综述：MXenes：用于环境生物化学传感平台的新兴材料

《Electron》：MXenes: Emerging Materials for Environmental Biochemical Sensing Platforms

本文综述了MXene作为新型传感材料在生化检测中的应用。通过分析其合成策略、物理化学性质及传感机制，发现MXene具有高灵敏度、选择性和优异的导电性，适用于气体、离子及生物分子检测。研究总结了MXene在环境监测、医疗诊断等领域的应用进展，并探讨了规模化生产、稳定性提升及多功能集成等挑战，展望了其未来发展方向。

　　MXene是一种具有广泛应用前景的二维材料，其独特的物理化学特性使其在多种传感技术中展现出显著的优势。近年来，随着纳米材料研究的不断深入，MXene因其优异的性能成为化学和生物传感领域的重要候选材料之一。本文系统地回顾了MXene基传感技术的发展历程，涵盖了MXene的合成策略、材料特性及其在传感机制中的应用，同时分析了当前面临的挑战和未来的发展方向。

MXene的合成方法多种多样，主要分为直接氟化氢（HF）蚀刻、原位HF蚀刻、熔盐蚀刻、水热蚀刻和电化学蚀刻等。其中，直接HF蚀刻是最常用的合成方法，通过选择性地去除MAX相中的A元素，得到具有多层结构的MXene。然而，HF具有强腐蚀性和毒性，因此研究者也在探索更安全的合成路径，如使用氟化物盐和酸的混合物、熔盐蚀刻等。这些方法不仅减少了HF的使用，还能够实现对MXene表面终止基团的调控，从而进一步优化其性能。近年来，一些绿色合成方法，如一步直接合成和气相选择性蚀刻，也逐渐受到关注，这些方法不仅提升了合成的安全性，还实现了对MXene的高效制备。

MXene的物理化学性质是其在传感领域表现出色的重要原因。首先，MXene具有较高的电导率，通常达到10? S/cm级别，这使其在电化学传感器中具有优异的信号响应能力。其次，MXene的二维结构赋予其巨大的表面积，这有助于与目标分析物进行高效的相互作用。此外，MXene的表面终止基团可以被调控，从而实现对不同分析物的高选择性响应。例如，-F、-O、-OH等终止基团能够显著影响MXene的电子结构和导电性能，进而影响其在传感中的表现。通过调整表面化学和层间空间，MXene的性能可以进一步优化，使其在特定应用中表现出色。

MXene在传感机制上的应用非常广泛，主要分为电化学传感器、化学电阻传感器、电容传感器、光谱传感器等。其中，电化学传感器因其对电位、电导率和电流变化的敏感性而受到关注，能够实现对重金属离子、有机化合物和生物分子的高灵敏度检测。化学电阻传感器则通过检测通道材料的电阻变化来实现对目标物质的识别，这在气体检测和生物传感中表现尤为突出。此外，MXene还能够用于光学传感，例如表面等离子体共振（SPR）和拉曼散射（Raman scattering）技术，这些技术利用MXene的高导电性和可调表面化学，实现了对特定分子的高灵敏度和选择性检测。

在生物传感领域，MXene因其良好的生物相容性和可调表面化学，成为开发新型生物传感器的理想材料。MXene可以通过非共价和共价修饰与生物受体（如DNA、RNA、抗体等）结合，从而实现对特定生物分子的检测。例如，Ti?C?Tx MXene与DNA探针结合，可以用于SARS-CoV-2病毒的检测。此外，MXene的表面修饰还可以提高其在复杂环境中的选择性和稳定性，使其能够检测低浓度的生物分子，如抗体和蛋白质。

在环境监测方面，MXene基传感器能够检测多种污染物，包括气体、重金属离子、有机化合物和生物分子。MXene的高导电性和大表面积使其能够有效吸附和检测这些污染物。例如，MXene基传感器能够检测饮用水中的硝酸盐、溴酸盐和重金属离子，其灵敏度和选择性均优于传统传感器。此外，MXene还可以用于检测农药、药物残留和有害气体，如二氧化氮（NO?）和氢气（H?）。

尽管MXene在传感领域展现出巨大的潜力，但其实际应用仍面临一些挑战。首先，MXene在高温、高湿等恶劣环境中容易发生氧化降解，这会影响其长期稳定性。其次，MXene的合成过程通常涉及高浓度的HF，这不仅存在安全隐患，还限制了其大规模生产。此外，MXene的生物相容性和生态影响也需要进一步研究，以确保其在医疗和环境监测中的安全性和可靠性。未来，通过开发更绿色、高效的合成方法，以及对MXene进行表面修饰和结构优化，有望克服这些挑战，推动其在传感领域的广泛应用。

MXene基传感技术的发展不仅局限于传统应用，还可能拓展到更广泛的领域，如智能可穿戴设备、无线通信、电磁屏蔽等。通过与金属纳米颗粒、聚合物等材料的复合，MXene可以实现更复杂的传感功能。例如，MXene与金纳米颗粒结合可以提高电化学信号的灵敏度，而与聚合物结合则可以改善其生物相容性和稳定性。此外，利用机器学习和人工智能技术优化MXene基传感器的设计和性能，也是未来发展的重点。

总之，MXene作为一种新兴的二维材料，其独特的物理化学性质使其在传感技术中具有显著的优势。通过不断优化合成方法、材料特性和应用策略，MXene有望在多个领域实现突破，推动传感技术的发展。未来的研究需要关注如何提高MXene的稳定性、选择性和可扩展性，同时探索其在新型传感系统中的应用潜力。这些努力将有助于MXene从实验室研究走向实际应用，成为下一代智能传感技术的重要组成部分。