基于MXene的电化学传感器和生物传感器的研究进展

【研究背景】

二维材料以其独特的物理、化学和电学性质引起了人们的极大兴趣。这些特性使它们适合于能量存储、催化和电子应用。MXenes是Gogotsi教授及其同事于2011年首次制备出的一种新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物。自发现以来，由于其独特的层状形貌、高电导率、高表面积、优异的亲水性、良好的热稳定性和环保特性，引起了科学界和工业界的广泛关注。这些独特的特性使得MXenes在能源存储、催化和电子、环境修复和传感等领域具有广阔的应用前景。MXene具有良好的导电性，由于其表面有(-OH、-O和-F)等官能团具有较高的亲水性，良好的离子插入行为，易于功能化，以及可靠的大规模生产，是构建高性能电化学(生物)传感器的理想材料。

【成果简介】

近期，华中科技大学黄云辉教授在国际知名学术期刊Trendsin Analytical Chemistry上发表一篇题目为：Recent advances in MXene-based electrochemical sensors and biosensors的研究论文，首先，文中提供了MXenes的合成、剥落和修饰/功能化方法，并讨论了它们的优缺点。然后重点介绍了MXene在电化学(生物)传感器结构中的应用，重点介绍了不同种类物质的检测。根据分析结果，综述分为三个部分。解释了根据LOD的相对电化学性能、线性动态范围、灵敏度和稳定性。并与文献报道进行了比较，研究了MXene传感器的优缺点。最后，阐述了MXenes用于电化学传感器中的当前挑战和未来的研究机遇。

【图文导读】

图1.现有MAX相以及MXene合成方法。

图2. 一种使用Nafion/Hb/Ti₃C₂/GCE的无介质H₂O₂生物传感器的性能表征。

图3. 展示了所开发的生物传感器的结构及其在葡萄糖、乳酸盐和pH值检测中的应用。

图4.功能化MXene的表面表征。

图5.MXene-Apt2纳米探针和相应的用于外泌体检测的MXenes-Apt2/外泌体/Apt1/PNIPAM-AuNPs/GCE生物传感器的合成示意图。

图6.基于MXene的微流控芯片的制作原理图及其在Cre、UA、尿素检测中的应用。

图7. MXene/SPE的UA检测原理图以及性能图。

图7. MXene/SPE的UA检测原理图以及性能图。

图9. MnO₂/Mn₃O₄ 和MXene/AuNPs复合材料的合成示意图以及用于甲胺磷检测的AChE-Chit/MXene/AuNPs/MnO₂/Mn₃O₄/GCE生物传感器的合成。

【本文总结】

本文综述了MXenes及其纳米复合材料独特的物理、化学和结构特性及其作为电化学(生物)传感器在临床生物标志物、治疗剂和环境中的应用。本文系统地讨论了电化学在检测限、动态范围、灵敏度等方面的相关性质及其实际应用。值得注意的是，基于MXene的酶传感器的稳定性很好，因为它具有独特的手风琴状结构，可以有效地固定化酶，并为酶保持其生物活性提供了有利的微环境。金属导电率高、表面积大、组分变异性好、亲水性好，适合于电化学传感装置的构建;因此，MXenes作为一种灵敏的电化学传感器，可以检测多种分析物，具有广阔的应用前景。经过仔细的文献回顾，文中发现基于MXenes的电化学(生物)传感器已经被有效地用于检测相当数量的分析物。具体而言，环境污染物MXene传感器的检测限为皮摩尔到飞摩尔范围，远优于光谱、色谱等传统检测方法。然而，有关药物制剂定量的报道有限，需要更多的关注，因为新的治疗药物正在定期开发。当然MXene在传感器方面的应用也存在很多问题需要解决，如合成方法、氧化问题等等。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.115643.