2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——化學(xué)傳感器分子設(shè)定技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內(nèi)）1.下列哪項不是化學(xué)傳感器通常需要具備的性能？（）A.高選擇性B.快響應(yīng)速度C.高穩(wěn)定性D.體積必須最小化2.在設(shè)計用于識別特定陰離子的化學(xué)傳感器分子時，利用其與識別位點之間的（）相互作用是常見的策略。A.共價鍵B.靜電C.π-π堆積D.氫鍵3.金屬有機框架（MOFs）材料作為化學(xué)傳感器的載體或識別單元，其主要的優(yōu)點之一是（）。A.成本極低B.熱穩(wěn)定性差C.具有高度可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)和表面D.生物相容性差4.當(dāng)化學(xué)傳感器分子受到目標分析物作用后，其性質(zhì)發(fā)生改變，進而引起可測量的信號變化，這個過程稱為（）。A.信號放大B.分子識別C.信號轉(zhuǎn)換D.基體效應(yīng)5.設(shè)計熒光化學(xué)傳感器時，常利用目標分析物引起的（）變化來指示其存在。A.吸收光譜B.發(fā)光波長C.發(fā)光強度D.以上都是6.對于設(shè)計用于水體中重金屬離子（如Cu2?）檢測的傳感器，選擇（）作為識別單元是合理的。A.含有強堿性氨基的分子B.含有強酸性羧基的分子C.含有配位位點的含氮或含硫雜環(huán)D.含有大量π電子的芳香族化合物7.在主客體化學(xué)應(yīng)用于傳感器設(shè)計的語境下，主體分子通常是指（）。A.目標分析物B.具有特定空腔或識別位點的分子C.信號轉(zhuǎn)換單元D.基體材料8.導(dǎo)電聚合物因其（）的特性，在電化學(xué)傳感器的分子設(shè)定中備受關(guān)注。A.高熔點B.良好的導(dǎo)電性C.顏色鮮艷D.化學(xué)惰性9.下列哪種技術(shù)不屬于化學(xué)傳感器分子設(shè)定中常用的非共價相互作用調(diào)控手段？（）A.氫鍵自組裝B.π-π堆積C.金屬離子模板化D.共價鍵連接10.為了提高化學(xué)傳感器在實際環(huán)境中的應(yīng)用效果，分子設(shè)計時必須考慮其（）。A.在實驗室中的理論靈敏度B.在復(fù)雜基質(zhì)中的選擇性C.識別位點的密度D.分子的合成復(fù)雜度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.化學(xué)傳感器的核心功能是實現(xiàn)對分析物的___和___。2.設(shè)計化學(xué)傳感器分子時，需要平衡選擇性、靈敏度、響應(yīng)時間、___和___等多個性能指標。3.利用金屬離子與配體之間的___作用來識別特定分子或離子的方法，在傳感器設(shè)計中具有重要意義。4.某熒光化學(xué)傳感器在遇到目標分析物時，其熒光強度顯著增強，這種現(xiàn)象稱為___效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計通常包含一個熒光團和一個對分析物敏感的識別位點。5.對于氣體分析傳感器，傳感器的___和___是其關(guān)鍵性能參數(shù)。6.設(shè)計基于MOFs的化學(xué)傳感器時，可以利用MOFs的___來裝載識別單元或調(diào)節(jié)傳感器的選擇性。7.將具有識別功能的分子部分與具有信號轉(zhuǎn)換功能的部分巧妙結(jié)合，是實現(xiàn)化學(xué)傳感器分子設(shè)計的關(guān)鍵策略之一。8.比色化學(xué)傳感器通常通過溶液顏色發(fā)生___（填“加深”或“變淺”）來指示目標分析物的存在。9.在設(shè)計酶傳感器時，識別單元通常是___或其模擬物。10.分子設(shè)計過程中，對分子結(jié)構(gòu)與傳感性能之間關(guān)系的定量或定性描述，常被稱為___關(guān)系。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述非共價相互作用在化學(xué)傳感器分子識別中的作用及其優(yōu)勢。2.簡要說明設(shè)計一個用于檢測水體中pH變化的化學(xué)傳感器分子時，應(yīng)考慮哪些關(guān)鍵因素。3.解釋什么是“主客體化學(xué)”，并舉例說明其在化學(xué)傳感器設(shè)計中的應(yīng)用。4.簡述電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換在化學(xué)傳感器中的基本原理。四、論述題（每題10分，共30分）1.以識別氯離子（Cl?）為例，闡述設(shè)計熒光比色化學(xué)傳感器分子的基本思路，并說明其可能的信號轉(zhuǎn)換機制。2.比較金屬有機框架（MOFs）材料與傳統(tǒng)的無機半導(dǎo)體材料（如ZnO,TiO?）在用作化學(xué)傳感器載體或識別單元時的優(yōu)缺點。3.選擇一種你感興趣的化學(xué)分析物（如葡萄糖、乙醇、特定揮發(fā)性有機物等），結(jié)合所學(xué)知識，提出一個對該物質(zhì)進行檢測的化學(xué)傳感器分子設(shè)計概念，說明其設(shè)計依據(jù)和預(yù)期的傳感機制。---試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.C5.D6.C7.B8.B9.D10.B二、填空題1.識別，檢測2.穩(wěn)定性，重現(xiàn)性3.配位4.增強型（或“顯色”）5.選擇性，靈敏度6.孔道結(jié)構(gòu)7.偶聯(lián)8.加深9.酶10.定量構(gòu)效（或“構(gòu)效”）三、簡答題1.解析思路：首先說明非共價相互作用類型（氫鍵、靜電、范德華、π-π等）。然后闡述其作用：通過這些作用力實現(xiàn)分析物與識別位點之間的結(jié)合或識別位點的構(gòu)象變化。最后說明優(yōu)勢：易調(diào)控、生物相容性好、環(huán)境友好、可自組裝形成有序結(jié)構(gòu)等。2.解析思路：說明pH傳感器設(shè)計需考慮：識別單元的選擇（如對質(zhì)子有強親和力的基團如羧酸、胺、硫醇等）。信號轉(zhuǎn)換單元的響應(yīng)性（如熒光團、顯色基團）。選擇性（避免其他陰離子干擾）。響應(yīng)范圍與線性關(guān)系。穩(wěn)定性（在目標pH范圍內(nèi)穩(wěn)定）。水溶性或脂溶性（取決于檢測環(huán)境）。3.解析思路：首先定義主客體化學(xué)：指主體分子（通常具有孔道、空腔或特定識別位點）與客體分子（被識別的分子）之間通過非共價作用形成的特定結(jié)合體系。然后舉例說明：如環(huán)糊精（主體）與揮發(fā)性有機物（客體）的結(jié)合；大環(huán)配體（主體）與金屬離子（客體）的結(jié)合。最后說明在傳感器中的應(yīng)用：利用主客體結(jié)合引起的顏色變化、熒光變化、電化學(xué)信號變化等來檢測客體分子。4.解析思路：首先說明電化學(xué)傳感原理：分析物在電極表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)（或與電極發(fā)生電子轉(zhuǎn)移），導(dǎo)致電極電位、電流或電導(dǎo)發(fā)生變化。然后解釋信號轉(zhuǎn)換：這些電學(xué)變化可以通過電化學(xué)儀器（如伏安計、電導(dǎo)率儀）檢測到，從而實現(xiàn)對分析物的定量檢測?？梢院唵翁峒俺Ｒ婎愋停喝缪趸€原傳感、電導(dǎo)傳感、電位傳感等。四、論述題1.解析思路：*設(shè)計思路：首選一個對Cl?響應(yīng)明顯的識別單元（如帶有N-硫脲基團、鄰位取代的二胺類、或特定配位的金屬離子）。其次選擇一個合適的熒光團作為信號轉(zhuǎn)換單元，并確保其與識別單元有一定空間位阻以在自由狀態(tài)下有熒光，或在識別Cl?后發(fā)生熒光變化。識別單元與熒光團需要通過化學(xué)鍵或非共價作用有效連接。最后考慮引入顯色基團（如酚酞類）以增強可視化效果。*信號轉(zhuǎn)換機制：舉例說明幾種可能的機制：*熒光增強型：識別單元與Cl?結(jié)合后，通過空間位阻減小、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）效率降低或形成更穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)復(fù)合物等，導(dǎo)致熒光猝滅減弱，熒光強度增強。*熒光猝滅型：Cl?的引入導(dǎo)致識別單元結(jié)構(gòu)變化或生成了非熒光或弱熒光物種，從而使熒光強度降低。*比色型：Cl?與識別單元結(jié)合引起共軛體系變化或金屬離子發(fā)生配位狀態(tài)改變，導(dǎo)致吸收光譜發(fā)生紅移或藍移，或產(chǎn)生新的吸收峰，使溶液顏色發(fā)生明顯變化（如由無色變?yōu)榉奂t色）。2.解析思路：*MOFs優(yōu)點：結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強，孔道環(huán)境可調(diào)控（尺寸、化學(xué)環(huán)境），可實現(xiàn)高負載量，易于功能化修飾，比表面積大，選擇性潛力高。*MOFs缺點：穩(wěn)定性（熱、光、化學(xué)）可能不如傳統(tǒng)無機材料，部分MOFs在水溶液或生物環(huán)境中的穩(wěn)定性有限，合成條件可能較苛刻，規(guī)模化生產(chǎn)成本相對較高。*傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體優(yōu)點：穩(wěn)定性通常較好（耐高溫、化學(xué)惰性），制備方法成熟，成本較低，易于加工。*傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體缺點：結(jié)構(gòu)均一性、比表面積通常較小，孔道選擇性差（通常為物理吸附），功能化程度相對較低，難以實現(xiàn)高度精密的分子識別。3.解析思路：（以下提供一個示例，可根據(jù)興趣選擇其他分析物）*分析物：乙醇（GasSensor）*設(shè)計概念：設(shè)計一個基于導(dǎo)電聚合物（如聚苯胺，PANI）的乙醇選擇性好、靈敏度高的電化學(xué)傳感器。*設(shè)計依據(jù)：*選擇導(dǎo)電聚合物PANI作為傳感材料，利用其良好的導(dǎo)電性直接將乙醇氧化產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)化為可測量的電流信號。*通過在PANI主鏈上引入對乙醇分子有強吸附能力或能與乙醇發(fā)生特定相互作用的基團（如含氧官能團、含氮雜環(huán)），增強PANI對乙醇分子的選擇性吸附。*考慮將PANI材料進行納米化處理（如納米線、納米纖維）或構(gòu)建復(fù)合材料（如PANI/石墨烯），以增加材料比表面積，提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。*預(yù)期傳感機制：乙醇氣體擴散