2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程的研究方法考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述紫外-可見分光光度法的基本原理，并說明其在分子科學(xué)與工程中至少三種不同的應(yīng)用。二、比較高效液相色譜（HPLC）和氣相色譜（GC）在分離原理、適用樣品類型、主要儀器構(gòu)成及優(yōu)缺點(diǎn)方面的主要區(qū)別。三、簡(jiǎn)要描述透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）的工作原理，并說明它們?cè)谟^察樣品形貌和結(jié)構(gòu)時(shí)的主要差異及適用場(chǎng)景。四、X射線衍射（XRD）技術(shù)可以用于哪些方面的材料結(jié)構(gòu)分析？請(qǐng)列舉至少三種，并簡(jiǎn)述其基本原理。五、解釋什么是核磁共振（NMR）譜，并說明化學(xué)位移、峰面積和偶合裂分這三個(gè)參數(shù)分別提供了關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的哪些信息。六、在進(jìn)行分子相互作用研究時(shí)，熒光光譜法和表面等離子體共振（SPR）技術(shù)各有何優(yōu)勢(shì)和局限性？請(qǐng)分別闡述。七、計(jì)算題。已知某溶液在波長(zhǎng)λ=260nm處的吸光度A=0.500，該化合物的摩爾吸光系數(shù)ε=1.8×10^4L/，溶液的路徑長(zhǎng)度b=1.0cm。請(qǐng)計(jì)算該溶液中該化合物的濃度c（單位：mol/L）。八、假設(shè)你需要表征一種新型無機(jī)納米材料的晶體結(jié)構(gòu)和形貌，你會(huì)選擇哪些研究方法？請(qǐng)說明選擇這些方法的原因，并簡(jiǎn)要描述如何利用這些方法獲得所需信息。九、簡(jiǎn)述分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬的基本思想和步驟，并說明其在分子設(shè)計(jì)與材料性能預(yù)測(cè)方面有哪些應(yīng)用。十、結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，論述在分子科學(xué)與工程研究中，理解并恰當(dāng)選擇研究方法的重要性。試卷答案一、原理：紫外-可見分光光度法基于物質(zhì)對(duì)波長(zhǎng)在200-800nm范圍內(nèi)的紫外光和可見光的吸收特性進(jìn)行定量分析。當(dāng)光束通過均勻的溶液時(shí)，部分光被溶液中的有色或具有共軛體系的化合物吸收，根據(jù)朗伯-比爾定律（A=εbc），吸光度（A）與物質(zhì)的濃度（c）和光程長(zhǎng)度（b）成正比，摩爾吸光系數(shù)（ε）是比例常數(shù)，反映了物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)光的吸收能力。應(yīng)用：1.定量分析：測(cè)定溶液中特定分析物的濃度，如檢測(cè)生物樣品中的蛋白質(zhì)、核酸，藥物制劑的含量測(cè)定等。2.結(jié)構(gòu)鑒定：通過分析化合物的紫外-可見光譜圖，判斷分子是否含有共軛體系、芳香環(huán)等生色團(tuán)，以及共軛程度、取代基的影響等，輔助進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)鑒定。3.動(dòng)力學(xué)研究：監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)物或產(chǎn)物的濃度隨時(shí)間的變化，通過測(cè)量吸光度的變化速率，研究反應(yīng)速率常數(shù)和機(jī)理。二、比較：1.分離原理：HPLC基于混合物中各組分在固定相和流動(dòng)相間分配系數(shù)的差異進(jìn)行分離；GC基于混合物中各組分在氣相和固定相間分配系數(shù)的差異進(jìn)行分離。2.適用樣品類型：GC適用于分析沸點(diǎn)較低、揮發(fā)性較強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好的樣品；HPLC適用于分析沸點(diǎn)較高、極性較強(qiáng)、熱不穩(wěn)定、不揮發(fā)性樣品，包括離子型化合物、大分子（蛋白質(zhì)、多糖）等。3.主要儀器構(gòu)成：GC主要包括氣源、進(jìn)樣器、分離柱、檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；HPLC主要包括泵、進(jìn)樣器、色譜柱、檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。4.優(yōu)缺點(diǎn)：*HPLC：優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣，可分析多種類型化合物；缺點(diǎn)是儀器較復(fù)雜，運(yùn)行成本相對(duì)較高。*GC：優(yōu)點(diǎn)是分離效率高，檢測(cè)器靈敏度高，適用于揮發(fā)性樣品；缺點(diǎn)是只能分析揮發(fā)性樣品，對(duì)高沸點(diǎn)、熱不穩(wěn)定化合物不適用。三、TEM原理：利用電子束代替光束，通過樣品相互作用后電子透射或被二次電子、背散射電子等信號(hào)成像。電子波長(zhǎng)短，具有很高的分辨率，可以在原子尺度上觀察樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)。SEM原理：利用聚焦的高能電子束掃描樣品表面，通過檢測(cè)電子束與樣品表面相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等信號(hào)來成像樣品表面形貌。差異與適用場(chǎng)景：1.分辨率：TEM分辨率高于SEM。2.成像模式：TEM主要獲得樣品內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像；SEM主要獲得樣品表面的形貌圖像。3.樣品要求：TEM樣品需制備成極薄切片（納米到微米級(jí)）；SEM樣品制備相對(duì)簡(jiǎn)單，可直接觀察塊狀、粉末、薄膜等，對(duì)樣品尺寸和導(dǎo)電性有一定要求（常需噴金）。適用場(chǎng)景：*TEM：觀察晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、原子排列、納米材料的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)等。*SEM：觀察材料斷口形貌、顆粒大小與分布、表面粗糙度、涂層結(jié)構(gòu)、微生物形態(tài)等。四、XRD應(yīng)用：1.晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定：確定無機(jī)、有機(jī)晶體或準(zhǔn)晶體的原子排列方式、晶胞參數(shù)和空間群。2.物相鑒定：通過與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫比對(duì)衍射圖譜，識(shí)別樣品中存在的物相種類。3.結(jié)晶度測(cè)定：評(píng)估無定形或混合物中結(jié)晶部分所占的百分比。原理：當(dāng)一束X射線照射到晶體上時(shí)，由于晶體點(diǎn)陣的周期性排列，會(huì)發(fā)生布拉格衍射，產(chǎn)生一系列在特定方向上強(qiáng)度不同的衍射斑點(diǎn)或衍射峰。通過測(cè)量衍射峰的位置（2θ角）和強(qiáng)度，可以反推晶體的結(jié)構(gòu)信息。五、NMR譜：核磁共振譜是利用原子核在強(qiáng)磁場(chǎng)中的核自旋行為，通過射頻脈沖激發(fā)和探測(cè)，得到的反映分子中原子核（主要是1H和13C）化學(xué)環(huán)境信息的圖譜。信息：1.化學(xué)位移（δ）：反映了分子中氫（或碳）原子所處的化學(xué)環(huán)境?；瘜W(xué)環(huán)境不同的原子核，其共振頻率相對(duì)于參考標(biāo)準(zhǔn)（通常為TMS）的偏移值不同?；瘜W(xué)位移主要與原子核周圍的電子云密度、electronegativity環(huán)境以及相鄰原子核的磁耦合有關(guān)，可用于推斷官能團(tuán)、確定化學(xué)結(jié)構(gòu)。2.峰面積：在積分峰寬為零的條件下，NMR譜中某個(gè)化學(xué)位移處的峰面積（或積分值）與該化學(xué)位移處原子核的數(shù)量（或化學(xué)等價(jià)氫/碳的數(shù)量）成正比。根據(jù)峰面積比可以確定分子式或不同類型氫（或碳）原子數(shù)量的比例。3.偶合裂分（裂分峰）：當(dāng)相鄰原子核（自旋量子數(shù)I≠0）存在磁偶合作用時(shí)，一個(gè)原子核的共振信號(hào)會(huì)分裂成多個(gè)峰（n+1規(guī)則，n為相鄰等價(jià)原子核的數(shù)量）。裂分峰的相對(duì)強(qiáng)度（如二重峰的1:1，三重峰的1:2:1等）反映了相鄰不同化學(xué)位移的原子核數(shù)量比。偶合裂分提供了分子內(nèi)部原子核之間連接關(guān)系（化學(xué)等價(jià)性）的信息，有助于構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)。六、熒光光譜法：優(yōu)勢(shì)：靈敏度高，檢測(cè)限低；技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，儀器成本相對(duì)較低；可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)力學(xué)研究；樣品無需復(fù)雜預(yù)處理；可進(jìn)行熒光猝滅法、能量轉(zhuǎn)移法等多種分析。局限性：只適用于具有熒光性質(zhì)的分子；熒光信號(hào)易受環(huán)境因素（pH、溫度、溶劑極性、熒光猝滅劑）干擾；定量分析時(shí)需考慮熒光猝滅和自吸光效應(yīng)；熒光強(qiáng)度與濃度關(guān)系有時(shí)不遵循朗伯-比爾定律（尤其在濃度較高時(shí)）。SPR技術(shù)：優(yōu)勢(shì)：可實(shí)現(xiàn)生物分子（如抗原-抗體、酶-底物、蛋白質(zhì)-配體）在接近生理?xiàng)l件下的實(shí)時(shí)、原位、等溫分析；可直接測(cè)量生物相互作用的熱力學(xué)參數(shù)（親和力、解離常數(shù)、焓變?chǔ)、熵變?chǔ)）；儀器可自動(dòng)化，通量較高。局限性：儀器成本較高；對(duì)樣品純度要求高；分析過程相對(duì)較慢（通常幾分鐘到幾十分鐘）；對(duì)非生物分子相互作用的應(yīng)用不如光譜法廣泛。七、計(jì)算過程：根據(jù)朗伯-比爾定律A=εbc，整理得c=A/(εb)。代入數(shù)值：c=0.500/(1.8×10^4L/(mol·cm)×1.0cm)=0.500/1.8×10^4mol/L=2.78×10^-5mol/L。八、選擇方法：1.X射線衍射（XRD）：用于表征材料的晶體結(jié)構(gòu)。通過XRD圖譜可以獲得晶體的物相組成、晶胞參數(shù)、晶粒尺寸等信息。2.掃描電子顯微鏡（SEM）：用于觀察材料的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)。通過SEM圖像可以了解材料的顆粒大小、形狀、分布、表面紋理等。3.透射電子顯微鏡（TEM）：如果需要更精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，如晶粒內(nèi)部缺陷、析出相、原子尺度結(jié)構(gòu)等，可以選擇TEM。4.X射線光電子能譜（XPS）：如果需要了解材料的表面元素組成和化學(xué)態(tài)（價(jià)態(tài)），可以采用XPS。5.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）：用于鑒定材料中的化學(xué)官能團(tuán)，輔助判斷化學(xué)成分。獲取信息思路：*XRD：收集XRD數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫對(duì)比識(shí)別物相，通過峰寬分析晶粒尺寸，通過峰強(qiáng)分布分析相含量。*SEM：觀察SEM圖像，測(cè)量顆粒尺寸分布，分析顆粒形貌和堆積狀態(tài)，評(píng)估表面粗糙度。*TEM：觀察TEM圖像，分析晶格條紋（晶體結(jié)構(gòu)），識(shí)別缺陷類型，觀察納米顆粒的精細(xì)結(jié)構(gòu)。*XPS：獲取XPS譜圖，確定表面元素種類和含量，通過結(jié)合能峰位判斷元素的化學(xué)態(tài)。*FTIR：獲取FTIR譜圖，識(shí)別特征吸收峰，對(duì)應(yīng)特定的化學(xué)鍵或官能團(tuán)，推斷材料的基本化學(xué)構(gòu)成。九、基本思想：分子動(dòng)力學(xué)模擬是基于經(jīng)典力學(xué)（牛頓運(yùn)動(dòng)定律）的計(jì)算機(jī)模擬方法。它通過求解系統(tǒng)中所有原子或分子的運(yùn)動(dòng)方程，逐步模擬它們?cè)谝欢螘r(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而獲得系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)信息。模擬的核心是采用力場(chǎng)來描述原子或分子間的相互作用勢(shì)能。步驟：1.系統(tǒng)構(gòu)建：根據(jù)研究目標(biāo)，構(gòu)建包含目標(biāo)分子或材料的原子模型（如晶體、非晶、溶液）。2.力場(chǎng)選擇：選擇或建立合適的力場(chǎng)來描述原子間的相互作用。3.初始化：為系統(tǒng)中的所有原子賦予初始位置和速度（通?；跓崃W(xué)平衡分布，如NVT系綜或NPT系綜）。4.模擬運(yùn)行：在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用數(shù)值積分方法（如Verlet算法）逐步求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程，記錄原子軌跡。在此過程中，通常會(huì)施加周期性邊界條件以模擬無限大系統(tǒng)，并可能進(jìn)行溫度和/或壓力的控溫控壓。5.數(shù)據(jù)分析：對(duì)收集到的軌跡數(shù)據(jù)或穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算系統(tǒng)的各種性質(zhì)，如能量、力、徑向分布函數(shù)（RDF）、構(gòu)象分布、擴(kuò)散系數(shù)、振動(dòng)頻率等。6.結(jié)果解讀與驗(yàn)證：解析模擬結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論計(jì)算進(jìn)行比較，驗(yàn)證模擬方法的可靠性，并用于預(yù)測(cè)材料性能或理解分子行為。應(yīng)用：1.分子設(shè)計(jì)：預(yù)測(cè)新分子的構(gòu)象、穩(wěn)定性、反應(yīng)路徑和能量。2.材料性能預(yù)測(cè)：模擬材料的力學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、輸運(yùn)性質(zhì)等，輔助材料設(shè)計(jì)和篩選。3.分子識(shí)別：研究生物大分子（如蛋白質(zhì)、DNA）與小分子的結(jié)合過程和機(jī)制。4.催化機(jī)理研究：模擬反應(yīng)物在催化劑表面的吸附、反應(yīng)和脫附過程。十、在分子科學(xué)與工程研究中，恰當(dāng)選擇研究方法是至關(guān)重要的。首先，不同的研究目標(biāo)需要不同的研究手段。例如，要測(cè)定物質(zhì)的含量，可能選擇光譜法或色譜法；要觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，則可能需要顯微鏡或衍射技術(shù)；要研究分子間的相互作用，則可能用到表面分析或光譜探針技術(shù)。其次，各種研究方法都有其局限性，如靈敏度、分辨率、樣品狀