综述：MXene量子点：从合成到应用

《Nanoscale》：MXene quantum lands: emerging trends and breakthroughs

这篇综述系统总结了MXene量子点（MQDs）的合成策略、性能调控及其在传感、生物医学、能源存储与转换等领域的应用进展。文章重点阐述了MQDs的量子限域效应、表面功能化（如N、P掺杂）对光致发光量子产率（PLQY）的提升作用（最高可达28%），及其在光电探测器、太阳能电池、超快光子学、生物成像、癌症光热治疗（PTT）和免疫调节等方面的巨大潜力，为低维纳米材料的设计与应用提供了重要参考。

　　

引言

MXene量子点（MQDs）作为MXene家族的新兴零维成员，凭借其独特的量子限域效应、可调的能带结构、丰富的表面化学和优异的生物相容性，近年来在材料科学、能源技术和生物医学等领域展现出巨大的应用潜力。本综述系统梳理了MQDs的最新研究进展，涵盖其合成策略、性能调控及多领域应用。

合成策略

MQDs的合成主要分为自上而下和自下而上两种策略。自上而下法通过物理或化学手段将块体MAX相或多层MXene纳米片剥离成量子点，常见方法包括水热/溶剂热法、超声辅助液相剥离、微波辅助法、微爆炸法和冷冻-解冻法等。例如，通过调控水热温度（120-200°C）可精确控制N掺杂Ti₃C₂MQDs的尺寸（单层、双层或多层）和光学性能。溶剂极性（如DMSO、DMF、乙醇）对MQDs的最终尺寸和光致发光量子产率（PLQY）有显著影响，高极性溶剂通常有利于更小尺寸MQDs的形成。自下而上法则主要通过熔盐法、热解法和喷雾干燥法等从分子前驱体直接构建MQDs，例如通过NaCl模板辅助热解钼源和蔗糖可成功制备嵌入超薄碳纳米片的Mo₂C/C MQDs。

性能调控与特性

MQDs的性能，尤其是光学性质，可通过尺寸控制、元素掺杂和表面功能化进行精细调控。量子限域效应使其具有尺寸依赖的发光特性，减小尺寸会导致最高占据分子轨道（HOMO）-最低未占分子轨（LUMO）能隙加宽，吸收边蓝移。氮（N）掺杂是提高MQDs PLQY的有效策略，例如，通过乙二胺掺杂可将Ti₃C₂MQDs的PLQY提升至18.7%，载流子寿命延长至7.06纳秒。共掺杂（如N、P共掺杂）可进一步将PLQY提升至20.1%。表面功能化（如使用谷胱甘肽GSH、牛血清白蛋白BSA、ε-聚赖氨酸PLL）不仅能提高PLQY（如GSH-Ti₃C₂MQDs的PLQY达21%），还能增强其在不同pH条件下的稳定性。MQDs还表现出良好的生物相容性，体外细胞毒性试验表明，一定浓度范围内的Ta₄C₃T_x和Ti₂N MQDs对间充质干细胞（MSCs）、人脐静脉内皮细胞（HUVECs）等多种细胞类型无显著毒性。体内研究显示，Ti₂N MQDs在小鼠模型中具有良好的生物分布和清除特性，主要富集于肿瘤、肝脏和肾脏，并通过粪便和尿液有效清除，长期毒性可忽略不计。

传感应用

MQDs在光学、电化学和电化学发光传感领域应用广泛。其传感机制主要基于荧光猝灭，如荧光共振能量转移、光诱导电子转移和内滤效应等。MQDs已成功用于检测多种分析物：金属离子如Cu²⁺、Fe³⁺（检测限LOD低至1.25 nM）、Cr(^vi)（LOD 0.26 μM）；生物分子如microRNA（如miRNA-26a，LOD 1.7 fM）、细胞色素c、粘蛋白MUC1（LOD 0.31 fg mL^-1）；有机小分子如抗坏血酸、尿酸、四环素等。比率型荧光传感和电化学发光传感策略进一步提高了检测的灵敏度和准确性。例如，N、P共掺杂Ti₃C₂MQDs可用于NO₂^-的双模式（荧光/比色）检测，Ti₃C₂MQDs与[Ru(dpp)₃]Cl₂染料结合可构建比率型pH传感器，用于细胞内pH精确监测。

能源与光电应用

在能源领域，MQDs作为功能添加剂显著提升了器件性能。在锂氧电池中，Ti₃C₂MQDs/碳纳米片阴极将电压间隙降至0.62 V，循环稳定性达240次。在锌空电池中，LDH/Ti₃C₂MQDs/氮掺杂石墨烯杂化材料表现出高能量密度（700 Wh kg^-1）和低过电位（0.81 V）。在超级电容器中，Ti₃C₂T_xMQDs与还原氧化石墨烯复合制备的柔性纤维电极实现了高体积电容（1560 F cm^-3）和优异循环稳定性（10000次循环后容量保持率97%）。在太阳能电池中，Cl终止的Ti₃C₂MQDs修饰的钙钛矿太阳能电池光电转换效率从19.53%提升至21.31%，并显著抑制了滞后效应。MQDs还可作为饱和吸收体用于超快光纤激光器，产生466飞秒的超短脉冲。在光催化方面，MQDs修饰的g-C₃N₄/BiOI异质结将CO₂光还原产CO速率提升至57.8 μmol g^-1h^-1，Ti₃C₂MQDs/g-C₃C₄复合材料的光催化产氢速率达到5111.8 μmol g^-1h^-1。Nb₂C MQDs/共价有机框架复合材料实现了3560 μmol g^-1h^-1的H₂O₂光合成的创纪录产率。

生物医学应用

MQDs在生物医学领域的应用主要包括生物成像、癌症治疗和免疫调节。其优异的荧光性能、生物相容性和表面可修饰性使其成为理想的生物成像探针，已成功用于细胞质选择性染色和细胞内pH传感。在癌症治疗方面，Ti₂N MQDs在近红外一区/二区窗口表现出强吸收和高光热转换效率（808 nm处达48.62%），能有效用于光声成像引导的光热治疗，实现肿瘤消融。Ti₃C₂MQDs与阿霉素构建的前药系统实现了靶向药物释放和光动力治疗。在免疫调节方面，Ta₄C₃T_xMQDs通过上调程序性死亡配体1（PD-L1）表达、下调CD86表达，调节抗原呈递细胞功能，在大鼠同种异体移植血管病变模型中有效减轻了内皮损伤和免疫细胞浸润，显示出诱导免疫耐受的潜力。此外，MQDs在抗病毒（如抑制SARS-CoV-2复制）和抗菌敷料方面也展现出应用前景。

结论与展望

MXene量子点作为一种前景广阔的纳米材料，在合成方法、性能调控和多学科应用方面取得了显著进展。未来研究应致力于开发绿色、高效、可放量的合成方法，深入探究其构效关系与作用机制，并拓展其在柔性电子、神经界面、环境修复等新兴领域的应用。同时，需系统评估其长期生物安全性和环境影响，推动其从实验室研究向实际应用的转化。