碳化钛在纳米生物传感中的应用研究进展

李 昆，闫博宇2，王 彦

(1. 湖南大学 化学生物传感与计量学国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2.湖南大学 化学化工学院，湖南 长沙 410082)

MXenes是一种具有层状结构的二维过渡金属碳/氮化物，可通过化学刻蚀其前驱体三元金属碳/氮化物(MAX相)中的A元素得到，其中M为过渡金属，A为ⅢA族或ⅣA族元素，X为碳或氮[1]。作为一种新兴的二维材料，MXenes因其类金属的电导率、良好的亲水性和力学稳定性引起研究者的广泛关注[2]。碳化钛(Ti3C2)是最为典型的一种MXenes，除了具有纳米材料比表面积较高的一般优势之外，其具有良好的导电性和亲水性，同时还具有广谱的光猝灭能力和良好的生物相容性，在能量存储材料、光催化和环境修复等领域已得到了广泛的应用[3-6]。

对疾病诊断相关的生物标志物或有危害性的环境物质进行分子水平的检测，是开发生物传感器的重要目标。纳米技术正在对新型生物传感器的开发产生深远的影响，特别是新型纳米材料在生物传感中的应用明显促进了生物传感的研究[7-8]。纳米材料独特的光、电、磁等特性，为开发新型生物传感策略赋予了更多可能[9]。同时，利用高比表面积纳米材料可以获得更高灵敏度和更短响应时间，这对提升纳米生物传感器的性能至关重要。

自2011年被首次报道以来，通过开发MXenes自身的特性，或将之与其他纳米材料结合，一些MXenes已被用于构建多种类型的电化学和光学生物传感平台[10-11]。因此，亟需对Ti3C2这种典型的MXenes在纳米生物传感中的研究进展进行总结。本研究将概述两种主要的Ti3C2MXenes纳米材料(即Ti3C2纳米片和Ti3C2量子点)用于新型纳米传感平台的研究进展，包括材料的制备与功能化，及其在电化学传感、电致发光、光致发光、比色分析和表面增强拉曼光谱等纳米生物传感方面的应用，并提出对本领域未来研究的一些展望。

1 Ti3C2 MXenes的制备与功能化

目前广泛应用于纳米生物传感领域的Ti3C2MXenes材料主要分为两种：Ti3C2MXenes纳米片(Ti3C2nanosheets, Ti3C2NSs)和Ti3C2MXenes量子点(Ti3C2quantum dots, Ti3C2QDs)。其中，Ti3C2NSs是一种二维纳米材料，具有片状结构，单层或多层的片层厚度一般在10 nm以下，而纳米片的尺寸一般在几十至几百纳米不等。这种材料具有广谱光吸收特性和优异的导电性质，常被用作荧光猝灭剂、电子导体、表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)基底或载体等。另外，Ti3C2QDs是一种零维纳米材料，与其他材料的量子点类似，其尺寸大约在2～5 nm，由不同合成、修饰方法制备的量子点，其激发和发射波长可以调节。并且，凭借其较高的量子产率、良好的光稳定性和生物相容性，通常作为荧光探针应用于纳米生物传感中。

1.1 Ti3C2 NSs的制备与功能化

前文已提到，MXenes通过化学刻蚀其前驱体MAX相中的A元素获得。根据刻蚀剂的成分，可以将Ti3C2NSs的合成策略方法分为氢氟酸(HF)刻蚀法和非HF刻蚀法。Gogotsi的研究团队在2011年即利用HF刻蚀Ti3AlC2中的Al原子层，进一步得到Ti3C2NSs[12]。时至今日，HF刻蚀仍是制备Ti3C2NSs的常用方法[13]。随后，该团队使用一系列有机分子(肼、N,N-二甲基甲酰胺和尿素)作为插层剂，有效地将薄片彼此分层进一步得到单层Ti3C2NSs[14]。这种溶剂插层的策略也被其他团队利用，例如，二甲亚砜也被用作制备单层Ti3C2NSs的插层剂[15]。此外，还可通过酸与氟化物(如HCl和LiF/NaF)的反应原位生成HF来获得Ti3C2NSs。例如，利用LiF-HCl系统，可以有效地刻蚀Ti3AlC2以制备得到高质量、低缺陷浓度的Ti3C2NSs[16]。最近，Xuan等[17]使用四甲基氢氧化铵(tetramethylammonium hydroxide，TMAOH)进行插层和分层，获得了具有典型超薄片状结构的Ti3C2NSs，此材料具有优异的广谱吸收特性。此外，为避免使用具有强腐蚀性HF，一些制备Ti3C2NSs的非HF刻蚀法已开发出来。例如，Li等[18]在270 ℃的27.5 M NaOH溶液中成功地从Ti3AlC2中选择性蚀刻Al层，利用碱辅助水热法制备得到单层Ti3C2NSs。综上所述近年来开发出的制备方法，虽然已有方法开发出来以避免使用HF这种强腐蚀性液体，但HF刻蚀法仍然获得了大量的应用；而多种溶剂作为插层剂也为制备不同特色的Ti3C2NSs提供了有效策略。

虽然Ti3C2NSs拥有良好的亲水性，但其在生物介质中易聚集。因此，Ti3C2NSs的表面改性对扩大其在纳米生物传感中的应用具有极其重要的现实意义。Ti3C2NSs的表面具有羟基、氧和氟等功能基团，因此，可利用共价作用和非共价作用来实现对Ti3C2NSs的改性，使其获得更优异的稳定性和分散性。例如，利用芳基叠氮基团或者苯磺酸基等共价偶联在Ti3C2NSs表面[19]；或者，Ti3C2NSs可以通过非共价作用修饰大豆磷脂(soybean phospholipid，SP)[20]。此外，静电吸附聚乙二醇也是Ti3C2NSs改性的通用方法[17]。总体而言，使用共价偶联的方法进行修饰，可以获得更稳定的功能化Ti3C2NSs，但由于要在被修饰分子和纳米材料之间形成共价键，从而限制了偶联物的类型；而通过非共价作用，尽管被修饰分子的结合不如共价作用修饰的牢固，却有可能将更多种类的分子修饰在Ti3C2NSs表面。Ti3C2NSs的功能化为拓宽其在生物传感、诊疗等领域的新应用奠定了实验和理论基础。

1.2 Ti3C2 QDs的制备与功能化

一般来说，Ti3C2NSs常以单层或多层的形式存在，而Ti3C2MXenes也可以以量子点的形式存在，即Ti3C2QDs。这种分散性高、生物相容性好的Ti3C2QDs，由于存在缺陷及量子约束效应，具有优异的光学性质，如很强的荧光发射[21]。受石墨烯量子点、二硫化钼量子点等二维材料量子点的制备方式的启发，可以通过简单的控制水热法的反应温度，得到不同形貌的水溶性Ti3C2QDs[22]。此外，利用TMAOH刻蚀Ti3AlC2预先制备Ti3C2NSs，而后超声震荡处理，也可以获得Ti3C2QDs[23]。综上所述，Ti3C2QDs可在较大尺寸的Ti3C2MXenes纳米材料(如纳米颗粒、纳米片等)的基础上，很容易通过进一步处理得到。

水热法和超声裂解法是制备Ti3C2QDs的通用方法，但是为进一步改善Ti3C2QDs稳定性差、量子产率低等问题，需要对制备的Ti3C2QDs进行功能化修饰。例如，Li等[24]在水热法制备时采用聚乙烯亚胺修饰来钝化量子点表面并带上正电荷，使之更加稳定；而且聚乙烯亚胺功能化的Ti3C2QDs具有pH依赖的荧光性质[25]。再如，采用油胺作为表面钝化剂，用溶剂热法制备得到的Ti3C2QDs则表现出较强的双光子白色荧光，这是由于Ti3C2核与其表面的油胺分子的协同作用引起的[26]。可以看出，功能化修饰赋予了Ti3C2QDs更多的性质和应用前景。

综上所述，Ti3C2MXenes可通过多种合成方法制备和功能化。凭借独特的光学性质和电学性质等，这些Ti3C2MXenes被广泛地应用于纳米生物传感领域。

2 Ti3C2 MXenes在纳米生物传感中的应用

2.1 电化学传感

为提高电化学分析的灵敏度和选择性，可采用纳米材料对电极进行修饰。由于Ti3C2MXenes具有优良的导电性、高亲水性和丰富的功能基团，因此在电化学传感器中得到广泛的研究。Zhang等[27]以肽核酸(peptide nucleic acids，PNA)为捕获探针，高导电性二维Ti3C2MXenes为信号放大转导材料，构建了用于检测结核分枝杆菌H37Ra的16S rDNA特异性片段的电化学传感器(图1)。靶标片段和PNA捕获探针之间可以发生杂交，从而将大量靶标片段的磷酸盐锚定位点暴露于电极感应表面。而Ti3C2MXenes具有丰富的端基基团(-OH)，可以与Zr4+通过静电相互作用结合，并且可以与靶标片段的磷酸基团连接。在存在靶目标片段的情况下，这种结合作用使金纳米颗粒(Au nanoparticles，Au NPs)进一步形成纳米间隙网络电极，导致电导率的变化，从而实现目标片段的灵敏检测。该方法的检出限为20 CFU·mL-1，为结核分枝杆菌的灵敏检测提供了一种极具前景的方法。

图1 基于二维Ti3C2纳米片的16S rDNA特异性片段电化学生物传感器用于检测结核分枝杆菌[27]

Ti3C2MXenes表面的-OH基团同样为固定化酶提供了良好的微环境，能够保持酶的稳定性和生物活性。Wu等[28]将制备的Ti3C2MXenes作为固定化酪氨酸酶的新基质，用于制备超灵敏和快速检测苯酚的无介质生物传感器。基于酶修饰的Ti3C2MXenes，也可以实现真实血清样品中β-羟基丁酸的测定[29]。此外，Ti3C2MXenes的电学性质也在光电化学中有所应用。Jiang等[30]基于Ti3C2MXenes与半导体材料之间的肖特基异质结，构建了高灵敏的用于Hg2+测定的光电化学传感平台。

然而，Ti3C2MXenes在电化学传感的应用方面存在的主要挑战是其在水介质中的稳定性不佳。尽管通过对Ti3C2MXenes进行表面修饰或将之与金属纳米颗粒组装成复合物可以提高其稳定性，却在一定程度上降低了其导电性，这是电化学传感方面需要解决的问题之一。此外，除了-OH基团之外，Ti3C2表面还具有=O和-F等功能基团。然而目前的应用主要通过修饰-OH基团来进行，尚未有将其表面的=O或-F基团应用在电化学传感方面的报道。

2.2 电致发光传感

电化学发光(electrochemiluminescence，ECL)具有快速、廉价、易控制、灵敏度高和稳定性好等优点，在分析化学中得到了广泛的应用。作为一种纳米材料，Ti3C2MXenes具有较大的表面积，加之其优良的电导率，从而在ECL传感领域也具有广阔的应用前景。例如，利用Ti3C2与DNA核酸适体(aptamer)构建MXenes-aptamer复合物，可以开发一种用于人类乳腺癌细胞MCF-7外泌体的ECL生物传感器[31]。此外，将Ti3C2MXenes与黑磷量子点结合作为信号放大器，同样可以构建外泌体检测的ECL生物传感器[32]。近期，Zhang等[33]利用Ti3C2MXenes的还原性和导电性开发了外泌体及其表面蛋白检测的ECL检测平台(图2)。在这项研究中，基于Ti3C2MXenes的还原性原位形成Au NPs，从而获得Au NPs修饰的Ti3C2MXenes并将之作为ECL纳米探针。这种探针具有丰富的识别位点和较高的电催化活性，因此制备的ECL生物传感器具有较高的选择性和灵敏度。

(图片来自参考文献[33]，经由美国化学会授权使用)图2 基于原位形成Au NPs修饰的Ti3C2 MXenes纳米探针构建ECL生物传感器检测外泌体

2.3 光致发光传感

Ti3C2MXenes在可见光和近红外区域具有强而宽的吸收[34]，因此将其作为荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer，FRET)受体，可猝灭染料或探针的荧光，进一步实现信号输出，被广泛应用于荧光传感领域。Zhu等[35]报道了一种基于Ti3C2MXenes的荧光生物传感平台(图3A)，通过将荧光染料标记的磷脂组装到Ti3C2MXenes表面制得了一种荧光传感探针；Ti3C2MXenes可以通过荧光能量共振的方式猝灭荧光染料的荧光，磷脂酶D催化磷脂水解，释放出染料，从而使染料的荧光恢复。基于此，他们构建了一种“turn-on”型的检测磷脂酶D活性的方法，并进一步利用该探针检测了细胞裂解液中磷脂酶D的活性，同时实时监控了活细胞中磷脂酶D的活性；该工作首次提出了一种基于Ti3C2NSs的荧光传感新思路，拓展了Ti3C2MXenes在分析化学中的应用。此外，Ti3C2NSs也被应用到多种目标物的检测中，Zhang等[36]构建了一个Cy3标记的CD63适配体与Ti3C2MXenes纳米复合体(Cy3-CD63 aptamer/Ti3C2MXenes)，实现了比率型荧光传感器中外泌体的定量检测。

(A)罗丹明B-磷脂修饰的Ti3C2 纳米片用于磷酯酶D活性的检测；(B)基于Ti3C2量子点实现碱性磷酸酶(ALP)的高灵敏检测(图片A来自参考文献[35]，经由美国化学会授权使用;图片B来自参考文献[37]，经由英国皇家化学会授权使用)图3 碳化钛纳米材料用于光致发光传感的设计原理Fig. 3 Design principles for Ti3C2 MXenes-based photoluminescence sensing

与Ti3C2NSs相比，Ti3C2QDs具有尺寸可调、强光致发光、高光稳定性和优异的生物相容性等特点，可作为荧光探针实现对目标物更便捷的荧光传感。2017年，Xue等[22]首次报道了基于Ti3C2QDs的荧光传感器。由于水热法制备得到的Ti3C2QDs表面存在羟基基团，可以与Zn2+发生特殊配位作用，从而选择性地猝灭Ti3C2QDs的荧光信号。Guo等[37]将Ti3C2MXenes水热处理获得的Ti3C2QDs用于碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)的灵敏检测(图3B)。ALP催化底物去磷酸化生成对硝基苯酚，其吸收光谱与Ti3C2QDs的激发和发射光谱存在明显重叠，能够通过内滤效应猝灭Ti3C2QDs的荧光。将Ti3C2QDs直接加入到ALP比色检测体系中，实现了将比色法转变为灵敏度更高的荧光检测法，并进一步应用于ALP催化活性的实时监测及抑制剂筛选。最后，该方法应用于胚胎干细胞(embryonic stem cell，ESC)裂解液中标志物ALP活性精确分析，为ESC鉴别提供了新的替代方法，表明Ti3C2QDs在荧光传感领域具有巨大潜力。在荧光内滤效应的基础上，Zhang等[38]基于Fe3+与超声震荡制备的Ti3C2QDs的氧化还原性质，构建了Fe3+检测的荧光传感平台，并将该方法应用于血清和海水中Fe3+的灵敏检测。此外，杂原子掺杂的Ti3C2QDs在金属离子荧光检测方面显示出一些特殊的优势，如N,P-Ti3C2QDs可以用来选择性地检测Cu2+[39]。

对于Ti3C2QDs而言，其量子产率和荧光强度仍然较低，并且荧光波长主要位于紫外光和波长较短的可见光区域，限制了其在生物体系中荧光成像与示踪等方面的应用。

2.4 比色传感

Ti3C2MXenes的端基基团如-OH、=O等赋予其优异的还原性质和吸附特性，因此被广泛应用于重金属离子的去除等环境修复领域[40-41]。近期，本课题组[42]报道了一种基于Ti3C2MXenes原位还原构建无标记和可视化的Ag+纳米等离激元传感策略(图4)。Ti3C2MXenes同时发挥了对金属离子的吸附和还原作用。Ag+吸附在Ti3C2片层的表面，而后Ti3C2诱导了Ag+的原位还原，在不加入其他还原剂或稳定剂的情况下生成Ag纳米颗粒。由于Ag纳米颗粒在特定波长产生局域表面等离激元共振，从而构建了一种高灵敏、特异性的比色检测方法。这种方法的检测限能够满足世界卫生组织、美国环保局等对饮用水中银离子检测标准的需求。在智能手机的辅助下，通过对样品颜色的三原色RGB分析，得到了与紫外-可见分光光度计一致的结果，能够实现便捷的现场检测。由于避免了构建传感探针的复杂步骤，而是与待测物本身直接作用，Ti3C2MXenes材料展现了在构建免标记的比色传感平台上的巨大潜力。这种能利用待测物发生的化学反应原位生成探针并发出信号的纳米等离激元传感平台，对免标记分析策略的设计具有重大意义。

(图片来自参考文献[42]，经由美国化学会授权使用)图4 基于Ti3C2 MXenes原位还原构建的无标记、可视化纳米等离激元传感策略检测银离子

实际上，由于Ti3C2MXenes具有广谱的吸收，不利于实现比色法的传感设计。基于Ti3C2MXenes的比色传感体系的实质是巧妙地利用了待测物的化学反应或其他修饰在Ti3C2MXenes上的探针的颜色变化。

2.5 表面增强拉曼散射传感

作为二维材料，Ti3C2MXenes展现出良好的柔韧性，同时丰富的表面基团赋予其优异的亲水性，为Raman标签的负载提供了良好的微环境。因此，Ti3C2MXenes很适合作为SERS的基底材料。基于贵金属纳米粒子与MXenes NSs的复合材料作为基底可以实现对几种常见染料高灵敏检测，为Ti3C2MXenes在SERS传感领域的应用开辟了新途径[43]。Xie等[44]将Ti3C2MXenes与金纳米棒(Au nanorods，Au NRs)相结合，构建了一种用于有机污染物灵敏检测的复合材料(图5)。由于强的静电相互作用，Au NRs均匀地分布在Ti3C2MXenes的表面，形成大量的SERS热点，该方法在罗丹明6G、结晶紫和孔雀石绿检测中显示出较高的灵敏度和良好的重现性。此外，该SERS基底在对更复杂的有机农药和污染物的检测中也展现了优秀的灵敏度。最近，Zheng等[45]提出一种基于内标方法的比率型SERS传感策略，用于赭曲霉毒素的高灵敏和可重复的定量检测，这一方法在复杂体系中也展现出很大的应用潜力。

(图片来自参考文献[44]，经由美国化学会授权使用)

值得指出的是，Ti3C2MXenes主要是作为Raman标签的载体，通常还是需要与等离激元金属(Au、Ag等)纳米颗粒相结合，实现SERS纳米传感。

3 结论与展望

MXenes作为一种新兴的二维材料，在纳米生物传感领域取得了迅速的发展，已成为生物传感材料工具库中的重要元件之一。根据检测目标物的需求，不同结构、形貌和性能的Ti3C2MXenes已被开发出来用于构建不同类型的传感平台。此外，通过选择性功能化、表面工程或掺杂等方法，可获得具有更优性能的MXenes或者相关的复合材料，大大丰富了其在电化学、光学和光电化学方面的应用，且不断拓展并深入到化学成像和纳米医学等领域。

目前，虽然基于MXenes的纳米生物传感平台的设计和开发已取得了一定进展，但与其在能量存储与转换、电化学反应与器件等领域中的研究相比仍相对较少。首先，其制备过程中使用的HF等试剂带来了一定的毒性问题。并且，当前的研究较多集中在MXene NSs和MXene QDs用于荧光传感平台的构建，而其他传感方法的发展略显迟缓。此外，多数传感体系只停留在对体液如人体血清样本或体外细胞进行研究的水平，很少涉及生物分子在体内的原位监测或生物成像。最重要的是，基于MXenes的生物传感器的商业开发仍存在许多障碍，如重复性和大规模生产等问题。因此，更多基于MXenes的比色、SERS、光电化学和表面等离激元共振等传感平台仍有待开发，这或将成为研究的新方向。甚至，针对MXenes其他方面的性质如力学性质，亦有可能加以利用并开发出相应的传感策略。同时，对MXenes新合成方法或新结构的进一步研究，有望为基于各种MXenes纳米复合材料的商业化生物传感器的开发奠定基础。