鑽石舞台

1. 介紹了用於檢測癌症生物標誌物的基於MXene的電化學適配體傳感器。

2.介紹了生物標誌物特異性適配體的設計和合成策略。

3. 討論了MXenes的導電性、化學穩定性、機械性能和親疏水性等特性。

4. 重點討論了未來的傳感應用及其挑戰。

癌症的早期診斷有望及早發現疾病，降低死亡率，挽救患者的生命。最近，基於二維材料的傳感器在癌症早期診斷中表現出的優異潛能引起了研究人員的關注。其中，MXene基的二維材料表現出高的表面積、活躍的表面官能團和優良的導電性等優點。基於MXene合成的電化學適配體傳感器對癌症標誌物的檢測下限能達到飛摩爾級別，並且合成方便、易於重複、穩定性好，具有廣闊的應用前景。印度CSIR-AMPRI的Raju Khan課題組綜述了基於MXene的電化學適配體傳感器的設計和合成，包括各種合成過程以及其特性(光、熱、磁、電以及機械性能)，列舉了一些已應用於檢測癌症標誌物的MXene電化學適配體傳感器。最後，作者討論了未來的傳感應用及其挑戰。

癌症相關的生物標誌物是臨床上衡量癌症進展程度的重要指標。由於腫瘤的異質性，不同癌症的生物標誌物不同。同一類癌症的不同腫瘤分型的生物標誌物也會發生變化。傳統的檢測生物標誌物的方式有聚合酶鏈式反應(PCR)、免疫組織化學、流式細胞術等。這些方法靈敏度較低，並且需要精密儀器運作，使用起來多有不便。使用生物傳感器進行早期診斷能達到快速檢測的目的，並且靈敏度較高。傳統的抗體、酶、核酸作為生物識別元件(BRE)在不同環境下的穩定性存在差異。適配體作為新的BRE，是個不錯的選擇。適配體是與目標分子特異性結合的單鏈DNA、RNA序列。適配體具有優異的化學和熱穩定性，並且易於大批量合成。生物標誌物通過SELEX系統選出與之親和力高的適配體序列(圖1a)，適配體和抗體作為BRE的比較見圖1b。

II MXene的合成和性質

二維材料MXene屬於二維過渡金屬碳化物和碳氮化物。MXene是通過在適當的溶劑或溶液中進行選擇性蝕刻的工藝生產。蝕刻通常在酸性溶液中進行，導致表面官能團的終止，使其可以進一步使用。MXene具備優異的親水性、電化學、機械和光學特性等。MXene表現出高的表面積、表面功能性、親水性、高穩定性、高導電性和無害性質等，使其成為分析化學應用中很有前途的材料。

2.1 MXene的結構和合成

MXene的通式為Mₙ₊₁Xₙ，而MAX相的通式為Mₙ₊₁AXₙ，其中n = 1、2或3。M是過渡金屬(Ti、V、Nb、Mo、Cr、Ta、Hf)，A是13或14族元素(Si、Ge、Al、Sn等)，X主要是C和/或N。在MAX相中，Mₙ₊₁Xₙ是穩定層，而A層由較弱的鍵組成。從MAX相(Ti₃AlC₂)蝕刻A層產生Ti₃C₂(MXene)。M和A層插入在具有六邊形結構的相之間，X原子占據由M元素產生的八面體位置(圖2a)。從MAX相中去除A元素導致了多層MXene的產生(圖2b)。最近的研究表明MXene的OD、1D、2D和3D維度(圖2c)。2D MXene表現出較大的比表面積，從而確保對目標分析物的檢測具有高靈敏度。MAX相具有高硬度、低密度和高耐腐蝕性，同時還具有高導電性和導熱性以及增強的可加工性。MXene具備的理想特性見圖2d。

圖2.(a) MXene的結構；(b) MXene的合成；(c) MXene基於維度的分類；(d) MXene的特性。

由於低成本、簡單性和可擴展性，從二元元素高溫合成MAX相是最常用的方法。在這種方法中，TiC、Ti和Al粉末在球磨中混合(圖3a和b)，惰性氣體(氬氣)條件下，在管式爐中1400℃退火2小時，加熱和冷卻速率為3 ℃ min⁻¹(圖3c)。粉末在篩選前用鹽酸(HCl)洗滌以去除雜質(金屬和金屬間化合物)(圖3d)。

圖3. 與MAX階段生產相關的步驟 (a) 球磨；(b) 氧化鈍化；(c) 高溫合成；(d) 酸洗去除干擾物。

根據文獻，MXene合成的幾種方法可分為自上而下法、濕化學刻蝕法和自下而上法(圖4a-c)。在合成MXene時，應妥善處理PPE套件、手套、通風櫃以及正確使用酸(圖4d)。

圖4.MXene的合成方法 (a) 自上而下法；(b) 濕化學刻蝕法；(c) 自下而上法，(d) 合成MXene的注意事項。

通過將均勻的聚苯胺層澆鑄到3D多孔Ti₃C₂Tiₓ MXene上來創建超快聚苯胺@MXene陰極。由Li等人提出，具有相同表面負電荷的PS球體和Ti₃C₂Tiₓ MXene薄膜均勻地分散在水中，然後可以真空輔助過濾成柔性PS@Ti₃C₂Tiₓ薄膜(6 m)，Ti₃C₂Tiₓ MXene薄膜包裹在PS球體表面(500 nm)，該薄膜的電導率為600 S cm⁻¹(高於具有類似結構的3D石墨烯薄膜12 S cm⁻¹)(圖5a)。Lipatov等人描述了一種高質量單層Ti₃C₂Tiₓ薄片的新合成方法，使用該法製造了兩種Ti₃C₂Tiₓ薄片(圖5b)。方法一是將Ti₃AlC₂粉末浸泡在LiF-HCl溶液中，LiF與MAX的摩爾比為5:1，有超聲。方法二是將LiF與MAX的摩爾比增加到7.5:1，這為嵌入提供了過量的Li⁺離子。Alhabeb等人利用多種蝕刻劑和分層工藝生產碳化鈦(Ti₃C₂Tiₓ)，這是研究最多的MXene。XRD顯示，對於Ti₃C₂Tiₓ，Ti₃AlC₂的(002)峰從9.5°移動到9.0°，然而蝕刻後的5、10和30F–Ti₃C₂Tiₓ沒有殘留的Ti₃AlC₂峰(圖5c)。列舉的MXene和MXene QDs的表徵見圖5d-j。

2.2 MXene的特性

高楊氏模量、可調帶隙、導熱和導電性是MXene的一些獨特特性。MXene的親水性表面以及高導電性和導熱性使其與大多數二維材料不同。最終，不同過渡金屬M和X元素的特定組成，以及通過化學和熱過程對表面進行不同的功能化，導致其結構和形態變化，可用於調整它們的性質和應用性能。

2.2.1 MXene的機械性能

由於存在最強的M-C和M-N鍵以及比MAX相高兩倍的彈性常數(c11)，MXene的機械性能引起了很多關注。鈦基MXene薄盤表現出親水行為，接觸角為27至41度，而Ti₃C₂Tiₓ的接觸角為35度。隨着MXene碳化物和氮化物層數n的增加，楊氏模量趨於降低。此外，基於氮化物的MXene化合物比碳化物具有更大的價值。末端的存在降低了彈性常數的值，但增加了臨界變形程度。MXene的彈性常數值顯着高於石墨烯。使用AFM尖端的納米壓痕技術檢測2D納米材料的機械性能，Ti₃C₂Tiₓ單層楊氏模量為333 ± 30 GPa。

2.2.2 MXene的光學性能

Ti₃C₂Tiₓ薄膜在300至500 nm的範圍有吸收光，在5 nm厚度下的透射率高達91.2%。此外，根據薄膜厚度，它可能在700-800 nm的範圍內有強吸收，導致薄膜呈淡綠色，有望用於光熱治療(PTT)。值得注意的是，可以通過調整厚度和離子嵌入來提高透射率。官能團的存在會改變這些二維化合物的光學特性。與純MXene相比，MXene中的存在-F、-O和-OH的封端會降低可見光範圍內的吸收和反射率，提高了紫外光範圍內的反射率。最近證明MXene橫向薄片尺寸的減小會導致吸光度值降低。

2.2.3 MXene的熱性能

模擬研究表明，MXene基材料的熱膨脹係數低且導熱性優於磷烯和單層MoS₂。據觀察，氧封端化合物的熱導率隨着金屬M原子序數的增加而增加。使用MLWF生成半無限Mo₂MC₂O₂晶格的邊緣綠色函數，其虛部產生局部狀態密度(LDOS)，由此確定邊緣狀態的能量色散。Mo₂HfC₂O₂之字形邊緣上的LDOS，其中一對拓撲邊緣狀態連接體導帶和價帶，在M點產生單個狄拉克錐(圖6a)。Mo₂TiC₂O₂和Mo₂ZrC₂O₂產生相似的結果。需要進一步探索粒徑與熱導率之間的關係，強調在MXenes合成中進行形態控制和優化。

2.2.4 MXene的磁性能

與MAX相不同，MXene可以被磁化。F官能團使Ti₃CNTiₓ和Ti4C3Tiₓ無磁性，而OH和F基團使Cr₂CTiₓ和Cr₂NTiₓ在環境溫度下具有鐵磁性，而Mn2NTiₓ無論表面何種官能團封端都具有鐵磁性的。如圖6b所示，對於Cr₂CF₂和Cr₂CFCl，MXene和基板之間的距離分別為2.76和2.57 Å，僅顯示出較弱的范德華鍵。SiC(0001)上的Cr₂CF₂和Cr₂CFCl保留了補償的反鐵磁耦合。對稱分布的Cr₂CF₂的DOS意味着沒有自旋極化，而Cr₂CFCl保留了BMSAF特性。Janus Cr₂CXX的MXene保留的BMSAF特性對納米器件的應用具有重要意義。

2.2.5 MXene的電性能

MXene壓制的圓盤比氧化石墨烯和碳納米管具有更高的電導率，並且類似於多層石墨烯。此外，MXene中的層數和官能團的存在可以提高電阻率值。每個刻蝕過程產生的缺陷濃度、分層產率、MXene薄片之間的d間距、表面官能團及其橫向尺寸在確定MXene的電導率方面起着至關重要的作用。Ti₃C₂Tiₓ的測量電導率範圍為850至9880 S cm⁻¹。一般來說，具有較低氫氟酸(HF)濃度和刻蝕周期的MXene具有較少的缺陷和較大的橫向直徑，從而提高了導電性。與小尺寸MXene相比，較高的薄片尺寸增強導電性。用於材料表面改性的熱處理和鹼處理可以提高導電性。圖6c顯示布里淵區特定方向的能帶結構和態密度(DOS)，可以看到確定傳輸參數(例如電導率)的整個費米表面的形式。圖6d所示各種終端的MXene的功函數(為了比較，Sc和Pt的功函數用虛線表示)。Cr₂C MXene的能帶結構(圖6e)。

IV 當前挑戰和展望

自2011年發現MXene以來，MXene被廣泛應用於包括診斷和治療在內的不同領域。迄今，已有多達70種MXenes被開發出來，MXene家族還在不停地壯大。需要不斷改善MXene的光、電、熱、磁以及機械性能，從而獲得可調尺寸、有序結構、堅固的表面端接以及高的產量。通過控制或改變MXene片之間的離子動力學，以獲得所需的電子電導率，有助於製造具有更低電阻和更高電導率的傳感器，以獲得更低的LOD。最近，利用離子凝膠和嵌入聚合物基質中的MXenes來製造高度耐用的電子皮膚。需要探索這些可穿戴傳感器並將其用於醫療監測。從MAX階段合成MXene的傳統過程中會使用含氟化合物。含氟化合物會帶來安全隱患，也會限制MXene的產量。使用鹽酸的無氟方法蝕刻MAX相的MXene容易造成過度蝕刻。因此，迫切需要尋找新的蝕刻方法。此外，MXene的合成過程需要使用有毒化學品和苛刻的實驗條件。因此，需要探索新的實驗路線和條件來合成新型的MXene。MAX相中M僅限於Ti、V、Nb、Mo、Ta、Hf元素，需要探索更多可以用作MAX中M的元素。可以設計新的異質結構，進一步擴展MXenes系列。儘管適配體在早期診斷中具有優異的前景，但是適配體也有許多缺陷，包括多分析物檢測困難、交叉反應性、精密度差。適配體設計的限制因素是文庫設計。它通常取決於寡核苷酸的質量和長度、結構穩定性、特定的結合序列。寡核苷酸的質量取決於核苷酸的比例和適配體文庫的複雜程度。基於MXene和適配體的設備可以作為即時檢驗(POCT)設備進行商業化，與支持物聯網的手機結合，形成即時、高效、個性化的快速檢測平台。

V 結束語

儘管腫瘤學領域取得了各種進展，但癌症仍然對人們的健康造成巨大的傷害。這篇綜述介紹了MXene、基於MXene的材料以及它們與適配體的結合來製造用於癌症診斷的電化學適配體傳感器。文章重點關注當前趨勢、重要障礙和未來發展。文章介紹了用於檢測癌症生物標誌物的MXene電化學適配體傳感器。開發MXene電化學適配體傳感器用於癌症的實時和早期診斷仍有很長的路要走。將MXene電化學適配體傳感器和智能手機結合，優化POCT的檢測系統，有望形成即時、高效、個性化的快速檢測平台。