Advanced Science:无氟2D碳化铌MXene作用于超高灵敏度电化学生物传感器

MXenes是由过渡金属碳化物或氮化物组成的一类新兴二维材料,具有较高的导电性、良好的亲水性、优异的光学性质和机械性能。MXene可广泛应用于多个领域,例如电化学催化、生物医学、能量转换和存储等。传统制备MXene的方法是通过用高浓度氢氟酸(HF)或者原位形成氢氟酸,选择性刻蚀掉MAX中的A层(通常是IIIA/IVA类元素,如Al)。到目前为止,通过实验方法已经得了二十多种不同类型的MXene,从理论上预测了七十多种MXene。在这些不同的MXene的复合物中,碳化铌(Nb2CTx)由于官能团的灵活特性和在金属性能方面表现优异。Nb2CTx几乎没有带隙,并具有亲水性和其他独特的理化性能,有别于其他传统2D材料。 Nb2CTx有望应用于锂离子储能、染料吸附和肿瘤成像等领域。但是,关于在生物医学的应用,尤其是生物传感领域的研究极为少见。导致这种研究状况的根本原因可归纳如下:(1)Nb2CTx的合成时间较久,并且合成环境危险,需要暴露于具有强腐蚀性的高浓度(50%)氢氟酸环境之下,反应48-90个小时,使得MXene的制备方法充满挑战,而且还一定程度上增加了工艺的复杂性;(2)尽管先前报道过采用HF或原位HF蚀刻方法合成MXene,但是这些方法并没有能延伸到用于Nb2CTx的制备。其原因是不能完全地将 “A”元素刻蚀掉;(3)由于需要过量地使用氢氟酸,使得表面的F-残基通过水解反应或电化学反应而造成HF释放。释放的HF会降低酶的活性并且对正常细胞存在潜在的毒性,这极大地阻碍了Nb2CTx在生物医学应用中的进一步探索;(4)由于氢氟酸刻蚀的Nb2CTx的表面官能团反应活性较高,在自然环境中或氧气释放反应(OER)过程中很容易被氧化,严重影响了Nb2CTx在生物传感过程中的稳定性和有效性。因此,从生物医学系统的角度来看,急需开发一种能安全稳定的合成无氟的Nb2CTx纳米片的方法。

最近,香港理工大学郝建华教授研究组采用电化学刻蚀(E-刻蚀)的剥离方法制备了新型的无氟Nb2CTx纳米片。该研究组通过采用此电化学刻蚀方法快速地刻蚀铝(4小时),就能制备出具有的良好的化学稳定性和生物相容性的无氟碳化铌MXene。基于这些优点,该研究构建了Nb2CTx/乙酰胆碱酯酶的无氟生物传感器,用于有机农药亚胺硫磷的检测,其检测限可达0.046 ng mL−1。与基于传统氢氟酸刻蚀的Nb2CTx生物传感器相比,无氟的Nb2CTx生物传感器具有更好的性能,说明无氟Nb2CTx MXene可以提高生物传感器的酶活性和电子转移能力。

这种具有超高灵敏度和高选择性无氟MXene生物传感器,在农药的小分子的检测具有潜在的应用前景。这种稳定的生物相容优异的无氟MXene纳米平台,有望扩展到其他生物医学领域。相关的论文发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202001546)。