2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——碳納米管在傳感器中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪種材料不屬于碳納米管的基本分類？A.單壁碳納米管B.雙壁碳納米管C.多壁碳納米管D.石墨烯2.電弧放電法制備碳納米管的主要原料是？A.甲烷B.鋁粉C.碳棒D.鎳粉3.碳納米管的導(dǎo)電性主要與其哪種結(jié)構(gòu)有關(guān)？A.管徑B.手性C.碳碳鍵長D.以上都是4.下列哪種現(xiàn)象不是碳納米管獨特的力學(xué)性質(zhì)？A.高強度B.高彈性C.超導(dǎo)性D.輕質(zhì)5.碳納米管傳感器中，利用其導(dǎo)電性變化來檢測氣體的是？A.光學(xué)傳感器B.電化學(xué)傳感器C.壓電傳感器D.生物傳感器6.下列哪種氣體不適合用碳納米管傳感器進(jìn)行檢測？A.一氧化碳B.甲醛C.氧氣D.臭氧7.碳納米管場效應(yīng)晶體管（FET）傳感器主要用于檢測？A.氣體B.液體C.固體D.生物分子8.碳納米管在生物傳感器中的應(yīng)用主要利用其？A.導(dǎo)電性B.光學(xué)性質(zhì)C.力學(xué)性質(zhì)D.吸附性9.下列哪種方法不屬于碳納米管傳感器的表面功能化？A.化學(xué)修飾B.物理吸附C.離子交換D.熱氧化10.碳納米管傳感器目前面臨的主要挑戰(zhàn)是？A.成本過高B.靈敏度不足C.選擇性差D.以上都是二、填空題（每空1分，共15分）1.碳納米管是由碳原子組成的______________結(jié)構(gòu)。2.化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備碳納米管的關(guān)鍵反應(yīng)物是______________。3.碳納米管傳感器的工作原理基于碳納米管與待測物之間的______________相互作用。4.碳納米管場效應(yīng)晶體管（FET）傳感器中，溝道導(dǎo)電性的變化取決于______________。5.碳納米管氣體傳感器通常需要經(jīng)過______________處理以提高其靈敏度和選擇性。6.碳納米管在生物傳感器中可以作為______________或______________。7.碳納米管傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用主要包括______________和______________。8.碳納米管傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用主要包括______________和______________。9.為了提高碳納米管傳感器的穩(wěn)定性，通常需要對其進(jìn)行______________處理。10.碳納米管傳感器未來的發(fā)展方向包括提高_(dá)_____________、______________和______________。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述碳納米管的分類及其結(jié)構(gòu)特點。2.簡述電弧放電法制備碳納米管的原理及其優(yōu)缺點。3.簡述碳納米管在電學(xué)傳感器中的應(yīng)用原理。4.簡述碳納米管傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用實例。四、計算題（10分）假設(shè)一個碳納米管場效應(yīng)晶體管（FET）的溝道長度為10納米，寬度為100納米。當(dāng)gate電壓為0伏時，溝道電流為0.1微安；當(dāng)gate電壓為1伏時，溝道電流為1微安。請計算該碳納米管FET的conductance求解該碳納米管FET的conductance。五、論述題（25分）論述碳納米管傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用前景，并分析其面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.D4.C5.B6.C7.A8.A9.D10.D二、填空題1.圓柱2.碳源3.物理/化學(xué)4.樣本濃度5.功能化6.識別元件；載流子7.氣體檢測；水質(zhì)檢測8.疾病診斷；藥物輸送9.穩(wěn)定化10.靈敏度；選擇性；穩(wěn)定性三、簡答題1.答：碳納米管主要分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT由單層碳原子構(gòu)成，具有空心的圓柱形結(jié)構(gòu)；MWCNT由多層同軸的碳原子層構(gòu)成，類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)。碳納米管的管徑、手性等結(jié)構(gòu)參數(shù)對其物理化學(xué)性質(zhì)有顯著影響。解析思路：考察對碳納米管基本分類和結(jié)構(gòu)的掌握?；卮鹦枰琒WCNT和MWCNT的定義和結(jié)構(gòu)特點。2.答：電弧放電法是在碳電極之間產(chǎn)生電弧放電，高溫使碳蒸發(fā)并沉積在陰極附近形成碳納米管。該方法的優(yōu)點是產(chǎn)率較高，可以得到較純凈的單壁碳納米管；缺點是設(shè)備復(fù)雜，操作難度大，且產(chǎn)物純化困難。解析思路：考察對電弧放電法制備原理及優(yōu)缺點的理解。回答需要包含基本原理和主要優(yōu)缺點。3.答：碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性對環(huán)境變化敏感。在電學(xué)傳感器中，碳納米管作為敏感元件，當(dāng)待測物與碳納米管接觸或吸附在其表面時，會引起碳納米管導(dǎo)電性的改變（如電阻增大或減?。ㄟ^測量這種電學(xué)信號的變化，可以實現(xiàn)對待測物的檢測。解析思路：考察對碳納米管電學(xué)傳感器工作原理的理解?；卮鹦枰忉屘技{米管導(dǎo)電性與待測物相互作用的關(guān)系，以及如何通過電學(xué)信號檢測待測物。4.答：實例包括：利用碳納米管傳感器檢測空氣中的有毒氣體（如一氧化碳、甲醛、氨氣等）；利用碳納米管傳感器檢測水體中的污染物（如重金屬離子、農(nóng)藥、有機污染物等）。這些傳感器通常通過碳納米管的電導(dǎo)率變化來響應(yīng)目標(biāo)污染物。解析思路：考察對碳納米管傳感器在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用實例的了解。回答需要給出具體的氣體或水體污染物例子，并簡述檢測原理。四、計算題答：conductanceG=ΔI/ΔV=(1μA-0.1μA)/(1V-0V)=0.9μA/V=0.9×10^-6A/V=0.9μS解析思路：conductanceG定義為電流I與電壓V的比值。根據(jù)題目給出的數(shù)據(jù)，當(dāng)gate電壓從0V變化到1V時，電流從0.1μA變化到1μA。因此，ΔI=1μA-0.1μA=0.9μA，ΔV=1V-0V=1V。將這兩個值代入conductance的公式即可得到結(jié)果。五、論述題答：碳納米管傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景，例如可用于疾病診斷（如癌細(xì)胞檢測、病原體檢測）、藥物輸送、生物標(biāo)志物檢測等。碳納米管的小尺寸、高表面面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性和生物兼容性使其成為構(gòu)建高靈敏度、高選擇性生物傳感器的理想材料。例如，碳納米管可以與生物分子（如DNA、抗體、酶）結(jié)合，形成生物傳感器，用于檢測特定的生物標(biāo)志物。此外，碳納米管還可以通過功能化修飾，提高其與生物分子的相互作用能力，并增強傳感器的信號響應(yīng)。面臨的挑戰(zhàn)主要包括：如何提高碳納米管傳感器的生物兼容性和穩(wěn)定性，如何降低其制備成本，如何實現(xiàn)多參數(shù)、高通量檢測等。未來的發(fā)展方向包括開發(fā)新型碳納米管材料（如雜化碳納米管、磁性碳納米管等），優(yōu)化傳感器設(shè)計，提高傳感器的靈敏度和選擇