摘要

食品安全是一個全球性的重大挑戰，其根源在于人口增長、工業化食品生產以及日益嚴重的公共衛生問題。諸如病原微生物、重金屬、農藥、霉菌毒素和抗生素殘留物等污染物需要快速、靈敏且可靠的檢測方法。電化學生物傳感器因其簡單性、低成本以及適用于實時監測的特點，已成為傳統分析方法的有效替代方案。二維（2D）材料，尤其是MXenes和MBenes，在提升傳感器性能方面展現出了巨大潛力。MXenes由二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物組成，具有可調的表面特性和高電導率；而MBenes（二維過渡金屬硼化物）則具有優異的抗氧化穩定性和化學穩定性。本文綜述了基于MXenes和MBenes的電化學（生物）傳感器在食品安全監測領域的最新進展，強調了它們的優勢、局限性以及實際應用的前景。

引言

隨著人口的增長、人們對生活質量的追求以及公共衛生需求的提升，食品安全已成為一個日益重要的問題（G?kmen等人，2024年；Huang等人，2025年）。世界衛生組織（WHO）報告稱，食源性污染物已影響約6億人，其中42萬人因不安全的食品供應而死亡（食源性疾病估計數據，無具體年份）。食源性病原體、重金屬和農藥在食品供應鏈的各個環節都可能對食品安全構成威脅（Huang等人，2025年；Kumar等人，2024年）。為應對這些挑戰，各國政府和國際組織制定了相關法規。因此，快速、準確、經濟、可靠且靈敏的檢測技術對于確保食品安全至關重要。生物傳感器因其響應速度快、分析過程簡單、特異性強、成本低以及適用于多種食品基質而受到廣泛關注（Li等人，2022年；Xie等人，2023年）。與傳統檢測方法相比，電化學（生物）傳感器能夠實現快速、實時的污染物檢測，并且通常無需復雜的樣品預處理步驟（Niu等人，2022年；Sangu等人，2022年；Wu等人，2019年；Zhang等人，2025年；Shi等人，2025年；Ullah等人，2021年）。它們能夠將生物相互作用轉化為可讀的電信號，非常適合用于復雜的多動態食品基質分析（Gao等人，2022年）。 2004年二維石墨烯的發現極大地推動了新型二維材料的研究與創新。二維材料的出現為生物傳感器技術開辟了新的途徑（Zhang等人，2025年；Shi等人，2025年）。這些材料具有較大的表面積和優異的電子傳輸能力，易于功能化，從而與生物受體形成更強的、更穩定的相互作用，這是提升分析性能的關鍵因素（Hassan等人，2023年；Uzunoglu等人，2023年）。 在包括石墨烯、氧化石墨烯、過渡金屬硫屬化合物、硼烯和圖爾迪炔在內的多種二維材料中，二維過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（MXenes）因其出色的導電性、可調的表面化學性質、高親水性和高電子傳輸速率以及層狀結構而徹底改變了生物傳感器的研究方向。這些材料表面的官能團（如-OH、-F和=O）為固定生物分子提供了多樣化的位點，從而提高了傳感器的靈敏度和選擇性以及檢測限（LOD）（Ghidiu等人，2014年；Naguib等人，2011年）。目前，多種MXenes及其混合物已被成功應用于生物傳感器中，結果表明這些材料具有很高的電分析性能（Liu等人，2023年；Liu等人，2024年）。然而，MXenes易被氧化，這會對其層狀結構、表面積和電子導電性產生不利影響，從而限制了其實際應用。相比之下，結構類似的二維過渡金屬硼化物（MBenes）由于具有更高的抗氧化穩定性而成為潛在的替代品。此外，MXenes的合成需要強酸（如HF和HCl+LiF），這對人類和環境安全存在風險；而使用NaOH等溫和試劑可以從母體相MAB合成MBenes，使其更加環保和安全。盡管MBenes在穩定性和合成工藝方面優于MXenes，但相關研究仍處于初級階段，仍需大量努力來優化其合成方法及其在電化學系統（尤其是生物傳感器中的應用）。早期研究顯示，MBenes憑借其優異的金屬導電性、化學穩定性和電子傳輸性能，也有潛力開發出高性能的電化學傳感器（Gupta等人，2020年；Khazaei等人，2019年）。值得注意的是，基于MBenes的生物傳感器在食品污染物檢測中的應用尚未得到充分開發，這為進一步研究提供了廣闊空間。本文旨在總結和評估基于MXenes和MBenes的電化學生物傳感器在食品安全檢測方面的最新進展，包括重金屬、抗生素、食源性病原微生物、霉菌毒素和農藥等污染物的檢測（見圖1）。通過介紹它們的合成策略、傳感機制、目標分析物和檢測性能，我們旨在對比分析它們的優勢和未來潛力，探討這些先進二維材料如何幫助實現更安全、更快捷、更可靠的食品監測技術。

二維材料在電化學傳感器中的應用

二維材料已在多種電化學系統中得到廣泛應用，包括能量存儲與轉換及生物傳感器領域。2004年通過機械剝離法從石墨中分離出石墨烯，開啟了二維材料研究的新篇章，隨后出現了大量實驗和理論研究。由于二維材料具有極高的表面積與體積比，將其應用于傳感層能夠顯著提升檢測靈敏度。

結論與未來展望

對安全、可追溯且無污染食品的需求不斷增加，推動了生物傳感器技術的發展，尤其是基于納米材料的電化學平臺。在新興材料中，MXenes憑借其可調節的表面官能團和結構，在電化學傳感領域展現了顯著的應用潛力。此外，它們還具有高電導率、氧化還原活性和快速電子傳輸能力等優勢。

作者貢獻聲明

- Canan Yagmur Karakas：撰寫綜述與編輯、初稿撰寫、數據整理、概念構思 - Ozum Ozoglu：初稿撰寫、形式化分析、數據整理 - Sema Nur Yildirim：初稿撰寫、方法設計、數據整理 - Osman Sagdic：資源提供 - Sebahattin Gurmen：資源提供 - Enes Dertli：撰寫綜述與編輯、監督工作、概念構思 - Aytekin Uzunoglu：撰寫綜述與編輯、初稿撰寫、監督工作、資源提供

未引用的參考文獻

- Bae等人，2019年 - Chen等人，2025年 - Chen等人，2025年 - Dolez，2015年 - 食源性疾病估計數據（無具體年份） - Halim, Rahman和Khan，2022年 - Leng等人，2021年 - Liu等人，2023年 - Liu等人，2023年 - Mitra等人，2022年 - Mojtabavi, Ghosh和Sinha，2023年 - Prasad, Mishra, Gupta, Prasad和Singh，2021年 - Robati等人，2016年 - Tang等人，2021年 - Thakali和MacRae，2021年 - Uzunoglu和Karakas，2025年 - Wang等人，2024年 - Wang, Yin和Gunasekaran，2024年

利益沖突聲明 作者聲明不存在可能影響本文研究的已知財務利益或個人關系。

致謝 作者感謝TUBITAK在該項目（項目編號222Z140）中的財政支持。