二维材料MXenes在传感领域的应用研究进展

任书芳¹，冯润妍²，程寿年²，曾俊菱¹，宫雪¹，王庆涛²

1. 甘肃政法大学司法鉴定中心甘肃省证据科学技术研究与应用重点实验室2. 西北师范大学化学化工学院

摘 要：二维（2D）材料MXenes独特的结构、组成和物理化学特性,使其成为继石墨烯之后2D材料研究领域又一种"明星"材料。MXenes的应用范围从机械、光学、电子、储能等领域扩展到生物医学、环境保护等。这主要是由于其具有大比表面积、高导电性、丰富的表面功能基团、良好的生物相容性,以及可利用各种聚合物或纳米颗粒进行表面功能化,使其有望应用于精准的生物传感、有毒气体和液体污染物传感监测平台。目前,MXenes材料在传感领域的研究主要集中于电流型生物传感、生物/气体电阻传感和压电传感等。在生物电化学传感中,MXenes材料主要用作蛋白质、生物酶、生物发光材料等的固定化基质,以利用其大比表面积、高导电性的特性,提高电子传质效率和速率,从而达到提高传感灵敏度、降低检测限的目的;生物/气体电阻传感是基于MXenes材料对外来吸附分子（生物分子或气体分子）造成的电导率扰动的灵敏性反映,而MXenes材料对外来生物分子或气体分子的吸附是基于其丰富的功能基团（主要为-OH、-F、-O、-Cl等）与这些分子之间的相互作用;压电传感方面的研究主要集中于便携式或可穿戴式压电传感器,MXenes受应力作用,其层间距发生变化,导致其电导率发生变化而产生电信号。可见,在传感器的应用中,人们利用的是MXenes材料的大比表面积和导电性以及表面功能基团。但是,MXenes材料的导电性受表面功能基团的影响,这些基团在一定程度上会降低MXenes的导电性,甚至某些基团使其变为半导体,这不利于传感器高导电性的要求。事实上,功能基团和高电导率是一对矛盾体,研究工作需要在两者之间寻找最佳平衡点。另外,不同的功能基团对不同元素类型的MXenes材料的导电性影响也存在差别。因此,研究者在研究利用进一步的功能化修饰电极（例如修饰贵金属纳米粒子、碳纳米管等）来克服电导率的问题的同时,也在积极寻求更适合传感的不同元素类型的MXenes材料。本文简要概述了MXenes材料的制备、结构、性能研究进展,重点综述了为生物医学、环境保护应用而设计的MXenes传感器的构建及其最新研究进展,包括电流型生物传感、可穿戴式生物传感、MXenes还原电化学传感、生物电阻传感、气体电阻传感、压电/应变传感等。本文还讨论了MXenes材料在传感领域应用面临的困难和挑战。希望本文能在MXenes传感器的开发及应用中为研究者提供有益的指导和帮助。

关键词：MXenes;2D材料;电化学传感;电流型传感;电阻传感;生物相容性;