MXene量子点在神经化学传感中的应用：从量子尺度的识别机制到实用的神经诊断平台

《Inorganic Chemistry Communications》：MXene quantum dots for neurochemical sensing: from quantum-scale recognition mechanisms to translational neurodiagnostic platforms

　　• MXene量子点能够实现神经递质的量子级识别。
• 量子限制和表面化学性质决定了MQD的选择性机制。
• 已经建立了将MQD与神经化学传感联系起来的物理化学原理。
• 对荧光、电化学和双模式MQD传感器进行了深入评估。
• 讨论了面向便携式和转化神经诊断的未来MQD平台。

**引言**
神经递质是体积小但影响巨大的化学信使，它们调节神经传导并控制包括认知、记忆、情绪和运动协调在内的基本生理功能[1][2]。神经递质通路的失调与多种神经系统和神经精神疾病密切相关，例如帕金森病、阿尔茨海默病、抑郁症和精神分裂症[3][4][5]。因此，准确且动态地监测神经递质水平不仅对于理解疾病机制至关重要，也对评估治疗反应和发展个性化诊断策略具有重要意义。然而，传统的分析方法（如高效液相色谱法[HPLC][6][7]、质谱法[8][9]和酶联测定法[10][11]）虽然灵敏度高且可靠，但通常需要复杂的仪器设备、繁琐的样品准备以及集中的实验室设施，这限制了它们在实时和分散式神经化学监测中的应用。

基于纳米材料的传感技术的出现为克服这些限制提供了新的机会，这些技术利用了纳米尺度上的物理化学现象。纳米材料具有独特的优势，包括高表面积与体积比、可调的电子结构、丰富的活性位点以及能够与生物分析物相互作用的分子尺度界面。在这些材料中，MXenes（二维过渡金属碳化物和氮化物）因其高电导率、结构多样性、表面功能化能力和良好的生物相容性而受到广泛关注[12][13][14][15]。将MXene纳米片转化为零维的MXene量子点（MXene QDs，MQDs）引入了量子限制效应，从根本上改变了它们的电子结构，产生了离散的能量状态、增强的光物理性质以及高度可访问的表面活性位点[16][17]。

相关的量子点文献为MQD传感器的设计提供了有用的背景信息。已有关于黑磷量子点混合物在双模式生物传感中的综述，强调了表面反应性、钝化和重复性[93]。此外，基于机器学习的碳点纳米诊疗方法展示了材料描述符和氧化还原响应信号如何指导预测性设计[94]。这些研究涉及不同的材料和应用；它们的价值在于提供了概念性的指导。直接的MQD神经递质研究仍然是建立选择性识别和在神经环境中表现所需的必要步骤。

这些量子级别的转变赋予了MQDs在神经化学传感方面的独特特性。与块状MXenes不同，后者中的电子响应主要由扩展的导电网络主导，而MQDs表现出局域化的电子状态和尺寸依赖的电荷转移行为，这些行为可以通过分子相互作用进行调节。此外，MQDs具有化学异质性的表面，富含O、OH和F等官能团，从而创造了涉及氢键、静电吸引、偶极相互作用和与神经活性分子的π相关相互作用的多功能相互作用景观[20][21]。重要的是，MQDs对神经递质的识别并非基于类似受体的分子特异性，而是由电子兼容性、表面化学性质、水合介导的相互作用和界面电荷转移过程共同作用的结果。

神经化学环境的动态特性为传感器开发带来了额外的挑战。神经递质在几毫秒到几秒钟内被释放和清除，通常处于低浓度、分子拥挤、离子强度波动以及复杂的生物干扰条件下。因此，有效的神经化学传感器不仅要具有高灵敏度，还要具备快速响应、可逆相互作用以及与生理环境的兼容性。由于其纳米尺度尺寸、可访问的表面位点和适应性电子性质，MQDs为在动态生物条件下研究神经递质相互作用提供了独特的平台[22][23][24][25]。

先前的综述提供了关于MQDs合成、物理化学性质和广泛生物医学应用的宝贵见解。关于基于MQD的生物医学纳米系统的全面讨论突出了它们的光学性质、生物相容性、成像能力、治疗潜力以及与毒性、生物分布、生物降解和临床转化相关的剩余挑战[26]。其他综述则关注MQD合成的一般进展、量子相关性质、表面修饰策略和生物医学应用，特别是在癌症治疗、生物成像和多功能纳米医学领域[27][28]。同时，以荧光为导向的综述总结了MQDs的光学特性及其在多种目标（包括金属离子、生物分子、活性氧物种和药物化合物）上的传感应用，重点讨论了光致发光机制和生物成像应用[29]。此外，最近对智能MQD基生物传感器的分析探讨了先进的传感配置，包括表面等离子体共振平台和多功能生物医学检测系统[30]。

关于基于MXenes的传感的综述已经涉及了药物和神经化学物质。Pattan-Siddappa等人调查了MXene和MXene复合材料界面在电化学检测脑神经递质和药物化合物方面的应用[31]。Yang等人综述了基于MXene的电化学（生物）传感器在神经递质检测中的应用，强调了电极修饰和分析性能[32]，而Arjun等人则组织了基于MXene复合材料设计的神经递质传感研究[33]。这些贡献证明了MXenes作为传感材料的价值。本综述的目标更为具体：评估MXene量子点的尺寸、光学响应、表面化学性质和界面相互作用如何影响光学生化和电化学平台上的神经化学识别。我们区分了通过实验验证的神经递质传感方法和从其他分析物推断出的机制，并评估了选择性、在生物基质中的性能以及向多路传感技术的转化证据。

尽管有这些重要贡献，但MQDs在神经递质传感中的具体作用仍不够充分探索和整合。先前的研究主要集中在单一传感演示或广泛的生物医学应用上，而量子限制引起的电子调制、表面化学异质性、氧化还原介导的电荷转移过程与选择性神经递质识别之间的基本关系尚未得到全面建立。此外，神经化学微环境的影响、竞争性分子相互作用、识别动力学以及转化应用的需求也缺乏系统的关注。因此，本综述超越了基于应用的MQD传感器分类，建立了一个将纳米尺度材料设计与神经化学识别、分析性能和转化考虑联系起来的机制框架。通过将量子尺度原理与传感架构和未来诊断视角相结合，这项工作提供了对如何合理设计MQD属性以用于下一代神经化学监测平台的全面理解。

**节选内容**
**控制MQDs神经化学识别的量子-化学基础**
MXene QDs的神经化学传感能力来源于量子级电子调制、化学异质表面结构和动态界面电荷转移过程之间的相互作用。与主要依赖于生物受体或特定结合基序的传统识别系统不同，MXene QDs通过由电子结构、表面化学性质和环境兼容性控制的物理化学相互作用实现分子区分。

**控制MXene QDs选择性神经递质识别的物理化学机制**
下面讨论的证据根据所研究的分析物进行了区分。涉及水介导的表面相互作用、H?O?还原或金属离子淬灭的研究确立了特定MXene QD界面的性质，但并未直接证明其神经递质识别能力。因此，它们与神经化学传感的相关性被视为需要通过神经递质分析物和适当的竞争物种进行验证的机制假设。

**基于MQD的神经化学传感平台：从分子信号转导到转化诊断技术**
基于MQD的传感平台的发展代表了从传统纳米材料辅助检测向化学适应性神经化学监测系统的过渡。通过整合量子限制的电子性质、可调的表面化学性质和氧化还原活性界面，MXene QDs提供了能够将神经递质相互作用转化为光学、电化学和数字信号的多功能平台。

**当前基于MQD的神经递质传感器的主要应用**

**超越传统诊断方法的神经递质监测的临床意义**
神经递质失调是许多神经系统和神经精神疾病（包括帕金森病、阿尔茨海默病、重度抑郁症、精神分裂症和与年龄相关的神经退行性疾病）的核心生化特征。尽管已经认识到神经递质失衡在疾病机制中的重要性，但当前的临床评估主要依赖于症状评估、成像方法等间接手段。

**当前MQD研究的进展**
当前的MQD研究证明了检测多巴胺和去甲肾上腺素的可行性，但尚未确立神经递质识别的通用机制或可临床应用的神经化学平台。要取得进展，需要按优先顺序解决五个瓶颈问题。首先，机制归属尚未完全明确。发射变化或电极电流的变化本身无法区分点尺寸和表面官能团的贡献。

**作者贡献声明**
Asokan Vasudevan：撰写——原始草案，实验研究，概念化。
Suleiman Ibrahim Mohammad：撰写——原始草案，方法学，实验研究。
Abdelrahman H. Hussein：撰写——原始草案，监督，实验研究。
S. Renuka Jyothi：撰写——审阅与编辑，可视化，实验研究。
Roselin D. Jenifer：撰写——原始草案，实验研究。
Nirupma Gupta：撰写——审阅与编辑，实验研究。
Rajesh Prasad Jayaswal：撰写——审阅与编辑，格式化。

**未引用的参考文献**
[18], [18], [19], [19]

**利益冲突声明**
作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

Asokan Vasudevan
Suleiman Ibrahim Mohammad
Abdelrahman H. Hussein
S. Renuka Jyothi
Roselin D. Jenifer
Nirupma Gupta
Rajesh Prasad Jayaswal
Faiz Mahmood
Rimsha Nazeer
Anita Yari