综述：面向未来传感技术的新型MXene-二维材料异质结研究进展

《Nano Trends》：Emerging MXene-2D Material Heterostructures for Future Sensor Technologies: A Review

　　

MXenes已成为下一代传感技术中极具潜力的多功能纳米材料，具备金属级导电性、大比表面积、可调表面端基、良好机械柔性与生物相容性等优势，可实现多种分析物的高灵敏、高选择性与实时检测。本综述系统梳理了近年来MXene基传感平台的研究进展，涵盖物理、化学及光学传感策略，重点阐述了其在实现超灵敏检测限、多重传感与非侵入式分析方面的成果。除材料层面的突破外，本文深入探讨了制约该类体系实际应用的挑战，并评估了表面钝化、缺陷工程、复合材料设计及绿色合成路线等应对策略。此外，研究人员指出将人工智能(AI)与机器学习(ML)融入MXene基传感器可变革智能信号处理模式，进而推动MXene基传感器向可穿戴、即时检测(POC)及自主传感平台的转化，最终通过MXene与多元传感平台的融合构建下一代传感系统。

1. 1.
   引言
   MXene自2011年被发现以来，已成为现代科技的关键材料，属于二维(2D)材料家族，兼具金属导电性、亲水性、生物相容性、机械柔性与层状结构。其通常通过选择性刻蚀MAX相（通式为M_n+1AX_n，M为早期过渡金属，A为IIIA或IVA族元素，X为碳和/或氮）中的A位元素（通常为铝或硅）制备。MXene已被广泛应用于电化学储能与生物医学传感领域，其优异的电导率、丰富的表面官能团（-OH、-O、-F等）与高比表面积使其成为理想候选材料。MXene可与石墨烯、过渡金属二硫属化物(TMDs)、六方氮化硼等其他二维材料堆叠或集成形成异质结，通过协同效应突破单一材料的性能限制。近14年来，MXene在合成方法与实际应用中均取得显著进展，从早期的概念验证（2011-2015年）发展到材料工程与应用拓展阶段（2016-2021年），当前（2022-2025年）研究聚焦于AI集成、多功能化与商业化部署，已广泛应用于医疗健康、环境监测与智能电子领域。MXene的表面端基可实现目标分析物（气体、生物分子等）的选择性吸附与结合，并通过表面修饰提升选择性、稳定性与生物相容性，尤其适用于可穿戴传感器。MXene与MoS₂、石墨烯等形成的异质结可优化界面电荷转移与能带排列，提升传感器的化学稳定性与选择性。
2. 2.
   MXene与二维异质结基础
   2.1 组成、结构与表面化学
   MXene的组成具有高度可调性，其通式为M_n+1X_nT_x，其中M为Sc、Ti、V、Mo、Nb、Cr、Zr、Hf、Ta、W或Y等早期过渡金属，X为碳或氮，T_x为合成过程中引入的表面端基（-O、-OH、-F、-Cl、-Se、-Br、-Te、-I等），n通常为1-4。MAX前驱体为层状六方结构（空间群P6₃/mmc），刻蚀去除A层后，MXene保留母相的六方密堆积结构。根据过渡金属元素的不同，MXene可分为四类结构：单金属MXene、面内有序双金属MXene(i-MXenes)、面外有序双金属MXene(o-MXenes)及空位有序MXene。固溶体MXene（如V_1.2Nb_0.8CT_x、Ti_1.1V_1.1Cr_0.4Nb_1.4C₃T_x）通过M位点随机分布实现性能连续调控，高熵MXene则通过近等原子比多主元设计获得稳定单相，显著提升物理化学性质。X位点固溶体（碳氮化物MXene，如Ti₃CNT_x）虽研究较少，但在储能应用中已展现出优于碳化物的性能。传统HF刻蚀法存在安全隐患，无氟或低氟路线（如LiF/HCl法、熔盐法、电化学刻蚀法、水热/溶剂热法）成为绿色合成的重要方向，可减少残留氟对分析物结合的干扰，提升传感器在潮湿或生物环境中的长期稳定性。表面端基调控可直接影响MXene的吸附能、电荷转移与能带排列，例如-O/-OH端基利于化学吸附（提升H₂S/NH₃灵敏度），而高-F含量可能削弱相互作用。

2.2 超越石墨烯：传感器设计中的其他二维材料

典型传感器由敏感元件、转换元件与信号处理单元构成。MXene凭借其优异的电荷传输特性、丰富的表面端基与高比表面积，可作为活性敏感材料与导电层，适用于电阻式、电容式与电化学（生物）传感机制。MXene可加工为柔性薄膜或涂层，集成于可穿戴基底，用于应变、压力、温度、湿度与生物信号检测，也可与聚合物、其他二维材料或纳米颗粒复合，形成多功能异质结以提升选择性、稳定性与多模态传感能力。除MXene外，石墨烯及其衍生物、TMDs、黑磷、层状金属氧化物、金属有机框架(MOFs)与导电聚合物等材料也被广泛用于传感器设计，通过与MXene互补实现高性能传感平台。例如，V₂CT_x基免疫传感器可通过电化学阻抗谱实现SARS-CoV-2刺突蛋白的高灵敏检测；MXene/黑磷/石墨烯复合太赫兹生物传感器可实现妊娠检测，灵敏度达1000 GHz RIU^-1。

2.3 二维异质结形成原理

本征MXene存在窄带隙、化学稳定性低与表面端基不足等局限，需通过异质结设计提升性能。MXene表面端基（-O、-OH、-F等）通过调控吸附能、电荷转移、润湿性与界面能带排列，决定其在各类传感模式中的灵敏度与选择性：在气体传感器中，-O/-OH端基增强化学吸附与响应，-F端基可能抑制响应但降低交叉敏感性；在电化学传感器中，-O/-OH端基提升亲水性与生物分子固定效率，过量-F端基则需通过后处理或聚合物涂层改善；在物理传感器中，端基调控层间距与界面粘附力，影响压阻灵敏度与湿度漂移；在光学与等离子体平台中，端基调制MXene的电子结构与等离子体响应，影响表面增强拉曼散射(SERS)、表面等离子体共振(SPR)与电致化学发光(ECL)性能。MXene与宽禁带材料（如MoS₂、In₂O₃）形成的II型能带排列可增强电荷分离，提升气体选择性；n型Ti₂CO₂（带隙0.49 eV）与p型氧化物形成的异质结可实现生物标志物（如血清素）的超低检测限（0.433 aM）。

1. 3.
   MXene基传感器
   3.1 物理传感器
   3.1.1 压力传感器
   MXene基压力传感器利用MXene薄膜的压阻效应，将外力转换为电阻变化，具备高灵敏度、快响应、柔性与耐久性，可集成于智能眼镜、手环、口罩等可穿戴设备。通过微结构设计（多孔、图案化、分级结构）与复合改性（如MXene/聚氨酯海绵、MXene/棉织物），可同时提升灵敏度与检测范围。例如，碱性改性Ti₃C₂T_x与热塑性聚氨酯(TPU)的层-by-层组装传感器通过氢键增强界面粘附，实现稳定传感；MXene/Ag纳米花复合棉织物传感器灵敏度达1.45 kPa^-1（0-10 kPa）。AI与卷积神经网络的集成可实现手势识别（准确率98.22%），推动MXene压力传感器向智能人机交互发展。当前挑战在于MXene片层的团聚与重堆叠导致的长期稳定性不足，需通过表面功能化、复合工程与封装技术解决。

3.1.2 应变传感器

MXene基应变传感器通过拉伸或压缩引起的电阻变化检测形变，适用于软机器人、人体运动监测与可穿戴设备。微裂纹工程（预拉伸诱导饱和微裂纹）可使MXene薄膜承受过度拉伸、扭曲与冲击；MXene/激光诱导石墨烯(LIG)复合材料通过优化导电网络提升循环稳定性（2500次循环）；MXene/离子液体/聚合物复合材料利用离子快速传输实现动态应变的超快响应。例如，热塑性聚氨酯(TPU)/聚丙烯腈(PAN)/MXene/离子液体复合膜可实时监测手指、手腕、肘部与膝关节的弯曲运动。主要挑战为MXene在高拉伸下的开裂、与聚合物基体的弱界面作用及循环滞后，需通过界面增强与结构设计优化。

3.1.3 温度传感器

MXene基温度传感器利用电阻随温度的负温度系数(NTC)变化工作，兼具高热导率与柔性，适用于消防装备、可穿戴电子与电子皮肤。MXene/聚酰亚胺(PI)泡沫可实现温度-压力双模独立检测，结合多层感知器(MLP)深度学习模型，智能手套可100%准确区分不同重量与温度的物体；木质素磺酸钠稳定的MXene/聚丙烯酸(PAA)水凝胶兼具应变传感与光热自监测功能；MXene/Bi₂Se₃基柔性热电偶传感器可在20-200°C范围内稳定工作，性能优于商用K型热电偶。自供电温度传感器可利用MXene的热电特性，通过呼吸与环境温差实现实时呼吸监测。表面端基（-F易捕获电子，-OH易吸水）是影响热电性能的关键因素，需通过端基调控与层间工程优化。

3.1.4 湿度传感器

MXene基湿度传感器通过水分子吸附引起的离子传导或载流子浓度变化实现检测，广泛应用于农业、医疗与食品工业。离子插层（K⁺、Mg²⁺、Na⁺）可促进水分子扩散，提升湿度响应；MXene与CuO、氧化石墨烯等复合可加速吸脱附动力学，缩短响应恢复时间。例如，Ti₃C₂T_x/WS₂复合材料可实现皮肤水分、呼吸与无接触开关检测；单一MXene层可实现压力-湿度双模无串扰检测，同步监测关节运动、出汗与脉搏。MXene在潮湿环境中易氧化为TiO₂，导致性能退化，可通过添加膨润土竞争吸附氧气、聚多巴胺(PDA)改性等策略提升稳定性。自供电湿电湿度传感器可将湿度梯度转化为机械能，实现呼吸监测与无接触驱动。

3.2 化学传感器

3.2.1 气体传感器

MXene气体传感器主要通过电阻式机制工作，气体吸附引起电荷转移或界面偶极变化，导致电导率改变。Ti₃C₂T_x是最常用的气敏MXene，表现为p型半导体行为，还原性与氧化性气体分别通过电子得失调控电阻。物理吸附（范德华力，可逆）与化学吸附（化学键，强相互作用）是两种主要作用机制。MXene与金属氧化物、导电聚合物复合可提升性能，例如MXene/WS₂纳米杂化材料结合MXene非金属电极，可降低接触电阻并提升室温NO₂检测性能。表面功能化（如corrole涂层）可增强选择性与抗湿性，抑制MXene氧化。异质原子掺杂（Sn、Cd共掺杂Ti₂CO₂）可引入局域电子态，提升气体吸附强度；Hf₃C₂O₂对NH₃具有高选择性，可用于疾病呼气诊断。绿色喷涂工艺（MXene/明胶墨水）可实现多基底图案化，适用于可穿戴与曲面传感。

3.2.2 电化学传感器

MXene凭借高导电性、亲水性、大比表面积与生物相容性，成为电化学传感理想平台，可检测神经递质、重金属离子、药物、活性氧、葡萄糖与生物标志物。例如，MXene/Ag纳米颗粒复合传感器可在5分钟内实现全氟辛烷磺酸(PFOS)的ppq级检测；ZIF-8/炭黑-Ti₃C₂T_x复合材料修饰玻碳电极可同时检测对苯二酚与邻苯二酚，抗干扰性强；Nb₄C₃MXene/Au纳米颗粒修饰丝网印刷碳电极可实现Pb²⁺与Cd²⁺的同时检测；Cr₂C MXene量子点通过荧光猝灭实现Hg²⁺的超灵敏检测。主要挑战为长期稳定性（分散团聚、生物污染、体内降解），需通过抗生物污染改性与植入式系统集成解决。

3.2.3 生物传感器

MXene生物传感器可实现蛋白质、RNA、小分子与病原体等高灵敏特异性检测，适用于疾病诊断与即时检测(POC)。场效应晶体管(FET)架构通过生物探针（核酸、抗体、酶、适配体）的功能化实现选择性识别，例如Ti₃C₂T_x/石墨烯基FET传感器结合水凝胶膜，可实现SARS-CoV-2与大肠杆菌的超灵敏检测；MXene/聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)复合电极通过增强界面电子转移，实现尿液中前列腺特异性抗原(PSA)与β₂微球蛋白的双标志物检测，提升前列腺癌早期诊断准确性。MXene本身具有抗菌活性，结合Ag纳米线可构建兼具传感与治疗功能的多功能平台；MXene/CRISPR-Cas9 FET传感器可实现病原性大肠杆菌Shiga毒素基因的高选择性无标记检测。

3.2.4 比色传感器

MXene具有类过氧化物酶活性，可催化3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)等显色底物的氧化反应，产生肉眼可见的颜色变化，适用于现场快速检测。例如，壳聚糖功能化MXene/ZIF-L(CS-MXZL)纳米复合材料结合机器学习，实现Hg²⁺的比色检测；多孔Ti₃C₂纳米酶结合智能手机平台，可定量检测海洋毒素冈田酸(OA)；MXene@MnCoZDH@Au纳米颗粒复合传感器通过DNA适配体富集与过氧化物酶样活性，实现非小细胞肺癌循环肿瘤细胞的比色检测。MXene比色传感器还可用于食品中抗生素残留、霉菌毒素、抗氧化剂与维生素的检测，兼具高灵敏度与便携性。

3.3 光学传感器

3.3.1 表面等离子体共振(SPR)传感器

SPR是一种无标记实时光学传感技术，MXene的引入可增强等离子体灵敏度与电磁场局域能力。Ti₂C/Au涂层弧形光纤SPR传感器可实现折射率的高灵敏检测；长程表面等离子体共振(LRSPR)结合MXene可将角度灵敏度提升至312° RIU^-1，适用于大分子生物标志物检测；MXene/TiSi₂复合SPR传感器对血红蛋白的灵敏度达300° RIU^-1；BK7棱镜/Au/石墨烯/Al₂O₃/Ti₃C₂T_x多层结构对癌胚抗原的检测性能优于传统SPR传感器。MXene与钙钛矿氧化物复合的SPR传感器可实现血液癌症的早期诊断。

3.3.2 表面增强拉曼散射(SERS)传感器

SERS通过电磁增强与化学增强放大分子拉曼信号，MXene的高导电性与表面端基可协同提升化学增强效果。多孔Nb₂C纳米片堆叠结构可实现亚甲基蓝的高灵敏检测；Ag修饰双金属MXene(AgNSs@V_0.25(Zr_1.75)CT_x)可实现细菌生物标志物环丙沙星的超灵敏检测；V₂CT_x@硫堇@Au纳米颗粒探针可实现SARS-CoV-2刺突蛋白的即时检测；Ti₃C₂T_x/Au复合基底对罗丹明6G的增强因子达10¹⁰。结合机器学习算法，Ag纳米线/MXene羟基复合膜可实现汗液胆固醇的无创检测，准确率达83.5%；MXene@Fe₃O₄@Ag纳米颗粒复合基底兼具SERS检测与光芬顿降解功能，可用于环境污染物治理。

3.3.3 光致发光(PL)传感器

MXene量子点(MQDs)通过荧光猝灭、能量转移与表面态调控实现PL传感。氮掺杂MQDs(N-MQDs)发射570 nm黄光，可通过“开/关/开”响应检测As³⁺离子与2-氨基-6-甲氧基苯并噻唑；Ti₃C₂T_x/石墨烯量子点(GQDs)2D/0D异质结通过肖特基势垒调控，实现对H₂S的高灵敏荧光检测；碳量子点/双链DNA功能化Ti₃C₂T_x适配体传感器可检测苹果中的敌敌畏。化学发光(CL)MXene传感器利用MXene的催化与电子转移特性增强发光信号，普鲁士蓝/ MXene纳米复合材料可实现尿酸的高灵敏检测；Ag/MXene复合材料通过催化H₂O₂生成活性氧，增强 luminol 体系的CL信号，用于谷胱甘肽检测。

3.3.4 电致化学发光(ECL)传感器

ECL通过电化学过程产生激发态物种发光，MXene作为导电支架、共反应加速剂与电子媒介，可提升ECL性能。Ti₃C₂T_x/石墨烯纳米带复合材料可实现L-乳酸的无酶检测；金属有机框架(MOF)@MXene异质结作为共反应加速器，可实现阿尔茨海默病标志物Tau蛋白的高灵敏检测；N掺杂Ti₃C₂量子点/S₂O₈^2-体系可实现癌标志物黏蛋白-1的飞克级检测；双金属TiVC MXene可催化氧还原反应与Ru(bpy)₃²⁺电化学还原，触发湮灭型ECL反应，提升阴极ECL效率。MXene基ECL传感器已成功用于唾液外泌体（儿童哮喘）、SERPINE1、miR-31（肺癌）等生物标志物的检测。

1. 4.
   挑战与新兴研究方向
   MXene基传感器的商业化面临四大核心挑战：化学不稳定性（氧化、水解）、层间重堆叠、湿度诱导溶胀与界面分层。Ti₃C₂T_x在H₂O/O₂作用下易氧化为TiO₂，导致基线漂移与电导率下降，需通过无氟刻蚀、聚合物封装与离子插层（K⁺、Ca²⁺）缓解；范德华力导致的层间重堆叠会减少活性位点，可通过柱撑法与有机插层剂（DMSO、尿素）增大层间距；亲水性端基导致的湿度溶胀可通过多价离子交联与化学缝合抑制；界面分层可通过增强界面粘附力解决。合成方面，需替代HF刻蚀，开发绿色规模化路线，实现厚度、横向尺寸与表面端基的可控调控；器件层面需提升可穿戴传感器的透气性、机械可靠性与多参数解耦能力，解决信号串扰与长期漂移问题。AI与机器学习的集成可实现复杂环境下的多参数识别与自校准，MXene传感器阵列结合脉冲神经网络(SNN)可实现有毒气体的高精度分类（准确率95.83%）。未来需建立标准化稳定性测试协议、毒理学评估与生命周期管理框架，推动MXene传感器从实验室原型向工业产品转化。
2. 5.
   展望
   MXene凭借其独特性能已成为下一代传感技术的核心材料，未来研究需聚焦三大方向：一是稳定性工程，通过表面钝化、封装与异质结设计抑制氧化与结构退化，建立长期可靠性标准；二是绿色规模化合成，开发低氟/无氟刻蚀路线，实现批次间性能一致性与成本可控；三是系统级集成，结合柔性电子、自供电技术与AI算法，构建可穿戴、植入式与自主传感平台，覆盖医疗健康、环境监测与工业安全领域。随着材料设计与器件工程的协同发展，MXene基传感器有望实现从高性能实验室原型到智能化、网络化实用系统的跨越。