综述：用于食品污染物检测的功能化 MXene 基电化学传感器：策略、应用与未来展望

《Food Control》：Functionalized MXene-based Electrochemical Sensors for Food Contaminants Detection: Strategies, Applications, and Future Prospects

　　

摘要
食品安全已成为全球主要的公共卫生问题，原因是食品供应链的广泛污染。因此，对于用于食品污染物检测的快速、可靠且易用的传感平台有着迫切需求。基于 MXene 的电化学传感器因其卓越的物理化学性能和电化学性能而受到越来越多的关注。本综述系统总结了 MXene 的基本特性和蚀刻策略，特别关注功能化方法，包括表面工程、生物工程、结构工程和缺陷工程。全面讨论了基于功能化 MXene 用于食品污染物检测的电化学传感器近期的进展。此外，重点突出了机器学习技术的整合，以提高检测的准确性和可靠性。综述最后讨论了当前的挑战和未来的展望，旨在推进功能化 MXene 基电化学传感器在食品污染物检测中的智能化应用。

引言
食品安全继续面临严峻的全球性挑战。不安全食品事件对公众健康构成严重威胁，并造成巨大的经济负担。近年来，全球范围内食品安全事件频发，伴随而来的是食源性疾病发病率的持续上升。不安全食品与超过 200 种疾病有关，从腹泻到癌症（Kumar, Kumari, Singh, & Mangla, 2024）。每年，腹泻性疾病影响约 2.2 亿儿童，造成约 96,000 人死亡。在全球范围内，每年约有 6 亿人——约占十分之一——因食用受污染食品而患病，导致约 420,000 人死亡和 3300 万伤残调整生命年（DALYs）的损失（Lin, Hong, & Chen, 2013）。这些疾病主要由重金属（Altunoluk, Berkel, & Ozbek, 2025）、抗生素（Selvam, et al., 2025）、农药残留（Jeyaraman, et al., 2024）、真菌毒素（Wang, et al., 2017）和致病微生物（Feng, Zhou, Gao, & He, 2020）等食品污染物引起。因此，快速准确识别食品污染物对于保护人类健康具有重要意义。

然而，由于有害物质的多样性和实际食品基质的复杂性，食品污染物监测仍然面临挑战。食品样品通常含有蛋白质、脂质、色素、碳水化合物、盐和其他干扰成分，这些成分可能导致电极污染，阻碍分析物扩散，并产生非特异性电化学响应。因此，下一代食品安全监测平台不仅需要高灵敏度，还需要优异的选择性、稳定性、防污能力以及适用于快速现场分析的适用性。

传统的检测方法，如微生物培养、高效液相色谱（HPLC）（Selvam, et al., 2025）、气相色谱 - 质谱联用（GC-MS）（Shamsipur, Yazdanfar, & Ghambarian, 2016）和酶联免疫吸附测定（ELISA）（Li, et al., 2017），已被广泛用于识别食品安全危害。然而，这些技术往往存在仪器昂贵、样品制备复杂、分析时间长以及需要专业操作人员等局限性。因此，传统方法难以满足日益增长的快速、便携式和实时食品安全监测需求。由于具有响应快速、灵敏度高、成本低以及与微型化设备兼容等优点，电化学传感已成为一种有前景的替代方案（Altunoluk, et al., 2026）。电化学传感器通过电极与目标分析物之间的界面电子转移反应产生可测量的电信号，使得电极材料成为决定传感性能的关键因素（Altunoluk, ?zbek, & Berkel, 2025）。通过在电极表面引入功能纳米材料，可以显著提高电子转移效率、催化活性和分子识别能力（Li, Zhang, & Li, 2025）。

尽管如此，基于裸电极或单组分纳米材料的传统电化学平台在实际食品污染物检测中仍面临几项挑战。这些局限性包括活性位点不足、电子转移动力学受限、抗基质干扰能力差、对结构相似污染物的选择性有限以及长期稳定性不满意。因此，设计多功能电极材料，使其同时提供高效的电荷传输、丰富的吸附位点、结构稳定性和特异性识别能力，已成为主要的研究焦点。

近年来，MXene 因其优异的物理化学和电化学性能而受到极大关注。MXene 是一类新型二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，具有出色的导电性、大的比表面积、良好的亲水性和机械稳定性。其通式为 Mn+1XnTx，其中 M 代表早期过渡金属，X 是碳和/或氮，Tx 表示表面终止基团，如 -OH、-O 或 -F（VahidMohammadi, Rosen, & Gogotsi, 2021）。这些内在特性使 MXene 成为克服传统电化学传感材料局限性的理想候选者。它们的高导电层状结构促进了快速电子传输，而巨大的表面积提供了丰富的吸附和催化位点。此外，化学可调的表面终止基团能够与多种功能成分相互作用，从而构建具有增强灵敏度、选择性和稳定性的多功能传感界面。自 2011 年首次通过室温氢氟酸蚀刻合成 Ti3C2Tx MXene 以来，已进行了大量研究以探索各种 MXene 制备蚀刻技术。迄今为止，MXene 已成功应用于能源存储、生物医学、光电子和传感等领域。许多研究证明了 MXene 作为电极修饰材料用于电化学检测食品污染物的巨大潜力。例如，Wang 等人合成了一种 Co3O4@Ti3C2 MXene 异质结构作为电化学传感材料，用于果蔬中甲胺磷和久效磷的超灵敏检测（Wang, et al., 2025）。甲胺磷和久效磷的检测限分别为 1.31 × 10-14 M 和 1.26 × 10-14 M，线性检测范围分别为 0.74 pM～74 nM 和 0.448 pM～44.8 nM。然而，纯 MXene 在制备和储存过程中容易氧化和重新堆叠，并且通常对复杂分析物表现出不足的选择性（Chae, et al., 2019）。此外，MXene 的合成通常涉及强酸、锂盐或有机溶剂，这可能会引起环境和安全担忧。MXene 蚀刻策略主要分为含氟方法（如 HF、LiF/HCl）和新型无氟方法（如熔盐、电化学或碱性蚀刻），每种方法赋予所得材料不同的表面化学性质。因此，控制 MXene 表面化学性质和构建功能化 MXene 复合材料对于提高其实际传感性能至关重要。通过金属纳米颗粒、金属有机框架（MOFs）、适配体、石墨烯和碳纳米管等材料对 MXene 进行功能化，可以显著提高基于 MXene 的传感器的灵敏度、选择性和整体性能。例如，Karimi-Maleh 等人将金纳米颗粒（AuNPs）引入 Nb4C3 MXene，这不仅实现了对生物分子的特异性结合，还提供了额外的活性位点，从而大大提高了催化效率 [16]。此外，AuNPs 可以与互补的适配体序列形成 Au-S 键，进一步增强传感器的电化学性能。

因此，MXene 功能化已成为调节表面化学、电子结构、界面相互作用和传感机制的有效策略。在本综述中，MXene 功能化策略分为四大类方法：表面工程、结构工程、生物工程和缺陷工程（图 1）。表面工程通过化学基团、金属纳米颗粒或导电聚合物修饰 MXene 表面，以增强分析物吸附和电子传输。生物工程引入酶、抗体和适配体等生物识别元件，以提高分子特异性。结构工程构建多孔结构或扩大层间距，以缓解重新堆叠并改善物质传输。缺陷工程通过空位或杂原子掺杂调节电子结构，以产生额外的活性位点并增强催化活性。

近几项综述总结了 MXene 合成、基于 MXene 的电化学传感器、生物传感应用或智能食品安全检测策略（Hasan, et al., 2026）。然而，这些综述主要关注通用的 MXene 应用或单个传感领域，而关于 MXene 功能化策略、结构特征与食品污染物检测传感增强机制之间系统关系的讨论仍不足。

因此，本综述全面概述了基于功能化 MXene 用于食品污染物检测的电化学传感器。与之前的综述不同，本工作强调（i）基于机制的 MXene 功能化策略分类；（ii）MXene 修饰与传感增强之间的结构 - 性质 - 性能关系；（iii）整合机器学习辅助传感平台进行智能信号分析和预测；以及（iv）与实际食品基质、稳定性和未来商业化相关的实际挑战。

本综述系统总结了基于功能化 MXene 用于食品污染物检测的电化学传感器近期的进展，特别关注功能化策略和实际应用。介绍了电化学检测的基本原理、MXene 的内在特性和代表性的蚀刻方法，作为理解传感器构建的基础。此外，讨论了将人工智能（AI），特别是机器学习（ML），与基于 MXene 的电化学传感器整合用于高级食品安全监测的机遇和挑战。

章节片段
电化学传感器
电化学传感器通常采用传统三电极配置或集成电极平台（图 2）。在传统三电极系统中，工作电极（WE）提供分析物识别和电化学反应的主要界面，参考电极（RE），通常为 Ag/AgCl 或 SCE，保持稳定的电位，参比电极（CE）完成电流回路。常见的工作电极材料包括玻璃碳、铂和

电化学传感中 MXene 的特殊特性
MXene 具有结合了一系列特别适合电化学传感的物理化学性质。它们丰富的表面终止基团（如 -OH、- 和 -F）提供了高亲水性和有利的界面润湿性，促进了水分散、分析物相互作用以及随后与聚合物、生物分子和其他纳米材料的功能化（Malaki & Varma, 2023; Mariano, et al., 2016; Mashtalir, et al., 2013）。同时，高导电性

MXene 的合成
MXene 的合成主要依赖于从 MAX 相中选择性蚀刻 A 层元素以获得二维 MXene 片层，如图 3 所示。迄今为止，已开发出各种蚀刻策略，包括传统 HF 蚀刻、熔盐蚀刻、原位氟化物盐蚀刻、电化学蚀刻以及新兴的低毒性方法。这些不同方法在反应条件、表面终止基团类型、安全性以及其

MXene 的表面工程
MXene 材料具有丰富的表面官能团和高比表面积，可以通过表面工程有效利用以增强传感性能。设计策略涉及通过引入特定化学基团、金属纳米颗粒或导电聚合物涂层来功能化或修饰 MXene 表面，从而提高目标分子结合亲和力和界面电荷转移效率（Sengupta & Hussain, 2025）。通过

结合机器学习与基于 MXene 的传感器检测食物污染物
近年来，人工智能，特别是机器学习，在推进基于 MXene 的电化学传感器用于食品污染物检测方面显示出变革潜力（Zhao, Yang, Lin, & Wang, 2025a）。机器学习作为人工智能的核心分支，使算法能够从数据中进行预测而无需显式编程。其本质在于应用高级计算方法从大型数据集中提取有意义的模式，这一过程通常被称为“学习”。通过

挑战
尽管用于食品污染物检测的功能化 MXene 基电化学传感器发展迅速，但大多数报道的系统仍处于实验室演示阶段，尚未实现广泛的实际应用。尽管 MXene 具有独特优势，包括高导电性、丰富的表面官能团、可调层状结构和优异的吸附能力，但与材料制备相关的几项内在局限性...

未来展望
功能化 MXene 基电化学传感器的未来发展不应局限于在理想实验室条件下进一步提高分析灵敏度。相反，应更加关注材料标准化、界面稳定性、基质适应性、智能数据处理和可扩展设备制造。基于 MXene 的传感技术从实验室演示成功转化为实际食品安全监测将...

结论
功能化 MXene 基电化学传感器在快速食品污染物检测方面显示出巨大潜力。它们的高导电性、大表面积、丰富的表面终止基团和可调结构，结合催化、识别和信号放大策略，能够灵敏检测多种食品污染物。便携式电极和机器学习的整合进一步扩展了其在现场和智能食品...

CRediT 作者贡献声明
Xu Gong: 写作 – 初稿，验证，方法论，概念化。Jing Yang: 验证，概念化。Taotao Zhe: 写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取

未引用参考文献
Altunoluk et al., 2026; Altunoluk et al., 2025; Karimi-Maleh et al., 2025; Kumar et al., 2024; Zhu et al., 2021.

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

数据可用性
如有请求，数据将可提供。

竞争利益声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

致谢
我们感谢广西大学高层次人才项目（编号：ZX01080030524004）的资金支持。

Xu Gong|Jing Yang|Taotao Zhe
广西大学轻工与食品工程学院，中国广西南宁 530004