2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——納米技術(shù)在生物環(huán)境檢測(cè)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)的代表字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種納米材料的尺寸效應(yīng)使其光學(xué)性質(zhì)（如吸收光譜）隨尺寸變化顯著？A.納米線B.量子點(diǎn)C.碳納米管D.薄膜2.在生物環(huán)境檢測(cè)中，利用納米材料巨大的比表面積來富集目標(biāo)分析物，主要利用了納米材料的哪種特性？A.量子尺寸效應(yīng)B.宏觀量子隧道效應(yīng)C.表面效應(yīng)D.尺寸效應(yīng)3.下列哪種納米顆粒因其獨(dú)特的表面等離子體共振效應(yīng)，常被用作比色傳感器的信號(hào)標(biāo)記物？A.量子點(diǎn)B.金納米顆粒C.錫納米顆粒D.鈦納米顆粒4.基于石墨烯場效應(yīng)晶體管（GFET）的生物傳感器，其檢測(cè)機(jī)制主要依賴于？A.納米顆粒的催化作用B.傳感器表面與目標(biāo)生物分子之間的電荷轉(zhuǎn)移C.納米材料的光致發(fā)光特性D.微流控芯片的樣品處理能力5.DNA條形碼技術(shù)結(jié)合納米顆粒進(jìn)行生物檢測(cè)時(shí)，納米顆粒主要起什么作用？A.作為生物探針識(shí)別目標(biāo)序列B.放大檢測(cè)信號(hào)，提高檢測(cè)靈敏度C.作為載體制備DNA探針D.改變DNA的解鏈溫度6.以下哪項(xiàng)技術(shù)通常不直接歸為利用納米材料構(gòu)建的傳感器的信號(hào)檢測(cè)方法？A.喇曼光譜法B.表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）C.原子力顯微鏡（AFM）形貌分析D.電化學(xué)法7.在設(shè)計(jì)用于水體中病原菌檢測(cè)的納米傳感器時(shí)，確保傳感器具有高選擇性的關(guān)鍵在于？A.納米材料的尺寸足夠小B.傳感器表面具有高度特異性識(shí)別位點(diǎn)C.傳感器響應(yīng)信號(hào)足夠強(qiáng)D.納米材料的生物相容性良好8.下列哪項(xiàng)措施不利于提高基于納米材料的生物環(huán)境檢測(cè)方法的穩(wěn)定性？A.選擇化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的納米材料B.封裝檢測(cè)器件，隔絕環(huán)境影響C.優(yōu)化納米材料的表面修飾D.在檢測(cè)過程中頻繁更換納米材料9.將納米技術(shù)應(yīng)用于空氣中有毒氣體檢測(cè)時(shí)，常利用納米材料的哪種特性來增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)？A.磁性B.光學(xué)特性（如熒光猝滅）C.重金屬離子吸附能力D.電導(dǎo)率變化10.納米技術(shù)在生物環(huán)境檢測(cè)中的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)？A.檢測(cè)成本的降低B.檢測(cè)過程的自動(dòng)化C.檢測(cè)限（LOD）的顯著降低D.檢測(cè)樣本的無限次使用二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在橫線上）1.納米材料的______效應(yīng)和______效應(yīng)是其區(qū)別于宏觀材料的重要特性。2.在利用納米顆粒進(jìn)行免疫層析檢測(cè)時(shí)，通常用______納米顆粒作為檢測(cè)線的信號(hào)標(biāo)記。3.石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，使其在______傳感器領(lǐng)域具有巨大潛力。4.為了提高納米生物傳感器的特異性和穩(wěn)定性，常常需要對(duì)納米材料表面進(jìn)行______。5.將納米傳感器集成到微流控芯片上，可以實(shí)現(xiàn)______和環(huán)境適應(yīng)性的提升。6.納米技術(shù)在生物環(huán)境檢測(cè)中面臨的挑戰(zhàn)之一是納米材料的______和______問題。7.基于量子點(diǎn)的生物傳感器，可以通過改變量子點(diǎn)的______來調(diào)節(jié)其熒光發(fā)射波長。8.利用納米材料構(gòu)建的傳感器，其檢測(cè)靈敏度往往遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)傳感器，這主要得益于納米材料的______效應(yīng)和______效應(yīng)。9.納米環(huán)境下的生物分子（如酶）往往表現(xiàn)出與體相溶液中不同的催化活性，這被稱為______效應(yīng)。10.納米技術(shù)不僅用于提高生物環(huán)境檢測(cè)的靈敏度，還可以用于實(shí)現(xiàn)______檢測(cè)，即無需復(fù)雜設(shè)備即可快速獲得結(jié)果。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.量子點(diǎn)2.表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）3.生物傳感器的選擇性4.納米材料的生物相容性5.檢測(cè)限（LOD）四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述納米材料在提高生物環(huán)境檢測(cè)靈敏度方面的主要優(yōu)勢(shì)。2.解釋什么是納米效應(yīng)，并列舉其在生物環(huán)境檢測(cè)中至少兩種具體的應(yīng)用實(shí)例。3.簡述設(shè)計(jì)一種用于水體中重金屬離子檢測(cè)的納米傳感器的關(guān)鍵考慮因素。4.簡述將納米技術(shù)應(yīng)用于生物環(huán)境檢測(cè)可能帶來的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。五、論述題（每題10分，共20分）1.論述石墨烯作為一種新型納米材料，在生物環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向及其優(yōu)勢(shì)。2.論述將納米技術(shù)與微流控技術(shù)相結(jié)合，在生物環(huán)境檢測(cè)中可能帶來的革命性變化及其面臨的挑戰(zhàn)。六、設(shè)計(jì)題（10分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于金納米顆粒和DNA探針的比色傳感方案，用于檢測(cè)環(huán)境水樣中的特定目標(biāo)小分子（如某種污染物），請(qǐng)簡述其基本原理、關(guān)鍵步驟和優(yōu)缺點(diǎn)分析。---試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.B6.C7.B8.D9.B10.C二、填空題1.量子尺寸，表面2.熒光3.電化學(xué)4.功能化修飾5.集成化，微型化6.毒性，環(huán)境影響7.尺寸8.小尺寸，比表面積9.納米10.現(xiàn)場化/便攜式三、名詞解釋1.量子點(diǎn)：一種尺寸在納米級(jí)別的半導(dǎo)體晶體，其光學(xué)和電子性質(zhì)隨尺寸變化顯著。2.表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）：利用粗糙金屬表面（通常為納米結(jié)構(gòu)）對(duì)拉曼散射信號(hào)產(chǎn)生巨大增強(qiáng)效應(yīng)的spectroscopic技術(shù)，可極大提高檢測(cè)靈敏度和特異性。3.生物傳感器的選擇性：指生物傳感器能夠?qū)δ繕?biāo)分析物產(chǎn)生響應(yīng)，同時(shí)有效抑制或排除共存干擾物的能力。4.納米材料的生物相容性：指納米材料與生物體系（如細(xì)胞、組織、體液）相互作用時(shí)，所表現(xiàn)出的不引起嚴(yán)重毒副反應(yīng)、排斥或有效整合的性質(zhì)。5.檢測(cè)限（LOD）：指分析方法能夠可靠地檢測(cè)出樣品中待測(cè)物存在濃度的最低限度，通常定義為信號(hào)噪聲比（S/N）為3或2時(shí)的濃度。四、簡答題1.納米材料在提高生物環(huán)境檢測(cè)靈敏度方面的主要優(yōu)勢(shì)：①小尺寸效應(yīng)，納米材料尺寸進(jìn)入納米量級(jí)后，其表面原子占全體原子比例巨大，表面活性極高，易于與目標(biāo)物相互作用；②比表面積效應(yīng)，納米材料具有巨大的比表面積，為負(fù)載識(shí)別分子和信號(hào)分子提供了充足的場所，提高了生物識(shí)別單元和信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的密度；③光學(xué)效應(yīng)（如量子點(diǎn)、金納米顆粒的熒光猝滅或增強(qiáng)、表面等離子體共振等），可顯著增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)；④電學(xué)效應(yīng)（如碳納米管、石墨烯），其獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)可用于構(gòu)建高靈敏度電化學(xué)傳感器。2.納米效應(yīng)：指物質(zhì)在納米尺度下（通常1-100nm）所表現(xiàn)出的一些不同于宏觀狀態(tài)的新奇物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)。應(yīng)用實(shí)例：①基于納米顆粒的比色/熒光傳感器，利用納米顆粒（如金納米顆粒、量子點(diǎn)）的表面等離子體共振或熒光特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的高靈敏檢測(cè)；②基于納米線/納米陣列的電化學(xué)傳感器，利用納米結(jié)構(gòu)提供的巨大比表面積和獨(dú)特的電學(xué)傳導(dǎo)特性，提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度；③納米酶模擬物，利用納米材料模擬酶的活性中心，實(shí)現(xiàn)高效的催化反應(yīng)用于檢測(cè)。3.設(shè)計(jì)用于水體中重金屬離子檢測(cè)的納米傳感器的關(guān)鍵考慮因素：①選擇合適的納米材料基體，如具有高比表面積、良好生物相容性（如金、碳納米管、氧化石墨烯、納米二氧化硅等），且能與重金屬離子發(fā)生特異性或高選擇性結(jié)合或產(chǎn)生顯著信號(hào)變化；②設(shè)計(jì)特異性的識(shí)別位點(diǎn)，如利用適配體（Aptamer）、抗體、分子印跡聚合物或設(shè)計(jì)特定的DNA序列，確保傳感器只對(duì)目標(biāo)重金屬離子產(chǎn)生響應(yīng)；③優(yōu)化信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制，選擇合適的信號(hào)輸出方式，如比色、熒光、電化學(xué)、壓電等，并確保信號(hào)變化與重金屬離子濃度有良好線性關(guān)系；④考慮傳感器的穩(wěn)定性（儲(chǔ)存穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性）、重現(xiàn)性、響應(yīng)時(shí)間以及潛在的干擾因素及其消除方法；⑤評(píng)估傳感器的實(shí)際應(yīng)用性能，如檢測(cè)限（LOD）、定量范圍（LOQ）、選擇性、耐用性等。4.將納米技術(shù)應(yīng)用于生物環(huán)境檢測(cè)可能帶來的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：①納米材料的生物毒性：納米材料獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)（如尺寸、形狀、表面化學(xué)態(tài)）可能使其具有比同種材料在宏觀尺度下更高的生物毒性，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康構(gòu)成潛在威脅；②環(huán)境fate（歸宿）和persistence（持久性）：納米材料在環(huán)境介質(zhì)（水、土壤、空氣）中的遷移轉(zhuǎn)化行為、降解路徑和最終歸宿尚不完全清楚，部分納米材料可能難以降解，導(dǎo)致環(huán)境污染累積；③生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)：納米材料可能通過食物鏈富集，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的生物體（從微生物到高級(jí)生物）產(chǎn)生累積效應(yīng)或毒性影響；④人體健康風(fēng)險(xiǎn)：吸入、食入或皮膚接觸納米材料可能對(duì)人體健康造成潛在危害，其長期暴露的毒理學(xué)效應(yīng)需要深入研究和評(píng)估。五、論述題1.石墨烯作為一種新型納米材料，在生物環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向及其優(yōu)勢(shì)：主要應(yīng)用方向包括：①電化學(xué)傳感器：利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，構(gòu)建高靈敏度、快速響應(yīng)的電化學(xué)傳感器，用于檢測(cè)重金屬離子、小分子污染物、生物分子等；②光學(xué)傳感器：利用石墨烯獨(dú)特的光學(xué)特性（如拉曼散射、熒光猝滅/增強(qiáng)），開發(fā)高靈敏度的比色、熒光或表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）傳感器；③微流控芯片集成：將石墨烯基傳感器集成到微流控芯片上，實(shí)現(xiàn)樣品處理與檢測(cè)一體化，構(gòu)建便攜式、快速化的微型檢測(cè)系統(tǒng)；④納米酶模擬：利用石墨烯的氧化還原特性模擬酶活性，用于環(huán)境樣品中特定物質(zhì)的催化檢測(cè)。優(yōu)勢(shì)：①極高的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性，極大提高了傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度；②良好的生物相容性和可功能化修飾能力，易于集成生物識(shí)別元件；③物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于加工和集成；④成本相對(duì)較低，易于制備大面積薄膜或器件。2.將納米技術(shù)與微流控技術(shù)相結(jié)合，在生物環(huán)境檢測(cè)中可能帶來的革命性變化及其面臨的挑戰(zhàn)：革命性變化：①極致小型化與集成化：將納米傳感器與微流控芯片高度集成，可制造出尺寸微型化、集成度極高的便攜式或手持式檢測(cè)設(shè)備；②極高靈敏度與選擇性：利用納米材料的增強(qiáng)效應(yīng)，結(jié)合微流控精確的樣品處理能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量甚至超痕量分析物的超高靈敏度和選擇性檢測(cè)；③快速化與自動(dòng)化：微流控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)樣品的快速、自動(dòng)流控處理，結(jié)合納米傳感器的快速響應(yīng)，大幅縮短檢測(cè)時(shí)間（分鐘級(jí)甚至秒級(jí)）；④低成本與高通量：芯片制造技術(shù)（如軟刻蝕）的成熟有望降低成本，并可通過并行處理實(shí)現(xiàn)高通量樣品檢測(cè)；⑤現(xiàn)場化檢測(cè)（Point-of-CareTesting,POCT）：集成化的納微流控檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在樣本采集地直接進(jìn)行檢測(cè)，無需復(fù)雜設(shè)備和專業(yè)人員，特別適用于臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全等領(lǐng)域。面臨的挑戰(zhàn)：①納米材料的穩(wěn)定性和分散性：在微流控系統(tǒng)中，如何保證納米材料的長期穩(wěn)定性和良好分散性，避免其團(tuán)聚或失活；②納米傳感器與微流控系統(tǒng)的接口技術(shù)：如何將納米傳感器高效、可靠地集成到微流控芯片的流路中，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效讀??；③標(biāo)準(zhǔn)化和重復(fù)性：納微流控器件的制造過程復(fù)雜，保證不同批次器件的性能一致性和檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性是一大挑戰(zhàn)；④道德、社會(huì)和倫理問題（如設(shè)備普及帶來的資源分配問題）；⑤對(duì)操作人員的專業(yè)技能要求可能仍然較高。六、設(shè)計(jì)題設(shè)計(jì)一個(gè)基于金納米顆粒和DNA探針的比色傳感方案，用于檢測(cè)環(huán)境水樣中的特定目標(biāo)小分子（如某種污染物），請(qǐng)簡述其基本原理、關(guān)鍵步驟和優(yōu)缺點(diǎn)分析。設(shè)計(jì)原理：該方案利用DNA分子識(shí)別的特異性以及金納米顆粒（AuNPs）的聚集/解聚行為導(dǎo)致的顏色變化（比色效應(yīng)）來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)小分子的檢測(cè)。其核心是基于“競爭性雜交”或“信號(hào)分子釋放”的原理。例如，可以設(shè)計(jì)兩個(gè)DNA探針：①捕獲探針（Captureprobe），固定在固相載體（如磁珠或芯片表面）上，其序列包含目標(biāo)小分子的識(shí)別序列（靶序列）的一部分。②信號(hào)探針（Signalprobe），一端是靶序列的互補(bǔ)序列，另一端連接有金納米顆粒。當(dāng)目標(biāo)小分子存在時(shí)，它會(huì)與固定在固相上的捕獲探針和游離的信號(hào)探針競爭與靶序列結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合。如果目標(biāo)小分子與捕獲探針結(jié)合，它會(huì)阻止信號(hào)探針與捕獲探針結(jié)合；反之，如果沒有目標(biāo)小分子，信號(hào)探針會(huì)與捕獲探針結(jié)合。信號(hào)探針的結(jié)合導(dǎo)致金納米顆粒彼此靠近并發(fā)生聚集，形成大的金納米顆粒聚集體。由于金納米顆粒聚集體的等離子體共振吸收峰紅移，溶液顏色會(huì)從紅/橙變?yōu)樗{(lán)/紫色，顏色的深淺與聚集體的程度成正比，進(jìn)而反映目標(biāo)小分子的濃度。或者，也可以設(shè)計(jì)成信號(hào)探針上連接的報(bào)告分子（如熒光分子或酶），目標(biāo)小分子結(jié)合后阻止信號(hào)探針固定，從而釋放報(bào)告分子，通過檢測(cè)報(bào)告分子的釋放量來檢測(cè)目標(biāo)小分子。關(guān)鍵步驟：①制備固定有捕獲探針的固相載體（如磁珠或芯片）。②將環(huán)境水樣樣品處理（如離心、過濾去除干擾物）。③將樣品與游離的信號(hào)探針（連接有AuNPs）混合，加入反應(yīng)緩沖液。④將混合物與固相載體反應(yīng)，使信號(hào)探針有機(jī)會(huì)與捕獲探針結(jié)合（如果目標(biāo)物不存在）或被目標(biāo)物阻斷結(jié)合。⑤洗滌，去除未結(jié)合的物質(zhì)。⑥（對(duì)于顏色變化方案）直接觀察或測(cè)量溶液的顏色變化，或使用分光光度計(jì)在AuNPs的特征吸收波長（如約520nm）處測(cè)量吸光度。顏色越深（吸光度越高），說明目標(biāo)小分子濃度越