2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子微尺度光學(xué)傳感器研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置）1.下列哪種光學(xué)效應(yīng)通常被用于基于表面等離激元共振（SPR）的分子傳感器？A.光的吸收B.光的熒光猝滅C.金屬納米顆粒的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）D.基于量子點(diǎn)尺寸變化的光學(xué)傳感2.在設(shè)計(jì)高選擇性分子傳感器時(shí)，通常希望其響應(yīng)曲線呈現(xiàn)何種特征？A.對(duì)所有目標(biāo)分子都有相同的響應(yīng)強(qiáng)度B.僅對(duì)特定目標(biāo)分子有顯著響應(yīng)，而對(duì)類似物響應(yīng)很小或無響應(yīng)C.隨著濃度增加，響應(yīng)強(qiáng)度線性增加，無飽和現(xiàn)象D.響應(yīng)信號(hào)隨時(shí)間呈指數(shù)衰減3.下列哪種材料因其優(yōu)異的熒光量子產(chǎn)率和光穩(wěn)定性，常被用作光學(xué)傳感探針？A.金屬納米顆粒（如金、銀納米粒子）B.量子點(diǎn)C.金屬氧化物（如氧化鋅、二氧化鈦）D.碳納米管4.將傳感分子固定在載體（如傳感器芯片表面）的過程通常稱為？A.信號(hào)放大B.信號(hào)解吸C.分子識(shí)別D.基底固定化5.光學(xué)生物傳感器通常利用生物分子（如酶、抗體、適配體）與目標(biāo)分析物之間的什么相互作用來產(chǎn)生信號(hào)？A.離子交換B.氧化還原反應(yīng)C.特異性結(jié)合（如抗原-抗體、酶-底物）D.共價(jià)鍵合6.以下哪項(xiàng)技術(shù)不屬于典型的微尺度光學(xué)傳感范疇？A.基于微環(huán)諧振器的折射率傳感B.基于微流控芯片的光學(xué)生物芯片C.掃描電子顯微鏡（SEM）成像分析D.基于微腔的光纖傳感器7.提高分子微尺度光學(xué)傳感器靈敏度的常用方法之一是？A.增大傳感界面與周圍介質(zhì)的折射率差異B.降低傳感分子的固定密度C.使用長波長激發(fā)光源D.減小傳感器的尺寸8.下列哪種現(xiàn)象是由于光與介質(zhì)相互作用導(dǎo)致光傳播方向發(fā)生偏折而產(chǎn)生的？A.熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）B.光子隧穿C.折射D.塞曼效應(yīng)9.在使用熒光分子作為傳感探針時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度可能受到哪些因素的非特異性影響？（請(qǐng)選擇兩個(gè)）A.溫度變化B.pH值變化C.探針自身濃度的變化D.傳感器表面存在雜質(zhì)或未結(jié)合探針10.分子微尺度光學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)潛在應(yīng)用是？A.直接測(cè)量細(xì)胞內(nèi)的DNA復(fù)制速率B.實(shí)時(shí)檢測(cè)水體中的痕量重金屬離子或有機(jī)污染物C.精確測(cè)量人體血液中的葡萄糖濃度（無侵入式）D.分離和純化混合物中的蛋白質(zhì)二、填空題（每空1分，共10分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置）1.基于表面等離激元共振（SPR）的傳感原理主要依賴于金屬表面等離激元共振峰位隨__________的變化。2.適配體是一種通過__________技術(shù)篩選獲得的、能與特定分子特異性結(jié)合的核酸或蛋白質(zhì)分子。3.在光學(xué)傳感中，信號(hào)放大是指利用某種機(jī)制（如酶催化、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）將微弱的初始信號(hào)轉(zhuǎn)化為__________信號(hào)的的過程。4.量子點(diǎn)具有獨(dú)特的__________效應(yīng)和尺寸依賴性，使其在光學(xué)傳感中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。5.為了提高傳感器的選擇性和抗干擾能力，常需要對(duì)傳感界面進(jìn)行__________處理。6.分子微尺度光學(xué)傳感器通常需要具備高靈敏度、良好的__________、快速響應(yīng)和穩(wěn)定的性能。7.基于光纖的光學(xué)傳感器具有__________、抗電磁干擾和易于集成等優(yōu)點(diǎn)。8.熒光猝滅是指熒光分子的發(fā)射光強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，常見的猝滅方式有__________猝滅、靜態(tài)猝滅和動(dòng)態(tài)猝滅。9.微流控技術(shù)可以與光學(xué)傳感技術(shù)結(jié)合，形成__________，實(shí)現(xiàn)高通量、微樣本分析。10.分子識(shí)別是分子傳感的核心環(huán)節(jié)，指的是傳感分子與目標(biāo)分析物之間發(fā)生的__________相互作用。三、簡答題（每題10分，共30分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置）1.簡述影響分子微尺度光學(xué)傳感器靈敏度的關(guān)鍵因素有哪些，并解釋其原因。2.請(qǐng)比較基于熒光猝滅和基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）的分子傳感機(jī)制有何異同。3.簡要介紹一種基于生物分子（如酶、抗體、適配體）的分子微尺度光學(xué)傳感器，說明其基本原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。四、計(jì)算/分析題（每題15分，共30分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置）1.假設(shè)一個(gè)基于表面等離激元共振（SPR）的折射率傳感器，在沒有任何分子結(jié)合時(shí)，共振角為θ?=50°。當(dāng)有目標(biāo)分析物分子結(jié)合到傳感器表面時(shí)，共振角移動(dòng)到θ_b=52°。已知該傳感器的折射率靈敏度（Δθ/Δn）為330nm2/RIU（折射率單位，RIU=10?2）。請(qǐng)計(jì)算該傳感器表面結(jié)合了分析物后，其覆蓋的等效折射率變化（Δn_eq）是多少？如果該分析物的折射率增量為1.5x10?3（RIU），請(qǐng)估算大約結(jié)合了多少個(gè)分析物分子層？（提示：等效折射率變化與表面覆蓋度呈線性關(guān)系，但需注意單位轉(zhuǎn)換和物理意義，此題重點(diǎn)在于折射率靈敏度應(yīng)用和物理概念理解，無需精確計(jì)算分子層數(shù)）2.某熒光傳感體系由熒光探針Q和淬滅劑B組成。當(dāng)探針Q與目標(biāo)分析物T結(jié)合時(shí)，探針Q與淬滅劑B的距離縮短，導(dǎo)致FRET效率增加，從而熒光信號(hào)減弱。已知游離狀態(tài)下探針Q的熒光強(qiáng)度為F?，結(jié)合目標(biāo)分析物T后的熒光強(qiáng)度為F。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在游離狀態(tài)下FRET效率為η?=20%，結(jié)合目標(biāo)分析物T后的FRET效率為η=80%。請(qǐng)分析該傳感體系的響應(yīng)機(jī)理，并解釋熒光強(qiáng)度變化與目標(biāo)分析物濃度之間的關(guān)系。（無需進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只需定性分析和解釋）五、論述/設(shè)計(jì)題（30分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置）結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，論述將分子微尺度光學(xué)傳感器應(yīng)用于活體（如活細(xì)胞、活體動(dòng)物）環(huán)境監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。請(qǐng)從信號(hào)穿透深度、生物相容性、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力、信號(hào)特異性與背景干擾、以及潛在應(yīng)用場(chǎng)景等方面進(jìn)行闡述。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)思一個(gè)針對(duì)特定生物標(biāo)志物（如腫瘤標(biāo)志物、神經(jīng)遞質(zhì)）的活體光學(xué)傳感策略，簡要說明其設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵技術(shù)和預(yù)期優(yōu)勢(shì)。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.D5.C6.C7.A8.C9.A,B10.B二、填空題1.折射率2.體外篩選（或SELEX）3.可測(cè)量（或顯著增強(qiáng)）4.熒光猝滅（或尺寸依賴性）5.選擇性（或特異性）6.選擇性（或特異性）7.長距離傳輸（或信號(hào)傳輸損耗小）8.系間竄越（或動(dòng)態(tài)）9.光學(xué)生物芯片10.特異性（或選擇性）三、簡答題1.解析思路：影響靈敏度的核心是信號(hào)變化量與被測(cè)物濃度之間的關(guān)系。需要從信號(hào)產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)出發(fā)。*答案要點(diǎn)：*增大傳感界面與周圍介質(zhì)的折射率差異：根據(jù)傳感原理（如SPR、表面增強(qiáng)Raman散射），折射率差異越大，信號(hào)變化越顯著，靈敏度越高。*提高傳感分子與目標(biāo)分析物的結(jié)合親和力/效率：結(jié)合越牢固或結(jié)合過程越容易，界面變化越明顯，信號(hào)響應(yīng)越強(qiáng)。*增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換效率：例如，提高熒光探針的淬滅效率（非特異性猝滅降低）、提高FRET效率、增強(qiáng)表面等離子體共振信號(hào)與折射率變化的耦合度等。*優(yōu)化傳感器的設(shè)計(jì)：如減小傳感層厚度、優(yōu)化微結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)、使用具有高靈敏度的檢測(cè)器等。*選擇合適的檢測(cè)方法：如差分檢測(cè)可以消除本底信號(hào)的干擾，提高相對(duì)靈敏度。2.解析思路：熒光猝滅和FRET都是利用熒光信號(hào)的變化來傳感，但機(jī)理不同。需要清晰區(qū)分兩者的定義、條件和應(yīng)用場(chǎng)景。*答案要點(diǎn)：*熒光猝滅：指熒光分子發(fā)射光強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。分為靜態(tài)猝滅（探針與淬滅劑形成非熒光復(fù)合物）和動(dòng)態(tài)猝滅（淬滅劑與探針碰撞或能量轉(zhuǎn)移等）。其信號(hào)變化通常與探針濃度或環(huán)境因素有關(guān)。*熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）：指一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的熒光供體分子（D）通過非輻射過程將其能量轉(zhuǎn)移給鄰近的熒光受體分子（A），導(dǎo)致供體熒光減弱、受體熒光增強(qiáng)（或供體熒光猝滅、受體熒光增強(qiáng)）的現(xiàn)象。其效率取決于供體與受體之間的距離（通常<10nm）和取向。*異同點(diǎn)：*相似：都利用熒光信號(hào)的變化作為傳感信號(hào)；都依賴于探針與目標(biāo)分析物相互作用引起的結(jié)構(gòu)或距離變化。*不同：*機(jī)理：猝滅是探針發(fā)光能力下降，F(xiàn)RET是能量從供體轉(zhuǎn)移到受體。*信號(hào)：猝滅通常是供體熒光減弱（或整體熒光下降），F(xiàn)RET可以是供體猝滅、受體增強(qiáng)或兩者皆有。*距離依賴性：FRET對(duì)距離高度敏感，是典型的分子水平傳感；猝滅機(jī)制多樣，部分與距離有關(guān)（如動(dòng)態(tài)猝滅），部分無關(guān)（如靜態(tài)猝滅）。*應(yīng)用：FRET更常用于檢測(cè)分子間距離或構(gòu)象變化；猝滅法可用于檢測(cè)目標(biāo)物濃度或存在與否。3.解析思路：選擇一種常見的生物傳感器類型（酶、抗體、適配體），描述其基本工作原理和結(jié)構(gòu)。要體現(xiàn)生物分子特異性識(shí)別的特點(diǎn)。*答案要點(diǎn)（以酶促反應(yīng)熒光傳感為例）：*基本原理：利用酶催化目標(biāo)分析物（底物）發(fā)生特異性化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物或酶促反應(yīng)過程引起熒光探針分子結(jié)構(gòu)、環(huán)境或濃度的變化，從而產(chǎn)生可測(cè)量的熒光信號(hào)變化。其核心是“目標(biāo)物→酶→底物反應(yīng)→熒光信號(hào)”的關(guān)聯(lián)。*結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：*傳感識(shí)別層：包含固定化的酶分子和（可能）目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的分子（如抗體或適配體）。固定方式可以是共價(jià)鍵合、物理吸附或包裹在載體（如納米粒子、固相載體）上。*熒光探針層：包含熒光分子，其熒光特性（強(qiáng)度、波長、壽命）與酶促反應(yīng)產(chǎn)物或反應(yīng)進(jìn)程相關(guān)聯(lián)。探針可以通過共價(jià)連接、嵌入聚合物、或與酶產(chǎn)生的產(chǎn)物絡(luò)合等方式與識(shí)別層結(jié)合或存在于其附近。*光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)：用于激發(fā)熒光探針并檢測(cè)其發(fā)射光信號(hào)，通常包括光源、濾光片、檢測(cè)器（如光電倍增管）和信號(hào)處理系統(tǒng)。*關(guān)鍵要求：酶的催化活性高、特異性強(qiáng)；探針的熒光響應(yīng)靈敏、選擇性好；傳感界面的設(shè)計(jì)要保證分析物、酶、探針之間能有效相互作用。四、計(jì)算/分析題1.解析思路：利用SPR傳感的基本關(guān)系式。核心是理解折射率靈敏度（Δθ/Δn）的物理意義，即單位折射率變化引起的共振角移動(dòng)量。等效折射率變化（Δn_eq）與表面覆蓋度（γ）成正比。通過移動(dòng)量可以推算覆蓋度，但題目要求計(jì)算Δn_eq，這通常需要結(jié)合具體的傳感模型或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，此處側(cè)重概念理解。計(jì)算分子層數(shù)超出常規(guī)試卷范圍且缺乏必要參數(shù)。*答案要點(diǎn)：*計(jì)算Δn_eq：根據(jù)定義，Δθ=(Δθ/Δn)*Δn_eq。已知Δθ=θ_b-θ?=52°-50°=2°。將角度轉(zhuǎn)換為弧度：Δθ≈2*π/180≈0.035rad。Δn_eq=Δθ/(Δθ/Δn)=0.035rad/(330nm2/RIU)=0.035/330RIU≈1.06x10??RIU。因此，等效折射率變化約為1.06x10??（RIU）。*估算分子層：等效折射率變化Δn_eq通常與表面覆蓋度γ（通常表示為monolayer，即一個(gè)分子層厚度的覆蓋）成正比關(guān)系：Δn_eq≈n_m*γ，其中n_m是單個(gè)分子層產(chǎn)生的折射率增量。題目給出單個(gè)分析物分子的折射率增量為1.5x10?3RIU。因此，γ≈Δn_eq/n_m≈(1.06x10??RIU)/(1.5x10?3RIU/layer)≈0.07layer。這表示表面覆蓋度約為0.07個(gè)分子層。（注意：此計(jì)算僅為概念演示，實(shí)際傳感中關(guān)系可能更復(fù)雜，且估算分子層數(shù)通常需要更明確的模型或參數(shù)）2.解析思路：FRET傳感的核心是供體-受體距離依賴的效率變化。分析結(jié)合前后FRET效率的變化，解釋其與目標(biāo)分析物濃度的關(guān)系。*答案要點(diǎn)：*響應(yīng)機(jī)理分析：該傳感體系利用了FRET原理。游離狀態(tài)下，探針Q與淬滅劑B距離較遠(yuǎn)（或無有效相互作用），F(xiàn)RET效率較低（η?=20%）。當(dāng)目標(biāo)分析物T與探針Q特異性結(jié)合后，Q與B的距離縮短（或Q的構(gòu)象變化導(dǎo)致與B靠近），使得FRET效率增加（η=80%）。由于B具有淬滅作用，F(xiàn)RET效率的提高直接導(dǎo)致了探針Q的熒光信號(hào)（F）的減弱（F?>F）。*熒光強(qiáng)度與濃度關(guān)系解釋：FRET效率η=R?/(R?+R??)，其中R是供體與受體間的距離，R?是臨界距離（效率為50%時(shí)的距離）。對(duì)于給定的探針Q和B，R?是定值。當(dāng)目標(biāo)分析物T存在時(shí)，Q與B的距離R減小，導(dǎo)致η增大。熒光強(qiáng)度F與FRET效率η通常成反比（或與1-η成正比，取決于猝滅機(jī)制和探測(cè)方式），即F∝1-η。因此，熒光強(qiáng)度的減弱（F<F?）意味著FRET效率的提高（η>η?）。目標(biāo)分析物T的濃度越高，與探針Q結(jié)合越多，導(dǎo)致Q與B的平均距離進(jìn)一步減小，F(xiàn)RET效率越高，熒光信號(hào)越弱。所以，該傳感體系的熒光信號(hào)強(qiáng)度變化（減弱）與目標(biāo)分析物T的濃度在一定范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。（注意：這里假設(shè)T與Q結(jié)合不改變Q與B的相對(duì)位置，且T的存在是主要的因素）五、論述/設(shè)計(jì)題解析思路：*論述部分：需要結(jié)合活體環(huán)境的特殊性（如生物組織復(fù)雜性、光散射、生物相容性要求）分析現(xiàn)有技術(shù)的挑戰(zhàn)，并闡述光學(xué)傳感在實(shí)時(shí)、原位、高靈敏度檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。要體現(xiàn)對(duì)科學(xué)問題和技術(shù)瓶頸的理解。*挑戰(zhàn)：光穿透深度有限（尤其對(duì)紅外光）；生物組織中的autofluorescence和scattering嚴(yán)重干擾信號(hào)；傳感器本身需生物相容、低免疫原性；如何實(shí)現(xiàn)可靠的體內(nèi)靶向和信號(hào)讀?。ㄈ绫砻嬖鰪?qiáng)技術(shù)、近場(chǎng)光學(xué)、內(nèi)窺鏡集成）；信號(hào)解消和校準(zhǔn)困難；長期穩(wěn)定性和體內(nèi)降解問題。*機(jī)遇：光學(xué)傳感可提供高靈敏度、高選擇性、快速響應(yīng)；可實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)或微創(chuàng)檢測(cè)；結(jié)合光纖、微流控等技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)便攜化和自動(dòng)化；可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生理過程；多參數(shù)同時(shí)檢測(cè)潛力。*設(shè)計(jì)部分：需要針對(duì)一個(gè)具體目標(biāo)物，提出一個(gè)具有一定創(chuàng)新性和可行性的傳感策略。要體現(xiàn)對(duì)傳感原理、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用能力。需要簡明扼要地說明關(guān)鍵點(diǎn)。*設(shè)計(jì)思路：選擇合適的識(shí)別分子（抗體、適配體、酶等）、熒光探針或猝滅劑；選擇合適的載體材料（如生物相容性好的聚合物、量子點(diǎn)、金納米粒子等）和傳感平臺(tái)（如SPR芯片、光纖探頭、微流控芯片等）；考慮如何實(shí)現(xiàn)體內(nèi)靶向（如通過配體修飾）；考慮如何增強(qiáng)信號(hào)或克服生物組織干擾（如利用SERS、表面等離激元共振增強(qiáng)效應(yīng)、近場(chǎng)光學(xué)等）。*預(yù)期優(yōu)勢(shì)：強(qiáng)調(diào)該策略針對(duì)特定目標(biāo)物的高選擇性、高靈敏度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力、良好的生物相容性或潛在的體內(nèi)應(yīng)用前景。答案要點(diǎn)（論述與設(shè)計(jì)結(jié)合）：*挑戰(zhàn)與機(jī)遇論述（示例）：活體光學(xué)傳感面臨的主要