏检测骨桥蛋白（OPN）。Wang等人将四面体DNA纳米结构固定在MXenes纳米片上，用于检测胶霉毒素，避免了繁琐的DNA探针修饰过程。Vajhadin等人则将适配体固定在MXenes层上，通过形成“三明治”结构实现了对HER2阳性循环肿瘤细胞的高选择性检测。 * 免疫电化学生物传感器：MXenes可作为抗体固定平台，利用抗原-抗体特异性结合进行检测。例如，Kumar等人报道了第一个基于MXene的免疫电化学传感器，用于检测癌胚抗原（CEA），氨基硅烷功能化的MXenes提供了丰富的生物受体结合位点。Xu等人通过氧化和碱化Ti₃C₂ MXene合成了三维钛酸钠纳米带-聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-金纳米粒子复合材料，构建了无标记电化学免疫传感器，用于灵敏检测前列腺特异性抗原（PSA）。Dong等人利用三金属空心CuPtRh纳米立方体与氨化Ti₃C₂薄片组成的纳米复合材料，构建了用于检测心肌肌钙蛋白I（cTnI）的“三明治”型免疫传感器。这些研究表明，MXenes能有效提高抗体的固定量和活性，从而提升免疫传感器的灵敏度和选择性。
3. MXenes在光学生物传感器中的应用 文章的另一个核心论点是阐述MXenes优异的光学特性（如宽光谱吸收、可调节的荧光性质）使其在光学生物传感中展现出巨大潜力。该部分重点介绍了三种类型： * 光致发光（Photoluminescence, PL）生物传感器：MXenes及其量子点（MQDs）常作为荧光猝灭剂或荧光发射体。由于MXenes在可见光和近红外区有强而宽的吸收，可通过内部滤光效应（IFE）或荧光共振能量转移（FRET）猝灭荧光染料、量子点或金属纳米簇的荧光信号，当靶标分子存在时，通过影响这种相互作用导致荧光恢复或进一步猝灭，从而实现检测。例如，Zhu等人利用Ti₃C₂纳米片猝灭红色碳点（rCDs）的荧光，构建了基于葡萄糖氧化酶催化的葡萄糖荧光传感器。Peng等人利用单链DNA和双链DNA在MXenes上亲和力的差异，构建了用于检测人乳头瘤病毒HPV-18 DNA的荧光传感器。另一方面，MXenes量子点（MQDs）本身具有尺寸可调的光致发光、高水溶性和生物相容性，可直接作为荧光探针。例如，首个基于MQDs的荧光传感器利用其表面羟基与Zn²⁺的配位作用实现选择性荧光猝灭，用于检测Zn²⁺。Guo等人则设计了一种基于MQDs的荧光策略，通过碱性磷酸酶（ALP）催化底物生成对硝基苯酚来猝灭MQDs荧光，从而检测ALP活性。MQDs还可用于细胞成像和细胞内pH值传感。 * 电化学发光（Electrochemiluminescence, ECL）生物传感器：ECL结合了电化学控制和光学检测的优点。MXenes已被证明可作为工作电极材料，改善ECL特性。例如，Fang等人构建了Ru(bpy)₃²⁺功能化的Ti₃C₂T_x MXene ECL传感器，利用三丙胺作为共反应剂，检测人尿液中的单核苷酸错配。Zhuang等人通过Ti₃C₂T_x介导金纳米粒子原位形成并锚定鲁米诺，结合催化发夹组装（CHA）信号放大，构建了用于检测miRNA-155的ECL生物传感器。在COVID-19检测方面，Yao等人利用MXenes/PEI吸附金纳米粒子和Ru(bpy)₃²⁺标记的DNA walker（步行者），实现了对SARS-CoV-2基因的检测；Zhang等人则采用CRISPR-Cas12a策略，在MXenes/PEI复合材料上修饰DNA探针，构建了用于检测SARS-CoV-2 RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp）基因的ECL信号“开/关”型生物传感器。此外，基于适配体或抗体的ECL传感器也用于检测蛋白质（如心肌肌钙蛋白）、外泌体（如CD63）甚至病原菌（如创伤弧菌），展示了MXenes在ECL传感中的广泛应用。 * 光电化学（Photoelectrochemical, PEC）生物传感器：文章虽未在本摘要部分详述PEC，但在原文中提及MXenes在基于光电效应的光学生物传感器中扮演着重要角色。MXenes可作为光敏材料或电子传递介质，增强光电转换效率，用于构建高灵敏度的PEC生物传感器。
4. 其他生物传感应用与未来展望 文章通过示意图（Scheme 1）指出，MXenes的应用远不止于电化学和光学传感，还包括可穿戴生物传感器、表面等离子体共振（SPR）以及表面增强拉曼散射（SERS）等领域。在结论部分，作者总结了MXenes在生物传感中的关键作用，并讨论了当前面临的挑战： * 稳定性问题：MXenes，尤其是Ti₃C₂，在水溶液中易被氧化，导致性能下降。需要通过优化合成条件（如使用温和刻蚀剂）、控制储存环境（惰性气氛、低温）、进行表面改性或封装来提高其长期稳定性。 * 表面官能团控制：不同的表面官能团（-O, -OH, -F等）显著影响MXenes的电学、光学和化学性质。实现表面官能团的精确、可控调控是获得可重复、高性能传感器的关键，也是当前的研究难点。 * 生物相容性与毒性评估：虽然许多MXenes已被证明具有生物相容性，但其长期毒性和体内代谢行为仍需更系统深入的研究，特别是在面向体内诊断或可植入设备应用时。 * 规模化生产与集成：开发可重复、低成本、环保的大规模MXenes合成方法，并将其高效集成到微型化、便携式的即时检测（Point-of-Care Testing, POCT）设备中，是实现其实际临床应用必须跨越的障碍。
论文的意义与价值 本文作为一篇系统性综述，具有重要的学术价值。它全面梳理了自MXenes材料发现以来，在生物传感领域的主要研究成果、技术路线和应用范例，为相关领域的研究人员提供了一份清晰的“知识地图”。文章不仅总结了MXenes在电化学、光学等主流生物传感技术中的成功应用，揭示了其作为多功能传感平台的内在优势（高导电性、可调光学特性、丰富表面化学、良好生物相容性），还前瞻性地指出了该领域面临的核心挑战和未来可能的发展方向（如稳定性提升、表面工程、新型复合结构开发、在可穿戴和体内传感中的应用）。因此，该文有助于读者快速把握MXenes生物传感的研究现状、激发跨学科的研究兴趣，并对推动MXenes从实验室研究走向实际生物医学应用具有积极的指导意义。
研究亮点 1. 全面性与系统性：文章覆盖了MXenes的合成、结构、性质及其在酶、核酸、免疫电化学传感，以及光致发光、电化学发光、光电化学等光学传感中的全方位应用，结构清晰，内容翔实。 2. 前沿性：综述涵盖了截至2022年的最新研究进展，包括MXenes在COVID-19病毒基因检测、循环肿瘤细胞检测、外泌体分析等前沿生物医学诊断领域的应用实例。 3. 指导性强：不仅展示成果，更深入分析了MXenes用于生物传感的作用机制（如促进电子转移、荧光猝灭、信号放大等），并明确指出了当前面临的材料稳定性、表面可控性、生物安全性等关键挑战，为未来研究指明了突破方向。 4. 多图表归纳：文章通过多个表格（如Table 1, 2, 3, 4, 5）系统归纳了基于MXenes的各类生物传感器的复合材料、识别单元、检测靶标、检测限和线性范围等关键性能参数，便于读者快速查阅和比较。 5. 跨学科视角：文章融合了材料科学、化学、生物学和医学工程等多个学科的知识，充分体现了MXenes作为新兴二维材料在交叉学科领域的巨大应用潜力和价值。