Exosomes, as novel noninvasive biomarkers for disease prediction and diagnosis, have shown fascinating prospects in monitoring cancer-linked public health issues. Herein, a unique Cy3 labeled CD63 aptamer (Cy3-CD63 aptamer)/Ti3C2 MXenes nanocomplex was constructed as a self-standard ratiometric fluorescence resonance energy transfer (FRET) nanoprobe for quantitative detection of exosomes. The Cy3-CD63 aptamer can be selectively adsorbed onto the Ti3C2 MXene nanosheets by hydrogen bond and metal chelate interaction between the aptamer and MXenes, and the fluorescence signal from Cy3-CD63 aptamer was quenched quickly owing to the FRET between the Cy3 and MXenes. The fluorescence of Cy3 greatly recovered after the addition of the exosomes which can specifically combine with the aptamer and release from the surface of Ti3C2 MXenes due to the high affinity between the aptamer and CD63 protein on exosome surface. Meanwhile, the self-fluorescence signal of MXenes in the whole process showed little change, which can be used as a standard reference. Based on the self-standard turn-on FRET biosensing platform the detection limit of exosome was determined as 1.4 × 103 particles mL–1, which was over 1000× lower than that of conventional ELISA method. This fluorescence sensor can also be used for the identification of multiple biomarkers on the exosome surface and different kinds of exosomes, combining with the fluorescent confocal scanning microscope image. The proposed strategy not only provides a universal nanoplatform for exosomes, but also can be extensively expanded to multiple biomarkers detection, which may promise the prospect of MXenes as robust candidates in biological fields.

In this work, an ultrasensitive electrogenerated chemiluminescence (ECL) biosensor for exosomes and their surface proteins was developed by the in situ formation of gold nanoparticles (AuNPs) decorated Ti3C2 MXenes hybrid with aptamer modification (AuNPs-MXenes-Apt). In this strategy, the exosomes were efficiently captured on an exosome recognized CD63 aptamer modified electrode interface. Meanwhile, in situ formation of gold nanoparticles on single layer Ti3C2MXenes with aptamer (MXenes-Apt) modification was obtained, in which MXenes acted as both reductants and stabilizer, and no additional reductant and stabilizer involved. The in situ formed AuNPs-MXenes-Apt hybrid not only presented highly efficient recognition of exosomes specifically, but also provide naked catalytic surface with high electrocatalytic activity of gold nanoparticles with predominated (111) facets that significantly improved the ECL signal of luminol. In this way, a highly sensitive ECL biosensor for exosomes detection was constructed ascribing to the synergistic effects of large surface area, excellent conductivity, and catalytic effects of the AuNPs-MXenes-Apt. The detection limit is 30 particles μL–1 for exosomes derived from HeLa cell line, which was over 1000 times lower than that of conventional ELISA method and the linear range was from 102 particles μL–1 to 105 particles μL–1. This ECL sensing platform possessed high selectivity toward exosomes and their surface proteins derived different kinds of tumor cell lines (HeLa cells, OVCAR cells and HepG2 cells), and enabled sensitive and accurate detection of exosomes from human serum, which implied that the ECL biosensor provided a feasible, sensitive, and reliable tool for exosomes detection in exosomes-related clinical diagnostic.