2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——化學(xué)生物傳感器信號(hào)處理技術(shù)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)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在化學(xué)生物傳感器中，下列哪一項(xiàng)通常不是其核心組成部分？(A)敏感元件(B)生物識(shí)別界面(C)信號(hào)放大電路(D)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2.對(duì)于基于酶催化的電化學(xué)生物傳感器，提高其靈敏度的常用方法之一是利用酶的二次催化，這屬于哪種信號(hào)放大方式？(A)非酶催化放大(B)介體再生放大(C)電荷積累放大(D)場(chǎng)效應(yīng)放大3.在生物電信號(hào)測(cè)量中，為了消除工頻干擾，最常用的無(wú)源濾波方法是？(A)有源高通濾波器(B)陷波濾波器(C)低通巴特沃斯濾波器(D)積分器4.某熒光免疫傳感器檢測(cè)到的是抗原與抗體結(jié)合后引起的熒光強(qiáng)度變化，這種信號(hào)變化通常與哪種物理過(guò)程相關(guān)？(A)電阻變化(B)電容變化(C)吸收光譜紅移(D)熒光共振能量轉(zhuǎn)移5.在微弱信號(hào)檢測(cè)中，為了提高信噪比（SNR），常用的信號(hào)平均技術(shù)是？(A)均值濾波(B)積分法(C)采樣保持(D)相關(guān)分析法6.DNA序列檢測(cè)中，使用分子印跡聚合物（MIP）作為敏感元件時(shí)，其識(shí)別位點(diǎn)與目標(biāo)DNA分子的結(jié)合通?；冢?A)酶促反應(yīng)(B)免疫反應(yīng)(C)堿基互補(bǔ)配對(duì)(D)離子選擇性7.將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為？(A)放大(B)濾波(C)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）(D)解調(diào)8.在壓電免疫傳感器中，當(dāng)抗原抗體結(jié)合導(dǎo)致表面質(zhì)量變化時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)主要是？(A)電壓信號(hào)(B)電流信號(hào)(C)頻率或振幅變化(D)光強(qiáng)變化9.信號(hào)處理中，濾波器的“截止頻率”指的是？(A)完全阻止信號(hào)通過(guò)的頻率(B)信號(hào)功率下降到最大值一半時(shí)的頻率(C)濾波器開始工作的最低頻率(D)濾波器開始失效的最高頻率10.下列哪項(xiàng)技術(shù)通常不直接用于化學(xué)生物傳感器信號(hào)的噪聲抑制？(A)硬件接地屏蔽(B)數(shù)字信號(hào)處理中的小波變換(C)信號(hào)平均法(D)提高傳感器的信噪比指標(biāo)二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.化學(xué)生物傳感器的核心在于其__________，它負(fù)責(zé)特異性地識(shí)別目標(biāo)生物分子。2.信號(hào)處理單元是傳感器中將微弱敏感元件產(chǎn)生的__________轉(zhuǎn)換為可測(cè)量或可處理的信號(hào)的部件。3.在電化學(xué)傳感器中，三電極體系通常包括工作電極、參比電極和__________電極，以實(shí)現(xiàn)有效的電信號(hào)測(cè)量和噪聲抑制。4.為了測(cè)量生物電信號(hào)時(shí)不受電極電位漂移的影響，常采用__________參比電極。5.光學(xué)傳感器中，利用目標(biāo)物與指示劑相互作用引起熒光強(qiáng)度變化的檢測(cè)方法，其信號(hào)放大可能涉及__________級(jí)聯(lián)反應(yīng)。6.壓電傳感器的壓電效應(yīng)是指材料在受到__________作用時(shí)產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象。7.數(shù)字信號(hào)處理中的__________濾波器能夠同時(shí)抑制高通和低通頻率成分的噪聲。8.傳感器性能指標(biāo)中的__________是指?jìng)鞲衅鲗?duì)目標(biāo)物產(chǎn)生響應(yīng)的快慢程度。9.利用酶作為生物識(shí)別元件時(shí)，酶的催化活性通常與目標(biāo)物的濃度相關(guān)，這種信號(hào)轉(zhuǎn)換方式是基于__________的原理。10.隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，將人工智能算法，如__________，應(yīng)用于生物傳感器信號(hào)處理以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別和數(shù)據(jù)分析，已成為一個(gè)重要趨勢(shì)。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.信號(hào)放大2.噪聲抑制3.模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）4.酶?jìng)鞲衅?.信噪比（SNR）四、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述電化學(xué)放大技術(shù)在提高生物傳感器靈敏度方面常用的兩種方法及其原理。2.在生物傳感器信號(hào)處理中，濾波電路的作用是什么？常遇到哪些類型的噪聲需要濾波？3.解釋什么是分子印跡技術(shù)，并簡(jiǎn)述其在構(gòu)建生物傳感器敏感元件方面的優(yōu)勢(shì)。4.闡述將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換）在生物傳感器信號(hào)處理中的必要性和主要考慮因素。五、論述題（每小題10分，共20分）1.試論述生物傳感器信號(hào)處理中噪聲的主要來(lái)源，并針對(duì)其中兩種不同的噪聲類型，分別提出有效的抑制策略。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述信號(hào)處理技術(shù)（如信號(hào)調(diào)理、濾波、解調(diào)、數(shù)據(jù)處理等）在優(yōu)化化學(xué)生物傳感器性能方面所起的關(guān)鍵作用。---試卷答案一、選擇題1.(D)2.(B)3.(B)4.(C)5.(D)6.(C)7.(C)8.(C)9.(B)10.(D)二、填空題1.生物識(shí)別界面2.信號(hào)3.對(duì)電極4.體外5.多6.機(jī)械應(yīng)力或壓力7.帶通8.響應(yīng)時(shí)間9.催化作用10.機(jī)器學(xué)習(xí)三、名詞解釋1.信號(hào)放大：指利用放大電路或化學(xué)反應(yīng)等手段，將微弱、難以檢測(cè)的傳感器原始信號(hào)（如微弱電流、電壓或光信號(hào)）轉(zhuǎn)換為幅度更大、更容易測(cè)量和分析的信號(hào)的過(guò)程。2.噪聲抑制：指在信號(hào)處理過(guò)程中，采用各種技術(shù)手段（如濾波、屏蔽、算法處理等）消除或減弱傳感器信號(hào)中不需要的干擾成分（噪聲），以提高信號(hào)質(zhì)量或信噪比的操作。3.模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）：將連續(xù)變化的模擬信號(hào)（如電壓或電流）轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量表示的過(guò)程，是模擬信號(hào)處理與數(shù)字系統(tǒng)（如計(jì)算機(jī)、微控制器）交互的必要環(huán)節(jié)。4.酶?jìng)鞲衅鳎阂悦缸鳛樯镒R(shí)別元件，將生物分子（如酶底物或其抑制劑）的濃度變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)或其他物理信號(hào)的一種生物傳感器。5.信噪比（SNR）：指信號(hào)功率（或幅度）與噪聲功率（或幅度）之比，通常用分貝（dB）表示。它是衡量傳感器輸出信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)，信噪比越高，表示信號(hào)越純凈，受噪聲干擾越小。四、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述電化學(xué)放大技術(shù)在提高生物傳感器靈敏度方面常用的兩種方法及其原理。*酶催化放大：利用酶的高效催化特性，使目標(biāo)物反應(yīng)產(chǎn)生大量能產(chǎn)生電信號(hào)的中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的級(jí)聯(lián)放大。例如，在酶免疫傳感器中，酶催化顯色反應(yīng)或產(chǎn)生電活性物質(zhì)，酶的活性受限于目標(biāo)抗原抗體結(jié)合狀態(tài)，從而將微量的目標(biāo)物信號(hào)放大。*介體再生放大：在某些電化學(xué)生物傳感器（如基于氧化還原酶的傳感器）中，酶催化反應(yīng)需要電化學(xué)介體參與。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的介體再生體系（如利用酶連續(xù)氧化或還原輔助因子），使介體能夠循環(huán)利用，從而提高酶的催化效率，放大生物識(shí)別信號(hào)。原理是利用酶促反應(yīng)循環(huán)產(chǎn)生或再生電活性介體，提高了傳感器的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度。2.在生物傳感器信號(hào)處理中，濾波電路的作用是什么？常遇到哪些類型的噪聲需要濾波？*作用：濾波電路的主要作用是從傳感器信號(hào)中去除不需要的頻率成分，即噪聲或干擾信號(hào)，同時(shí)盡量保留有用信號(hào)的主要頻率信息，從而提高信號(hào)的質(zhì)量和信噪比，使后續(xù)的信號(hào)處理和分析更加準(zhǔn)確可靠。*噪聲類型：常遇到的噪聲類型包括：*工頻干擾（50Hz或60Hz的電網(wǎng)干擾）。*高頻噪聲（來(lái)自電子設(shè)備、電磁輻射等）。*低頻漂移（如電極電位緩慢變化、環(huán)境溫度變化引起的信號(hào)緩慢移動(dòng)）。*白噪聲（頻譜均勻分布的隨機(jī)噪聲）。*生物噪聲（如心肌電活動(dòng)、呼吸引起的信號(hào)變化）。3.解釋什么是分子印跡技術(shù)，并簡(jiǎn)述其在構(gòu)建生物傳感器敏感元件方面的優(yōu)勢(shì)。*解釋：分子印跡技術(shù)是一種通過(guò)模板分子（目標(biāo)識(shí)別物）的存在，在功能單體和交聯(lián)劑等前驅(qū)體存在下形成具有特定識(shí)別位點(diǎn)的聚合物的技術(shù)。去除模板分子后，該位點(diǎn)就具有了與模板分子互補(bǔ)的尺寸、形狀和化學(xué)環(huán)境，能夠特異性地識(shí)別模板分子。*優(yōu)勢(shì)：*特異性強(qiáng)：印跡位點(diǎn)與模板分子具有高度特異性識(shí)別能力，抗干擾性好。*穩(wěn)定性高：聚合物基質(zhì)穩(wěn)定，傳感器可以重復(fù)使用或長(zhǎng)期儲(chǔ)存。*易于制備：可以通過(guò)多種方法制備不同類型的分子印跡聚合物敏感膜。*適用范圍廣：可用于識(shí)別各種有機(jī)小分子、生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸）等。4.闡述將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換）在生物傳感器信號(hào)處理中的必要性和主要考慮因素。*必要性：*便于計(jì)算機(jī)處理：現(xiàn)代信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)主要基于數(shù)字系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)進(jìn)入數(shù)字處理領(lǐng)域的前提。*抗干擾能力強(qiáng)：數(shù)字信號(hào)不易受噪聲影響，便于長(zhǎng)距離傳輸和多次復(fù)制。*易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法：數(shù)字信號(hào)處理可以實(shí)現(xiàn)濾波、特征提取、模式識(shí)別等復(fù)雜的算法功能。*便于存儲(chǔ)和通信：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)易于用存儲(chǔ)器和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。*主要考慮因素：*分辨率：決定轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)的精度，即能分辨的最小信號(hào)變化量。*采樣率：根據(jù)奈奎斯特定理，采樣率需至少為信號(hào)最高頻率成分的兩倍，以避免混疊失真。*轉(zhuǎn)換時(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換完成所需的時(shí)間，影響信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。*線性度：實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想線性特性的偏差程度。*噪聲性能：ADC自身引入的噪聲水平。五、論述題1.試論述生物傳感器信號(hào)處理中噪聲的主要來(lái)源，并針對(duì)其中兩種不同的噪聲類型，分別提出有效的抑制策略。*主要噪聲來(lái)源：*傳感器內(nèi)部噪聲：來(lái)自敏感元件本身（如熱噪聲、散粒噪聲、離子噪聲）、電極過(guò)程噪聲、放大電路自生噪聲等。*生物識(shí)別界面噪聲：如生物分子非特異性吸附、酶/抗體結(jié)合動(dòng)力學(xué)非理想、表面狀態(tài)不穩(wěn)定引起的信號(hào)波動(dòng)。*信號(hào)傳輸噪聲：信號(hào)在放大、傳輸過(guò)程中受到的干擾，如電纜噪聲、電磁干擾。*環(huán)境噪聲：溫度變化、濕度變化、光照變化、工頻干擾等外部環(huán)境因素引起的信號(hào)擾動(dòng)。*數(shù)據(jù)處理噪聲：在數(shù)字信號(hào)處理階段，由濾波、量化、算法本身引入的誤差。*抑制策略：*針對(duì)工頻干擾（周期性干擾）：采用陷波濾波器（NotchFilter），該濾波器能在特定頻率（如50Hz或60Hz）處提供極深的衰減，有效消除工頻干擾，同時(shí)對(duì)鄰近頻率信號(hào)影響較小。*針對(duì)隨機(jī)熱噪聲（白噪聲）：采用低通濾波器（Low-passFilter），如巴特沃斯濾波器或切比雪夫?yàn)V波器。低通濾波器允許低頻有用信號(hào)通過(guò)，同時(shí)衰減高頻噪聲（包括熱噪聲），從而提高信噪比。濾波器的截止頻率需根據(jù)有用信號(hào)的主要頻率范圍合理選擇。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述信號(hào)處理技術(shù)（如信號(hào)調(diào)理、濾波、解調(diào)、數(shù)據(jù)處理等）在優(yōu)化化學(xué)生物傳感器性能方面所起的關(guān)鍵作用。*信號(hào)調(diào)理：是信號(hào)處理的第一步，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大、偏置、線性化等操作，使其適合后續(xù)處理。例如，在酶?jìng)鞲衅鞯男盘?hào)處理中，酶催化產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)通常需要經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)行增益放大，才能驅(qū)動(dòng)下一級(jí)電路或ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否則信號(hào)過(guò)小難以檢測(cè)。信號(hào)調(diào)理確保了信號(hào)在有效范圍內(nèi)，是后續(xù)處理的基礎(chǔ)。*濾波：用于去除噪聲和干擾，提高信噪比。例如，在電化學(xué)傳感器中，目標(biāo)分析物產(chǎn)生的信號(hào)可能伴隨著高頻噪聲（來(lái)自電源或電子設(shè)備）和低頻漂移（來(lái)自電極電位不穩(wěn)定）。通過(guò)施加適當(dāng)?shù)臑V波（如帶通濾波去除特定頻率噪聲，低通濾波去除漂移），可以顯著提高信號(hào)的清晰度和測(cè)量的準(zhǔn)確性。*信號(hào)解調(diào)：將傳感器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為解調(diào)后的信息。例如，在熒光免疫傳感器中，抗原抗體結(jié)合導(dǎo)致熒光強(qiáng)度變化，但檢測(cè)到的通常是熒光信號(hào)的峰值或積分面積，這本身就是一種解調(diào)過(guò)程，反映了結(jié)合量。在表面等離子體共振（SPR）傳感器中，目標(biāo)物吸附導(dǎo)致折射率變化，引起共振波長(zhǎng)偏移，通過(guò)檢測(cè)和記錄共振波長(zhǎng)的變化量，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附