作者与发表信息 本综述文章由Ankita Sinha, Dhanjai, Huimin Zhao, Yujin Huang, Xianbo Lu, Jiping Chen和Rajeev Jain共同撰写。作者单位分别来自中国大连理工大学（Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering）、中国科学院大连化学物理研究所（CAS Key Laboratory of Separation Science for Analytical Chemistry）以及印度Jiwaji大学（School of Studies in Chemistry）。本文发表于爱思唯尔（Elsevier）旗下的期刊 *Trends in Analytical Chemistry*，文章接收日期为2018年5月29日，是一篇已接收但尚未最终排版编辑的手稿（Accepted Manuscript）。
综述主题 本文是一篇全面的综述文章，其核心主题是系统介绍并评述一种名为MXene的二维层状材料在传感（Sensing）与生物传感（Biosensing）领域的最新研究进展、应用潜力及未来展望。文章旨在向分析化学及相关领域的研究者阐明MXene作为一种新兴的先进材料，如何因其独特的物理化学性质成为构建新一代高灵敏度、高选择性检测平台的理想选择。
主要观点阐述
第一， MXene材料的本质、结构与合成。 文章开篇即明确MXene是一类新型的二维层状材料，是石墨烯（Graphene）的类似物。其化学本质是早期过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物。MXene并非直接合成，而是通过从其对应的三维前驱体——MAX相中，选择性蚀刻掉“A”层原子而得到。MAX相的通用化学式为M_{n+1}AX_n，其中M代表早期过渡金属（如Ti, V, Cr等），A代表主族元素（主要是13和14族），X是碳（C）或氮（N）原子。通过使用氢氟酸（HF）等蚀刻剂在室温下处理MAX相粉末（例如Ti_3AlC_2），可以移除铝（Al）层，并在层间引入-O、-OH或-F等表面端基（以T_x表示），从而得到具有类石墨烯层状结构的MXene（如Ti_3C_2T_x）。这种合成方法相对简便，且得到的MXene薄片在电子束下表现出比石墨烯更高的稳定性。文章强调了MXene的电子特性（金属性或半导体性）高度依赖于其表面功能化，这为其在传感中的多样化应用奠定了基础。
第二， MXene在电化学传感器中的核心优势与应用。 这是本文论述的重点部分。文章指出，MXene在电化学传感领域展现出巨大潜力，主要归功于其几个关键特性：高金属导电性、亲水性、大的比表面积、良好的生物相容性以及易于功能化。这些特性使其成为固定生物受体（如酶、蛋白质）的理想基质，并能促进生物分子与电极界面之间的直接电子转移（Direct Electron Transfer, DET）。 文章详细列举了多个应用实例来支撑这一观点： 1. 葡萄糖生物传感器：将葡萄糖氧化酶（GOx）固定在金纳米颗粒（Au NP）和MXene（Ti_3C_2T_x）的复合物上，构建了高灵敏度葡萄糖传感器。MXene的高导电性促进了GOx活性中心（FAD）与电极之间的电子传递，而Au NPs进一步降低了过电位，该传感器表现出高灵敏度（4.2 µA mM^{-1} cm^{-2}）和长期稳定性（储存两个月后保持93%活性）。 2. 血红蛋白（Hb）生物传感器：利用MXene固定血红蛋白，成功实现了对H_2O_2和亚硝酸根（NO_2^-）的介体无（Mediator-free）高灵敏检测。MXene为Hb提供了保持其生物活性的微环境，并增大了有效表面积，从而实现了快速的电子转移动力学。 3. 重金属离子传感器：通过碱性（KOH）插层处理的Ti_3C_2 MXene，显著提升了其对Cd^{2+}, Pb^{2+}, Cu^{2+}, Hg^{2+}等重金属离子的电化学检测性能。插层处理增强了材料的亲水性和阳离子交换能力，提高了吸附和还原效率，检测限达到纳摩尔（nM）级别。 4. 农药传感器：将乙酰胆碱酯酶（AChE）固定在MXene上，用于检测有机磷农药马拉硫磷。MXene的生物相容性使酶能长时间保持活性，传感器表现出高灵敏度、良好的重现性和抗干扰能力。 这些实例共同论证了MXene能够有效解决传统生物传感器中生物分子固定困难、电子传递效率低、稳定性差等关键问题，为构建高性能电化学生物传感器提供了新平台。
第三， MXene在固态气体吸附传感器中的应用。 除了液相电化学传感，MXene在气体传感领域也显示出独特优势。文章指出，MXene材料具有低电噪声和可调的半导体特性，适合在室温下检测挥发性有机化合物（VOCs）和有毒气体（如NH_3, NO_2）。其传感机制主要基于气体分子在MXene表面吸附后引起的电阻变化。 文中以氨气（NH_3）传感为例进行了深入说明：理论计算研究表明，单层Ti_2CO_2 MXene对NH_3具有高选择性和高吸附能。施加双轴应变可以进一步调控其吸附性能，实现NH_3的可逆捕获与释放，这为设计可再生的气体传感器提供了思路。实验上，Ti_3C_2T_x薄膜传感器在室温下对NH_3、乙醇、丙酮等气体表现出明显的电阻响应。特别是对于NH_3，其与MXene表面的-O或-OH端基发生反应，导致载流子浓度变化，从而引起电阻显著改变。这些研究表明，MXene在开发便携式、室温工作的气体传感设备，用于环境监测和疾病呼气诊断方面具有广阔前景。
第四， MXene在压阻式可穿戴传感器中的突破。 针对当前可穿戴电子设备对高灵敏度、大应变范围传感器的需求，文章介绍了MXene纳米复合材料在压阻式应变传感器方面的最新进展。通过将MXene（如Ti_3C_2T_x）与单壁碳纳米管（SWCNTs）等材料复合，可以制备出具有超高灵敏度（GF ~772.6）、宽应变检测范围（30%-130%）的柔性传感器。 这种传感器的机理在于，外界压力或应变会改变MXene片层与CNT之间的隧道距离和重叠面积，从而引起电阻的显著变化。文章列举了其应用：将其贴附于人体喉咙，可以清晰区分并记录“carbon”、“sensor”、“mxene”等词语发音时的皮肤拉伸信号；贴附于膝关节，则可以精确监测行走、跑步、跳跃等不同运动模式。这些传感器甚至能够检测眨眼、脸颊鼓胀等微弱生理活动。该部分内容突出了MXene在健康监测、人机交互和柔性电子皮肤等前沿领域的巨大应用潜力。
第五， MXene在光致发光传感器及其他先进传感技术中的探索。 尽管MXene本体在水相中发光较弱，但通过水热法制备的MXene量子点（MQDs）表现出强烈的光致发光特性，并具有良好的生物相容性。文章指出，MQDs已被成功用作多色细胞成像探针和比率型细胞内pH传感器，展示了MXene在生物成像和细胞内环境传感中的应用可能。 此外，文章还简要介绍了MXene在其他先进传感技术中的初步探索： 1. 表面增强拉曼散射（SERS）：Ti_3C_2T_x可作为SERS基底，通过电磁增强和化学增强的协同效应，显著增强吸附分子（如罗丹明6G）的拉曼信号，为生化分子检测提供了新方法。 2. 太赫兹（THz）传感：理论计算表明，层状Ti_3C_2在太赫兹波段具有优异的光吸收特性，其热电优值（ZT）较高，预示着MXene在制造太赫兹波探测器（如测辐射热计、光热电探测器）方面具有潜力。 3. 电化学发光（ECL）传感器：基于MXene的固态ECL传感器已被用于检测人尿液样本中的基因单核苷酸错配，显示出在疾病诊断中的应用价值。 这些探索性研究拓宽了MXene在传感领域的应用边界，表明其作为一种多功能材料平台的可能性。
第六， 结论、未来展望与挑战。 在结论部分，文章总结了MXene因其独特的层状形态和优异的理化性质，在传感与生物传感领域迅速崛起并展现出令人瞩目的性能。然而，目前的研究大多集中于钛基MXene（如Ti_3C_2T_x），其他过渡金属MXene的传感应用尚待开发。 文章提出了未来研究的几个重要方向和面临的挑战： 1. 生物传感平台的扩展：需要开发基于适配体（Aptamer）、抗体-抗原、全细胞等更多类型生物受体的MXene生物传感器，用于检测疾病标志物，实现早期诊断和床旁检测（Point-of-care）。 2. 气体传感器的深化：需致力于开发对H_2S、NO_2等高活性气体以及丙酮等低吸附能气体的高效MXene传感器，并实现可穿戴室温气体传感。 3. 可穿戴传感器的创新：需设计除钛碳化物外的其他MXene基皮肤仿生传感器，追求更高的灵敏度、拉伸性和更小的器件尺寸，以检测脉搏等超弱压力信号。 4. 太赫兹与光学传感器的实用化：开发高灵敏度的MXene太赫兹传感器和优化SERS基底性能是重要挑战。 5. 生物安全性评估：MXene材料（尤其是对癌细胞）的细胞毒性及其可能产生活性氧（ROS）的生物学效应，是其在生物医学领域广泛应用前必须系统研究的关键问题。 6. 材料分散与复合：在极性溶剂中稳定分散MXene，并与其他材料（聚合物、其他二维材料、碳材料）形成功能纳米杂化材料，是构建更先进传感器件的基础。
综述的意义与价值 本综述的价值在于，它首次系统性地梳理和总结了MXene这一新兴材料在分析传感领域的应用全景。文章不仅详细阐述了MXene在电化学、气体、压阻、光学等多种传感模式中的原理、性能和研究实例，还敏锐地指出了当前研究的局限性和未来极具潜力的发展方向。它为材料科学、分析化学、生物医学工程和环境科学等领域的研究者提供了一份关于MXene传感应用的“路线图”，有助于激发新的研究思路，推动MXene从实验室材料向实用化检测器件的发展。文章强调，尽管MXene的研究历史很短，但其展现出的多样化、高性能传感能力，使其有望成为下一代检测器件开发的核心材料之一。