综述：MXene基电化学发光（ECL）生物传感器：分析物检测与诊断应用综述

本综述系统总结了MXene材料在电化学发光（ECL）生物传感器中的前沿应用，重点阐释其超高电导率、可调表面终止基团、大比表面积和优异生物相容性等特性如何显著提升传感器性能（包括灵敏度、选择性和稳定性），并详述了其在癌症标志物、病原基因及环境污染物检测中的突破性进展（如检测限低至aM级别），为下一代诊断工具的开发提供了重要参考。

　　

1 引言

电化学发光（ECL）生物传感器因高灵敏度、低成本、快速检测和操作简便等优势，在临床疾病诊断、环境监测和食品安全分析等领域广泛应用。近年来，二维材料MXene（过渡金属碳化物/氮化物）的引入显著推动了ECL技术的发展。MXene具备超高电导率（约10⁴ S/cm）、可调表面官能团（–OH、–F、=O）、大比表面积和良好生物相容性，使其成为增强ECL信号输出、固定生物分子和实现靶标特异性识别的理想平台。尽管MXene在特定条件下存在氧化降解和细胞毒性问题，但通过表面工程（如聚乙二醇修饰、聚合物包覆）可有效改善其稳定性与生物安全性。

2 MXene基ECL生物传感器

2.1 结构与电化学优势

MXene通过选择性蚀刻MAX相制备，其层状结构提供丰富表面位点，利于抗体、核酸、酶等生物分子高密度固定，从而提升传感器灵敏度。超高电导率促进电子快速转移，强化ECL信号；表面化学可调性使其可通过芳基重氮嫁接、硅烷化等策略实现功能化，拓展检测靶标范围（从生物标志物到环境毒素）。

2.2 典型案例与实际应用

• •
  白血病基因检测：Cheng等利用CeO₂/MXene异质结与双链置换反应（DT-SDR）检测BCR-ABL融合基因，检测限达0.27 fM。
• •
  环境污染物监测：Liu等开发分子印迹聚合物（MIP）-MXene传感器检测池塘泥中双酚AF（BPAF），ECL检测限为0.006 μM。
• •
  抗生素抗性基因识别：Ti₃C₂ MXene-Au纳米颗粒平台检测mecA基因（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌标志），检测限2.7 fM，适用于废水与河水样本。

2.3 材料性能与功能化策略

Ti₃C₂T_x等MXene衍生物电导率高达~10⁴ S/cm，表面功能化（如共价修饰、聚合物刷）可增强分散性与稳定性。生物相容性改造（如PEG化）减少细胞毒性，促进生物医学应用。

2.4 性能对比与其他二维材料

MXene基传感器性能显著优于MoS₂或石墨烯体系。例如：

• •
  Ti₃C₂@FePc量子点检测miRNA-155，检测限4.3 aM；
• •
  MoS₂/碳点检测HER2蛋白，检测限0.018 pM。
  MXene的电子传导性与信号放大策略（如DT-SDR）共同促成其高灵敏度优势。

3 癌症标志物检测应用

3.1.1 ROR1蛋白检测

Mortazavi等利用Ru(bpy)₃²⁺-二氧化硅纳米探针与三维DNA步行机机制，通过Ti₃C₂T_x电极实现0.48 fM检测限，成功应用于血清样本中白血病标志物ROR1的检测。

3.1.2 外泌体CD63检测

Nie等构建信号关闭型ECL传感器，以氮掺杂碳量子点（N-CQDs）为发光体，Ti₃C₂ MXene为共反应加速器，检测乳腺癌外泌体CD63，线性范围10⁴–10⁹ particles/mL。

3.1.3 循环肿瘤DNA双模式检测

Zhou等整合快速扫描循环伏安法（FSCV）与ECL，采用MXene-钌复合物电极实时监测ctDNA，检测限0.08 fM，适用于全血与细胞裂解液。

3.1.4 肺癌标志物CYFRA 21–1检测

Ren等设计MXene@TiO₂–MoS₂异质结构增强鲁米诺ECL，检测限0.046 pg/mL，凸显多组分杂交工程在蛋白标志物检测中的潜力。

4 DNA、RNA与融合基因检测

4.1.1 BCR-ABL融合基因检测

CeO₂/MXene异质结通过DT-SDR实现靶标循环放大，SA-Pt@PDA纳米复合物淬灭ECL信号，检测限0.27 fM。

4.1.2 TiVC MXene增强ECL

Yao等引入钒掺杂TiVC MXene，催化氧还原反应（ORR）与Ru(bpy)₃²⁺还原，通过双路径ECL机制检测亚硫酸盐，检测限0.14 nM。

4.1.3 葡萄糖检测纳米酶平台

Momeni等利用溴酚蓝剥离的Ti₃C₂ MXene作为纳米酶，催化H₂O₂分解产生·OH，增强鲁米诺发光，葡萄糖检测限0.02 μM。

4.1.4 锌卟啉/MXene双模式传感器

Sun等开发ZnTCPP/Ti₃C₂T_x复合物，通过磷酸盐刺激响应实现荧光/ECL比率检测碱性磷酸酶（ALP），检测限0.0083 mU/mL。

5 化学与环境污染物检测

5.1.1 双酚AF检测

Liu等采用MXene增强PEDOT分子印迹膜与Zn-Bi₂S₃量子点，实现ECL/DPV双模式输出，检测限0.006 μM。

5.1.2 抗生素抗性基因监测

纸夹DNA探针与TCM-Au纳米杂交体通过双淬灭机制检测mecA基因，检测限2.7 fM，适用于长江水与废水样本。

5.1.3 食源性病原体检测

Shan等构建MXene@Au NPs适配体传感器，结合DNAzyme信号循环，检测金黄色葡萄球菌，线性范围5–10⁸ CFU/mL。

5.1.4 T-2毒素检测

Zhang等利用Ti₃C₂@AuNRs-Ru探针与竞争性适配体结合，检测限6.44 fg/mL。

5.1.5 黄曲霉毒素B1筛查

Wang等集成RuSiNPs、AuNPs与MXene，通过阳极氧化铝（AAO）膜筛分干扰物，检测限1.5×10^?3 μg/kg。

6 结论与展望

MXene基ECL生物传感器凭借其卓越性能在临床诊断、环境监控等领域展现巨大潜力。未来需攻克氧化稳定性、规模化生产与复杂样本验证等挑战，通过CRISPR-Cas系统、微流体集成及可穿戴设备开发，推动其向商业化与个性化医疗迈进。跨学科合作与绿色合成技术将加速其实际应用，助力公共卫生与可持续发展目标。