2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——微流控技術(shù)在化學(xué)分析中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.微流控芯片系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)流體精確控制的核心部件通常是？A.檢測(cè)器B.閥門C.通道D.液體2.與宏觀流體相比，微流控系統(tǒng)中流體流動(dòng)通常處于？A.湍流狀態(tài)B.層流狀態(tài)C.臨界流狀態(tài)D.穩(wěn)定流狀態(tài)3.以下哪種技術(shù)通常不用于微流控芯片的制造？A.光刻技術(shù)B.注塑成型C.軟刻蝕技術(shù)D.噴墨打印技術(shù)4.微流控技術(shù)中，“數(shù)字微流控”或“微全流控”的主要優(yōu)勢(shì)在于？A.大規(guī)模并行處理能力B.極低能耗C.高通量分析D.結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單5.在資源化學(xué)樣品分析中，微流控技術(shù)進(jìn)行樣品前處理的主要優(yōu)勢(shì)包括？A.可處理極大量樣品B.可實(shí)現(xiàn)高效、快速、自動(dòng)化的富集和凈化C.對(duì)樣品消耗量巨大D.操作復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)6.以下哪種現(xiàn)象是微流控系統(tǒng)中層流發(fā)生的主要原因？A.流體粘度極大B.通道尺寸極小C.流體流速過高D.系統(tǒng)外部壓力過大7.微流控芯片進(jìn)行分離分析時(shí)，若待分離物質(zhì)在兩相中分配系數(shù)不同，主要利用的原理是？A.離心力場(chǎng)B.電動(dòng)效應(yīng)C.傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力D.相間分配差異8.將微流控技術(shù)與光譜分析、電化學(xué)分析等檢測(cè)手段集成在芯片上，通常稱為？A.微流控樣品前處理B.片上實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip)C.微流控反應(yīng)器D.數(shù)字微流控9.在資源化學(xué)領(lǐng)域，微流控技術(shù)難以應(yīng)用于？A.礦石中微量元素的快速篩查B.復(fù)雜環(huán)境樣品中目標(biāo)資源的在線監(jiān)測(cè)C.微量資源生物浸出過程的實(shí)時(shí)分析D.大規(guī)模工業(yè)化產(chǎn)品的質(zhì)量控制10.微流控芯片需要集成檢測(cè)器，檢測(cè)器的主要功能是？A.控制流體流動(dòng)B.產(chǎn)生流體動(dòng)力C.定量或定性分析流經(jīng)物質(zhì)D.制造微通道二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在題干橫線上）1.微流控系統(tǒng)通常由______、______、______、______和______等基本組件構(gòu)成。2.根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，微流控芯片可以分為______式、______式、______式、______式和______式等。3.微流控技術(shù)因操作在微尺度通道內(nèi)，具有______、______、______等優(yōu)點(diǎn)。4.在資源化學(xué)樣品分析中，微流控技術(shù)可用于樣品的______、______、______和______等環(huán)節(jié)。5.利用______原理，可以實(shí)現(xiàn)帶電粒子在電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)，應(yīng)用于______等領(lǐng)域。6.微流控芯片制造中，常用的材料包括______、______和______等。7.微流控技術(shù)的局限性主要體現(xiàn)在______、______和______等方面。三、名詞解釋（每題3分，共12分。請(qǐng)給出簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的定義）1.層流2.數(shù)字微流控3.片上實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip)4.傳質(zhì)四、簡(jiǎn)答題（每題5分，共10分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題）1.簡(jiǎn)述微流控技術(shù)相較于傳統(tǒng)宏觀化學(xué)分析技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)。2.簡(jiǎn)述微流控芯片進(jìn)行樣品前處理在資源化學(xué)分析中的主要應(yīng)用形式。五、論述題（每題12分，共24分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，全面、深入地回答下列問題）1.結(jié)合資源化學(xué)領(lǐng)域的具體實(shí)例，論述微流控技術(shù)在樣品分析（包括前處理和檢測(cè)）中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。2.設(shè)計(jì)一個(gè)微流控芯片系統(tǒng)，用于模擬和分析資源化學(xué)樣品中某兩種目標(biāo)元素的快速、選擇性分離過程，請(qǐng)簡(jiǎn)述其基本工作原理和關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.A5.B6.B7.D8.B9.D10.C二、填空題1.通道，泵，閥，檢測(cè)器，基質(zhì)/支架2.壓力，重力，真空，電磁，氣壓3.微型化，自動(dòng)化，集成化，高通量，低消耗，快速4.前處理，分離，反應(yīng)，檢測(cè)5.電動(dòng)，電泳6.塑料（如PDMS，PMMA），玻璃，硅7.成本較高，規(guī)?；a(chǎn)難度，生物相容性（針對(duì)生物應(yīng)用）三、名詞解釋1.層流：指流體沿平行且近于平行的流層流動(dòng)，層與層之間幾乎沒有宏觀的相互混合或干擾的流動(dòng)狀態(tài)。在微通道中，由于通道尺寸小，慣性力相對(duì)粘性力很小，容易形成層流。2.數(shù)字微流控：一種微流控技術(shù)，通過在流動(dòng)的流體中引入微氣泡或空化泡，或者利用流體振蕩等方式，將流體分割成大量獨(dú)立的、離散的微流體單元（液滴或微通道），從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行處理、高通量篩選和分析。3.片上實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip)：指將樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等分析步驟集成在一個(gè)微小的芯片（通常尺寸在平方厘米級(jí)別）上的微型化分析系統(tǒng)。微流控芯片是實(shí)現(xiàn)Lab-on-a-Chip的主要技術(shù)之一。4.傳質(zhì)：指物質(zhì)（如溶質(zhì)、反應(yīng)物、產(chǎn)物）從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散或遷移的過程。在微流控系統(tǒng)中，傳質(zhì)過程（如擴(kuò)散、對(duì)流擴(kuò)散）對(duì)反應(yīng)效率、分離效果等至關(guān)重要。四、簡(jiǎn)答題1.答：微流控技術(shù)相較于傳統(tǒng)宏觀化學(xué)分析技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)包括：*微型化與高通量：微型通道大大減少了樣品和試劑的消耗量（低消耗），并允許在相同時(shí)間內(nèi)并行處理多個(gè)樣品（高通量）。*自動(dòng)化與集成化：可將樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等步驟集成在芯片上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，減少人為誤差，提高分析效率（自動(dòng)化，集成化）。*快速與高效：短的通道長(zhǎng)度和高效的傳質(zhì)/反應(yīng)促進(jìn)了過程快速完成（快速）。*高靈敏度：微尺度環(huán)境有利于提高檢測(cè)的靈敏度和選擇性。*在線與便攜：易于與在線監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)合，并開發(fā)成便攜式分析儀器，便于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。*低能耗：尤其是利用重力、壓電或真空等驅(qū)動(dòng)的微流控系統(tǒng)，通常能耗較低。2.答：微流控芯片在資源化學(xué)分析中進(jìn)行樣品前處理的主要應(yīng)用形式包括：*樣品稀釋與混合：在微通道內(nèi)精確控制樣品和稀釋劑的混合比例，實(shí)現(xiàn)高效稀釋或均勻混合。*萃取與富集：利用液-液萃取、固相萃?。⊿PE）等技術(shù)，在芯片上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)元素或化合物的有效分離和富集，提高分析靈敏度。*衍生化：對(duì)樣品中的待測(cè)組分進(jìn)行化學(xué)衍生化處理，以改善其揮發(fā)性、溶解性或檢測(cè)響應(yīng)。*消解：在封閉的微反應(yīng)器中進(jìn)行樣品消解（如酸消解、微波消解），減少樣品揮發(fā)損失，提高安全性。*預(yù)處理：如過濾、離心（模擬）、緩沖液配制、pH調(diào)節(jié)等基礎(chǔ)前處理步驟的微型化。五、論述題1.答：微流控技術(shù)在資源化學(xué)領(lǐng)域樣品分析中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：*快速高效：微型尺度縮短了傳質(zhì)距離，提高了反應(yīng)和分離速度，適合對(duì)時(shí)效性要求高的資源勘探和監(jiān)測(cè)。*低消耗與低成本（相對(duì)）：大幅減少樣品和試劑用量，降低單次分析成本，尤其適用于樣品珍貴的場(chǎng)合。*高靈敏度與選擇性：易于集成高靈敏度檢測(cè)器，并可通過精確控制反應(yīng)條件提高選擇性，利于痕量或伴生元素的檢測(cè)。*自動(dòng)化與集成化：實(shí)現(xiàn)樣品處理和分析的自動(dòng)化，減少人為干擾，提高分析準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。*便攜性與在線分析潛力：易于小型化、集成化，開發(fā)成便攜式或在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，方便野外現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。*模擬與過程優(yōu)化：可用于模擬復(fù)雜反應(yīng)過程（如生物浸出），為資源利用工藝優(yōu)化提供依據(jù)。面臨的挑戰(zhàn)包括：*成本與規(guī)模化：高精尖的芯片制造技術(shù)（如光刻）成本較高，大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟。*復(fù)雜基質(zhì)適應(yīng)性：資源化學(xué)樣品（如礦石、土壤）通常成分復(fù)雜、基質(zhì)干擾嚴(yán)重，如何在微流控系統(tǒng)中有效去除干擾、保證分析的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是一大挑戰(zhàn)。*芯片壽命與可靠性：封閉系統(tǒng)可能存在堵塞、凝固等問題，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和芯片的耐久性有待提高。*標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化：缺乏統(tǒng)一的芯片設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，影響了技術(shù)的推廣和應(yīng)用。*數(shù)據(jù)處理與智能化：大量數(shù)據(jù)需要高效處理和智能分析，與人工智能等技術(shù)的結(jié)合仍需深化。2.答：設(shè)計(jì)一個(gè)用于資源化學(xué)樣品中兩種目標(biāo)元素（假設(shè)為A和B，A易溶于相A，B易溶于相B）快速選擇性分離的微流控芯片系統(tǒng)：基本工作原理：該系統(tǒng)基于液-液萃取或液-固萃取原理，利用兩種目標(biāo)元素在兩個(gè)互不相溶的液相（或固相吸附劑）中的不同分配系數(shù)進(jìn)行分離。通過精確控制兩相的流動(dòng)速率和混合，使樣品流與萃取相在微通道內(nèi)充分接觸，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)元素的選擇性轉(zhuǎn)移。分離后的兩相（或吸附了目標(biāo)物的相）在通道末端分開，分別進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)或收集。關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量：1.通道設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)微通道網(wǎng)絡(luò)，包括進(jìn)樣通道、混合區(qū)、萃取區(qū)（接觸區(qū)）、分離區(qū)、收集區(qū)。通道尺寸需根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)要求優(yōu)化，確保高效混合和接觸?；旌蠀^(qū)可采用T型混合、多段靜態(tài)/動(dòng)態(tài)混合器等設(shè)計(jì)，保證兩相均勻接觸。萃取區(qū)長(zhǎng)度和寬度需足夠長(zhǎng)，保證傳質(zhì)平衡或接近平衡。2.兩相系統(tǒng)選擇：選擇合適的萃取劑（有機(jī)相/水相）和稀釋劑（水相/有機(jī)相），確保目標(biāo)元素A、B在兩相間的選擇性分配（A傾向于進(jìn)入相A，B傾向于進(jìn)入相B），且兩相不互溶，界面張力適中。3.流動(dòng)控制：精確控制樣品流和兩相萃取劑的流速比例，這是影響分離效率的關(guān)鍵?？刹捎脡弘姳?、電磁閥、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）泵或重力驅(qū)動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)精確流體控制。流速需保證足夠的停留時(shí)間，同時(shí)避免混合不均或通道堵塞。4.界面管理：對(duì)于液-液萃取，需考慮界面穩(wěn)定性和傳質(zhì)效率?？杉尤氡砻婊钚詣┓€(wěn)定界面，或優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)促進(jìn)傳質(zhì)。對(duì)于液-固萃取，需選擇合適的吸附材料（如萃取樹脂、固相萃取填料），考慮其對(duì)目標(biāo)元素的吸附容量、選擇性、再生性能和生物相容性（如果涉及生物材料）。5.集成