综述：MXene 用于环境与生物医学应用重金属传感的理化洞察

《Materials Today Chemistry》：Physicochemical insights into MXene for heavy metal sensing in environmental and biomedical applications

　　

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  MXene 的物理化学性质使其能够实现重金属检测。
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  合成路线决定了表面终结基和传感性能。
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  MXene 复合材料增强了选择性和电化学响应。
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  稳定性和可扩展性方面的挑战限制了实际部署。

引言

快速的工业化和城市化导致环境生物系统中的重金属污染显著增加，主要通过工业活动、采矿作业和发电排放 [1,2]。在各种有毒金属中，铅 (Pb²⁺)、汞 (Hg²⁺)、砷 (As³⁺) 和镉 (Cd²⁺) 因其持久性、生物累积性以及对人类健康的严重不良影响（包括神经毒性、器官损伤和致癌性），即使在痕量浓度下也备受关注 [3,4]。因此，在环境生物基质中快速可靠地检测这些有害金属离子已成为全球研究重点 [5]。传统的分析技术，如 X 射线荧光 (XRF)、电感耦合等离子质谱 (ICP-MS) 和原子吸收光谱 (AAS)，提供了优异的分析准确性；然而，它们需要复杂的仪器、熟练的人员、广泛的样品制备和基于实验室的操作，限制了其在快速现场监测中的适用性 [6]。这些局限性加速了便携式、成本效益高且高灵敏度传感平台的发展，使其能够在不同的应用环境中进行实时重金属检测。

高灵敏度重金属传感器的发展不仅依赖于先进的检测策略，还依赖于能够提供快速信号转换、高选择性和优异分析性能的功能材料 [[7], [8], [9], [10]]。在新兴的二维 (2D) 纳米材料中，MXene 因其出色的物理化学性质而备受关注，包括高电导率、丰富的表面官能团、大的比表面积、固有的亲水性和可调节的表面化学性质 [11]。这些特性共同促进了高效的电子转移、强的金属离子相互作用和多样的表面功能化，使 MXene 成为电化学和光学重金属传感极具前景的换能材料。自 2011 年首次发现以来 [12]，MXene 作为一族具有通式 M_n+1X_nT_x的二维过渡金属碳化物和氮化物被广泛研究，其中 M 代表早期过渡金属，X 表示碳 (C) 和/或氮 (N)，n 的范围为 1 到 4 [13]。T_x 标记指的是蚀刻过程中产生的表面终结基团，主要是 –OH（羟基）、–O（氧原子）和 –F（氟原子）[14,15]。MXene 是通过选择性去除 A 元素从层状 MAX 相 (M_n+1AX_n) 衍生而来的，产生了一种富含化学活性表面的 2D 结构，这在传感过程中特别有利于重金属识别和信号产生 [16]。

最近的研究证明了基于 MXene 的材料在重金属离子 (HMI) 检测方面的巨大潜力，在环境基质（如水和土壤 [17]）和生物流体（包括血液和尿液 [18]）中实现了宽的线性检测范围、低的检测限和高选择性。碳化钛 MXene (Ti₃C₂T_x) 是该家族中研究最广泛的成员，已成功用于方波阳极溶出伏安法，在亚微摩尔至纳摩尔浓度下同时检测 Hg²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺ 和 Cd²⁺ [19]。与碳纳米材料或金属纳米颗粒的杂化通过改善电子转移动力学和增加电化学活性位点的密度进一步增强了传感性能 [20]。类似地，基于 MXene 的适配体传感器和光学传感平台，包括表面等离子体共振和荧光共振能量转移，在复杂样品基质中展示了重金属离子的高度选择性和无标记检测 [21]。此外，将 MXene 与聚合物、金属纳米颗粒和其他二维材料集成进一步改善了电导率、表面功能性和分析特异性，从而扩大了它们在重金属传感中的适用性 [22]。

尽管取得了这些显著进展，目前的研究仍主要集中在个别传感策略或特定应用上，关于 MXene 物理化学性质、合成路线和表面功能化在决定重金属传感性能方面的相互作用讨论相对有限。因此，本综述通过关联其物理化学特性、合成策略、传感机制和分析性能，为用于环境和生物医学应用的基于 MXene 的重金属传感器提供了全面且批判性的概述。此外，还讨论了将基于 MXene 的传感技术转化为实际应用的当前挑战、未来展望和机遇。图 1 展示了 MXene 结构及其在重金属检测中的环境和生物医学应用。

章节摘要

晶体结构和层状架构

MXene 于 2011 年由德雷塞尔大学 Gogotsi 教授的研究团队首次合成 [23]。它衍生自层状 MAX 相 (M_n+1AX_n)，通过选择性去除 A 元素，产生 2D 过渡金属碳化物或氮化物结构。在 MAX 相中，M 代表早期过渡金属，A 通常是第 13 或 14 族元素，X 表示碳 (C) 和/或氮 (N) [24,25]。在蚀刻过程中，A 层的去除暴露了化学活性

MAX 相的选择性蚀刻

一般来说，在 MAX 相中，金属 (M) 和 C/N (X) 原子之间的共价键非常强，而 M 和 A 之间的键相对较弱。因此，M-A 键在蚀刻过程中容易断裂，从而去除 M 和 A 原子之间的较弱键。因此，为了进一步理解金属键合行为，进行了 Magnuson 和 Mattesini (2017) [84] 的键能研究。该研究表明，M-X (Ti-C) 键能显著高于 M-Al (Ti-Al)。因此，M-X

废水处理与监测

铅 (Pb²⁺)、汞 (Hg²⁺)、砷 (As³⁺) 和镉 (Cd²⁺) 等重金属是废水中的持久性污染物，由于其毒性、不可生物降解性以及生物累积倾向，对环境和人类健康构成严重风险 [140,141]。传统吸附是最广泛采用的重金属去除技术之一，因为其成本效益高、操作简单且适用范围广 [[142], [143], [144], [145], [146]]。吸附剂如木炭 [147,148]、煤 [149,150

用于生物医学应用的基于 MXene 的传感器

尽管本综述主要关注重金属传感，但也讨论了生物医学传感应用，因为它们利用了 MXene 相同的物理化学基本性质，包括高电导率、丰富的表面官能团和高效的信号转换。为重金属检测开发的表面工程和识别策略也已成功转化为疾病生物标志物和致病微生物的生物传感器，

结论与未来展望

MXene 因其高电导率、大的比表面积、丰富的表面官能团、固有的亲水性以及与混合材料的优异相容性，已成为重金属传感最有前景的 2D 材料之一。在整个综述中，很明显这些物理化学性质决定了金属离子吸附、表面识别、电子转移动力学和信号转换，使基于 MXene 的电化学和光学

CRediT 作者贡献声明

Thurgah Elang Gopalan: 概念化、形式分析、调查、方法论、验证、可视化、写作 – 原始草稿、写作 – 审查与编辑。 Santheraleka Ramanathan: 概念化、数据整理、形式分析、调查、方法论、项目管理、软件、监督、可视化、写作 – 原始草稿、写作 – 审查与编辑。 Chong Yang Chuah: 概念化、数据整理、验证、写作 – 审查与编辑。 Hanee Farzana

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，可能会影响本论文报告的工作。

致谢

本工作由 马来西亚大学 研究卓越计划基金 (UMREG012-2025) 和 马来西亚大学 转化研究计划基金 (UM TRG, 项目编号 UMTRG005-2025) 支持。

Thurgah Elang Gopalan|Santheraleka Ramanathan|Chong Yang Chuah|Hanee Farzana Hizaddin|Poo Balan Ganesan|Bee Chin Ang|Palaniyandi Velusamy