基于MXene的电化学与光学生物传感器用于生物标志物检测：从界面工程到临床转化

《Carbon Trends》：MXene-Based Electrochemical and Optical Biosensors for Biomarker Detection: From Interface Engineering to Clinical Translation

　　

生物标志物（biomarkers）是可测量的生物学指标，能够提供关于体内生理和病理过程的有价值信息，包括蛋白质、核酸、代谢物、激素及其他分子种类，常用于支持疾病诊断、预后判断和治疗监测。由于许多病理变化先于临床症状出现，在极低浓度下检测生物标志物的能力对于疾病早期识别日益重要。大量临床研究表明，早期诊断有助于改善治疗结局、提高疾病管理效率并降低医疗成本，尤其在癌症、心血管疾病、代谢性疾病和感染性疾病中尤为显著。 尽管生物传感器技术取得了显著进展，传统传感平台仍面临重要局限。基于酶的生物传感器常表现出有限的操作稳定性，因为酶活性受温度、pH等环境因素强烈影响。聚合物及复合材料传感系统可能存在信号重现性不足的问题，且常需额外添加氧化还原介体，增加了器件复杂性并可能限制其生物相容性。这些局限促使研究者探索能够兼具高分析性能与长期稳定性的替代传感材料。 二维材料因此成为传感器开发的重要材料平台。其吸引力不仅在于高比表面积，层状或少层结构还能提供可接触的表面和界面特性，特别有利于传感系统中的吸附、表面修饰和信号增强。MXenes作为二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物家族成员，具有层状晶体结构和化学活性表面，其通式Mn+1XnTx反映了过渡金属层（M）、碳和/或氮原子（X）以及选择性刻蚀MAX相前驱体过程中生成的表面末端基团（Tx）的组成。 在生物传感界面，MXenes能够支持生物分子固定化，并在靶标识别后参与电荷转移，因此既充当受体支撑表面，又充当信号转导的活性组分。近期研究表明，基于MXene的传感平台可整合到广泛的电化学和光学生物传感系统中。例如，Ti3C2Tx/石墨烯杂化结构通过增强传感界面的电磁场约束，显著提高了癌胚抗原（carcinoembryonic antigen，CEA）检测的表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）传感器灵敏度。类似地，MXene量子点与金纳米颗粒结合，通过高效的电子转移路径和信号放大实现了前列腺特异性抗原（prostate-specific antigen，PSA）的超灵敏检测。此外，MXene集成的等离子体和超表面器件扩展了生物分子相互作用的实时光学监测能力。 尽管分析性能进展迅速，大多数MXene生物传感器仍停留在实验室规模，长期稳定性、批次间重现性以及在未经处理的临床样本中的操作能力证据有限。本综述在统一分析框架内比较了电化学和光学MXene生物传感器，特别关注MXene组成、表面化学、生物受体固定化及信号放大策略如何影响灵敏度、选择性、稳定性、基质耐受性和实际样本性能。综述涵盖代谢物、蛋白质和核酸传感，并识别了当前限制临床转化的材料和器件层面障碍。

MXene基电化学与光学生物传感器研究解读

一、研究背景与问题

生物标志物是可测量的生物学指标，涵盖蛋白质、核酸、代谢物、激素等分子种类，能够为疾病诊断、预后判断和治疗监测提供关键信息。由于许多病理变化先于临床症状出现，在极低浓度下检测生物标志物对疾病早期识别具有重要意义。然而，传统传感平台面临诸多局限：基于酶的生物传感器因酶活性受温度和pH等环境因素强烈影响而表现出有限的操作稳定性；聚合物及复合材料传感系统存在信号重现性不足的问题，且常需额外添加氧化还原介体，增加了器件复杂性并可能限制生物相容性。这些局限促使研究者探索兼具高分析性能与长期稳定性的替代传感材料。

二维材料因其高比表面积、可接触的表面和界面特性而成为传感器开发的重要平台。MXenes作为二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物家族成员，具有层状晶体结构和化学活性表面，通式M_n+1X_nT_x反映了过渡金属层（M）、碳和/或氮原子（X）以及表面末端基团（T_x）的组成。自2011年首次成功合成Ti₃C₂T_x以来，MXene家族迅速扩展，已有超过四十种组成被实验报道。Ti₃C₂T_x因其导电性、可加工性和生物相容性的有利组合而成为生物传感器开发的参考材料。

二、研究内容与主要结论

本综述在统一分析框架内比较了电化学和光学MXene生物传感器，重点关注MXene组成、表面化学、生物受体固定化及信号放大策略对灵敏度、选择性、稳定性、基质耐受性和实际样本性能的影响。综述覆盖代谢物、蛋白质和核酸传感，并识别了当前限制临床转化的材料和器件层面障碍。

根据Scopus检索数据，MXene基生物传感器相关出版物从2017年的仅2篇增长至2025年的313篇，其中电化学生物传感从1篇增长至169篇，光学生物传感从1篇增长至129篇，反映了该领域研究的快速扩展。

三、关键技术方法

研究人员采用了多种关键技术方法开展研究：通过选择性化学刻蚀MAX相前驱体制备MXene纳米片，获得带有-O、-OH、-F等末端基团的二维材料；利用表面修饰和功能化策略构建MXene-生物分子界面，包括非共价吸附和共价固定化方法；构建MXene与石墨烯、碳纳米管、金属氧化物、导电聚合物、金属有机框架等材料的杂化结构以增强传感性能；采用电化学检测技术（如安培法、阻抗法）和光学检测技术（如表面等离子体共振、荧光）进行信号转导；通过存储条件控制（氩气低温保存）和抗氧化策略抑制MXene氧化降解。

四、研究结果

2.1 MXene组成对生物传感应用的比较评估

研究人员对Ti₃C₂T_x、Nb₂CT_x/Nb₄C₃T_x、V₂CT_x、Mo₂CT_x、Ti₂CT_x等MXene组成进行了系统比较。Ti₃C₂T_x具有最高的电导率（自立膜可达约15,100 S cm?1），但氧化抗性较低；Nb基组成在强酸性条件下保持功能，具有最高稳定性；V₂CT_x在细胞培养基中数小时内发生快速原位氧化，稳定性最低；Mo₂CT_x表现出半导体样输运行为。研究表明，体相电导率对分析性能的预测能力相对较弱，因为分析信号源于生物界面而非传感层体相，氧化抗性对临床转化的实际要求区分度更大。研究还发现，通过氩气低温存储可将氧化时间常数从数天延长至数月，表明稳定性问题在很大程度上是处理和存储问题。

2.2 MXene-生物分子生物界面

研究人员分析了MXene表面末端基团、缺陷和层间距对生物界面形成的影响。-O和-OH基团赋予表面强亲水性和负电荷，-F基团相对疏水并降低氢键位点密度，-Cl基团产生不同的表面极性和电化学窗口。功函数随表面组成在3.9-4.8 eV范围内变化，表面末端基团同时决定生物分子结合和界面电子转移的能级排列。蛋白质和核酸亲和力受氢键、疏水相互作用和配位作用控制，免疫球蛋白和凝血蛋白在血浆暴露中富集于蛋白冠，而白蛋白相对消耗。非共价相互作用通过静电作用、氢键、配位和金属亲和模式介导生物分子吸附，但取向不受控制，导致识别效率降低和电极间变异。共价固定化方法包括碳二亚胺偶联、硅烷化和点击化学，金-硫醇化学在Au/MXene杂化架构中提供取向明确的生物偶联化学。PEG化、两性离子和聚合物钝化层以及仿生策略用于抑制非特异性结合。

五、讨论与结论

综述指出，尽管MXene基生物传感器在分析性能方面取得快速进展，但大多数平台仍停留在实验室规模，长期稳定性、批次间重现性和未经处理临床样本中的操作能力证据有限。Ti₃C₂T_x在文献中的主导地位既反映其更早的发现和更成熟的合成方案，也可能反映惯例而非机制必要性。MXene的氧化降解表现为分析信号漂移而非突然失效，存储条件和分散液年龄是影响重现性的重要因素。报告MXene分散液年龄和存储条件将是以低成本提高已发表传感数据可比性的改进措施。MXene表面化学、生物受体固定化和信号放大策略共同决定传感性能，杂化架构通常优于原始MXene，决定性变量通常是识别层的组织方式而非支撑导电相。临床转化面临的主要障碍包括氧化稳定性、批次间重现性、复杂基质中的抗污染能力以及大规模生产的可扩展性。