2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——化學敏感材料的研究與應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述化學敏感材料的基本定義及其主要功能。2.比較說明離子型化學敏感材料和電子型化學敏感材料的工作原理的主要區(qū)別。3.闡述化學敏感材料在環(huán)境監(jiān)測領域中的一個具體應用實例，并說明其關鍵性能要求。4.簡述影響化學敏感材料選擇性的主要因素。5.描述化學敏感材料制備中，薄膜技術的一種，并簡述其原理及適用范圍。二、論述題（每題10分，共20分）1.論述化學敏感材料在醫(yī)療診斷中的潛在應用，并分析其面臨的挑戰(zhàn)。2.結合當前科技發(fā)展趨勢，論述化學敏感材料未來可能的研究方向和發(fā)展趨勢。三、計算題（每題10分，共20分）1.某氣體傳感器在特定條件下，其響應信號（電阻變化率）與氣體濃度呈線性關系，斜率為0.05Ω?1/ppm。若在檢測到100ppm該氣體時，傳感器的電阻變化了200Ω，請計算該傳感器的靈敏度，并說明靈敏度的物理意義。2.假設一種化學敏感材料的靈敏度（mV/decade）為50mV/decade，檢測氣體的目標濃度范圍為1ppm至100ppm（以對數(shù)形式表示為0至2decades）。請計算該傳感器在該濃度范圍內(nèi)的線性響應范圍，并解釋計算結果。四、實驗設計題（10分）設計一個簡單的實驗方案，用于初步篩選和比較兩種不同材料（材料A和材料B）作為某種特定氣體（例如CO?）的敏感材料的潛力。請說明實驗所需的主要設備、試劑、步驟以及需要測量的關鍵參數(shù)。試卷答案一、簡答題1.答案：化學敏感材料是指能夠感知外界化學物質（如氣體、離子、溶液中的特定分子等）濃度變化，并能夠將這種變化轉化為可測量信號（通常是電信號）的功能材料。其主要功能是將化學信息轉換為可利用的形式，用于檢測、分析、監(jiān)控等目的。解析思路：考察對基本定義的理解。需要答出材料的核心特征——感知化學變化，以及轉化的結果——產(chǎn)生可測量信號（尤其是電信號）。2.答案：離子型化學敏感材料的工作原理主要是基于材料表面與目標化學物質發(fā)生離子交換、吸附或化學反應，導致材料內(nèi)部產(chǎn)生電勢差或離子濃度變化，從而改變材料的電學性質（如電阻、電容）。電子型化學敏感材料的工作原理主要是基于材料與目標化學物質分子間的相互作用（如氧化還原反應、路易斯酸堿作用等），導致材料能帶結構發(fā)生變化或產(chǎn)生表面態(tài)，從而改變材料的電導率或其他電學性質。解析思路：考察對不同類型材料工作原理的理解。需要區(qū)分兩種機制的核心：離子型側重于表面電荷變化，電子型側重于能帶或表面電子狀態(tài)變化。3.答案：應用實例：空氣質量監(jiān)測中的甲醛傳感器。關鍵性能要求包括：高選擇性（對甲醛有較高靈敏度而對其他常見氣體如CO?、水蒸氣、乙醇等干擾?。?、高靈敏度（能夠檢測到低濃度的甲醛）、快速響應和恢復、良好的穩(wěn)定性和重復性、寬工作溫度和濕度范圍、低成本以及長期工作的可靠性。解析思路：考察將理論知識應用于具體場景的能力。需要選擇一個熟悉的應用，并能清晰列出該應用場景下對傳感器性能的核心要求。4.答案：影響化學敏感材料選擇性的主要因素包括：材料與目標分析物分子間的相互作用力（如化學鍵、范德華力、靜電作用等）的強度和特異性；材料表面的官能團或缺陷；材料的能帶結構或表面態(tài)；以及周圍環(huán)境因素（如溫度、濕度、存在其他物質等）。解析思路：考察對影響材料性能關鍵因素的理解。需要從分子間作用、材料結構、電子性質以及環(huán)境因素等多個角度闡述。5.答案：旋涂技術是一種常用的薄膜制備技術。其原理是利用高速旋轉的基底，將溶液中的材料前驅體通過離心力均勻地分布在基片表面，隨著溶劑的揮發(fā)，材料在基片上形成均勻的薄膜。旋涂技術適用于制備各種有機薄膜、無機納米材料薄膜等，廣泛應用于制備化學傳感器、有機電子器件、光學薄膜等領域。解析思路：考察對具體制備方法的了解。需要描述其基本操作、原理（離心力、成膜過程）以及主要應用范圍。二、論述題1.答案：化學敏感材料在醫(yī)療診斷中的潛在應用非常廣泛，例如：用于無創(chuàng)或微創(chuàng)血糖監(jiān)測（如基于酶、金屬氧化物或導電聚合物的高靈敏度葡萄糖傳感器）、呼氣式酒精或毒品檢測、特定揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的癌癥早期診斷、以及體內(nèi)病原體或特定生物標志物的檢測等。面臨的挑戰(zhàn)主要包括：提高檢測的靈敏度、選擇性，以區(qū)分正常生理信號和疾病相關信號；實現(xiàn)長期穩(wěn)定、可靠的原位或植入式監(jiān)測；降低傳感器成本，實現(xiàn)普及應用；確保生物相容性，特別是對于植入式設備；以及開發(fā)可靠的信號處理和數(shù)據(jù)分析方法，實現(xiàn)準確的疾病診斷和預后評估。解析思路：考察知識的廣度和深度，以及分析問題的能力。需要列舉至少2-3個具體應用方向，并能深入分析該領域面臨的實際技術難題和挑戰(zhàn)。2.答案：結合當前科技發(fā)展趨勢，化學敏感材料未來可能的研究方向和發(fā)展趨勢包括：開發(fā)具有更高靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和快速響應的下一代傳感器；探索新型敏感材料，如二維材料（石墨烯、過渡金屬硫化物等）、金屬有機框架（MOFs）、納米材料（量子點、納米線等）及其復合材料；推動傳感器的微型化、集成化和智能化，發(fā)展便攜式、可穿戴甚至植入式智能傳感系統(tǒng)；加強多參數(shù)、多目標協(xié)同檢測技術的研究；將人工智能和機器學習技術應用于傳感器的信號處理、數(shù)據(jù)分析、模型建立和智能診斷；拓展化學敏感材料在物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、食品安全、生物安全等新興領域的應用。解析思路：考察對學科前沿的把握和前瞻性思考能力。需要結合當前熱點（如新材料、微納技術、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等），預測化學敏感材料未來的發(fā)展方向，體現(xiàn)創(chuàng)新性。三、計算題1.答案：靈敏度=(電阻變化量/濃度變化量)=(200Ω)/(100ppm-0ppm)=200Ω/100ppm=2Ω/ppm。物理意義：該傳感器的靈敏度表示，當檢測到的目標氣體濃度每增加1ppm時，傳感器的電阻值會相應增加2Ω。解析思路：考察基本計算能力和對靈敏度概念的理解。根據(jù)線性關系公式S=ΔR/ΔC進行計算，并解釋計算結果的單位含義。2.答案：線性響應范圍：靈敏度S=50mV/decade。目標濃度范圍是0至2decades（即1ppm至100ppm）。由于是線性關系，響應范圍與decade數(shù)相關。最低濃度對應0decades，最高濃度對應2decades。因此，線性響應范圍是0decades至2decades，即從1ppm(10?ppm)延伸到100ppm(101ppm)?；蛘呖梢哉f，傳感器在濃度從1ppm變化到100ppm（跨越1個decade）的范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性響應。解析思路：考察對對數(shù)濃度單位和傳感器線性響應范圍的理解。關鍵在于理解“decade”代表數(shù)量級的變化，以及線性靈敏度如何決定其有效檢測的decade范圍。四、實驗設計題答案：實驗方案設計：*目的：初步比較材料A和材料B作為CO?敏感材料的潛力。*設備：氣體發(fā)生器（或已知濃度的CO?氣瓶）、氣體稀釋系統(tǒng)（如真空泵、流量計）、氣體傳感器（用于實時監(jiān)測CO?濃度，作為參照）、可調(diào)溫控設備（如加熱爐或水浴鍋）、萬用表或專用電子負載（用于測量傳感器電阻/電壓）、基座和連接線。*試劑/材料：材料A、材料B（制成相同形式，如涂覆膜）、CO?氣體、空氣。*步驟：1.將材料A和材料B分別制備成相同的傳感元件形式（例如，在相同尺寸和材質的基片上制備相同厚度和面積的傳感層）。2.將兩個傳感元件接入測量電路（例如，與已知電阻的固定電阻串聯(lián)，組成測量電壓的分壓電路，或直接測量傳感元件的電阻）。3.將測量系統(tǒng)置于可控溫控環(huán)境中，待系統(tǒng)達到設定的工作溫度并穩(wěn)定。4.通入純凈的空氣，待傳感器信號穩(wěn)定，記錄此時的初始信號（如電壓或電阻值）。5.緩慢通入已知濃度（或逐步增加濃度）的CO?氣體，實時監(jiān)測并記錄傳感器的響應信號（電阻或電壓變化）以及對應的CO?濃度（可通過參照氣體傳感器或氣體分析儀測量）。6.記錄材料A在特定CO?濃度下的響應值。7.重復步驟4-6，測試材料B的響應。8.（可選）改變溫度，重復上述步驟，考察溫度對傳感器性能的影響。*關鍵參數(shù)：*初始響應信號（空氣環(huán)境下的信號）。*響應信號隨CO?濃度變化的曲線。*在特定CO?濃度下（如100ppm或500ppm）的響應值（絕對值或相對變化值）。*響應時間和恢復時間（從通入CO?到信號穩(wěn)定變化以及從CO?環(huán)境恢復到空氣環(huán)境所需的時間）。