2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)與合成技術(shù)研究考試時(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)前的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于化學(xué)傳感器的基本組成部件？(A)敏感膜(B)換能器(C)信號(hào)放大單元(D)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2.在電化學(xué)傳感器中，若待測(cè)物質(zhì)是氧化性物質(zhì)，通常采用哪種類(lèi)型的電極作為工作電極？(A)陽(yáng)極(B)陰極(C)參比電極(D)輔助電極3.下列哪種材料因其良好的生物相容性和特異性識(shí)別能力，在生物傳感器中得到了廣泛應(yīng)用？(A)二氧化鈦(B)金屬氧化物半導(dǎo)體(C)酶或抗體(D)離子液體4.溶膠-凝膠法是一種常用的無(wú)機(jī)材料合成方法，其主要優(yōu)勢(shì)包括？(A)反應(yīng)條件溫和，易于控制(B)可制備純度高、晶相可控的粉末(C)成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)(D)以上都是5.分子印跡技術(shù)的主要目的是制備具有特定識(shí)別位點(diǎn)的材料，該識(shí)別位點(diǎn)的大小和形狀是根據(jù)什么定制的？(A)待測(cè)物的物理化學(xué)性質(zhì)(B)萃取劑的選擇性(C)模板分子的大小和形狀(D)功能性單體與交聯(lián)劑的配比6.傳感器靈敏度通常用哪個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量？(A)檢測(cè)限(B)響應(yīng)時(shí)間(C)摩爾吸光系數(shù)(D)信號(hào)強(qiáng)度變化與待測(cè)物濃度變化之比7.下列哪種效應(yīng)是導(dǎo)致氣體傳感器選擇性差的主要原因？(A)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(B)靈敏度不足(C)與多種氣體發(fā)生交叉反應(yīng)(D)穩(wěn)定性差8.在設(shè)計(jì)用于檢測(cè)水中重金屬離子的傳感器時(shí)，選擇合適的敏感材料，首要考慮的因素是？(A)材料的制備成本(B)材料的機(jī)械強(qiáng)度(C)材料與重金屬離子的高親和力和特異性(D)材料的導(dǎo)電性9.微乳液法是一種綠色的合成方法，其主要特點(diǎn)包括？(A)在表面活性劑和助表面活性劑作用下形成透明或半透明的熱力學(xué)穩(wěn)定體系(B)通常在高溫高壓下進(jìn)行反應(yīng)(C)產(chǎn)物純度低，顆粒分布不均(D)只能用于有機(jī)材料的合成10.將化學(xué)傳感器集成到便攜式或可穿戴設(shè)備中，主要目的是？(A)提高傳感器的響應(yīng)速度(B)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)(C)降低傳感器的制備成本(D)增加傳感器的測(cè)量范圍二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.化學(xué)傳感器通常由______、______和______三部分組成。2.光化學(xué)傳感器利用待測(cè)物與傳感器材料發(fā)生______或______相互作用，通過(guò)檢測(cè)光學(xué)信號(hào)變化來(lái)響應(yīng)。3.影響離子選擇性電極響應(yīng)性能的關(guān)鍵參數(shù)是______和______。4.在水熱合成中，高溫高壓的水溶液或水蒸氣環(huán)境可以促進(jìn)______和______的合成。5.適配體是一種具有特定識(shí)別位點(diǎn)的______分子，通常通過(guò)______技術(shù)篩選獲得。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述化學(xué)傳感器的基本工作原理。2.比較酶?jìng)鞲衅骱涂贵w傳感器在識(shí)別機(jī)理和應(yīng)用方面的主要異同。3.簡(jiǎn)述溶膠-凝膠法合成材料的優(yōu)點(diǎn)及其在化學(xué)傳感器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。4.提出至少三種提高化學(xué)傳感器選擇性的方法。四、論述題（每題10分，共30分）1.設(shè)計(jì)一種用于檢測(cè)空氣中甲醛氣體的電化學(xué)傳感器，請(qǐng)闡述其基本設(shè)計(jì)思路，包括敏感材料的選用依據(jù)、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及可能的信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)理。2.論述納米材料在化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)與合成中的重要作用，并舉例說(shuō)明一種具體的納米材料及其在傳感器中的應(yīng)用。3.結(jié)合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)，論述化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.(D)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)*解析：化學(xué)傳感器的基本組成包括敏感膜（識(shí)別待測(cè)物）、換能器（將識(shí)別信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量信號(hào)）和信號(hào)處理系統(tǒng)（放大、處理信號(hào)）。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)更像是后續(xù)的環(huán)節(jié)或應(yīng)用部分，而非傳感器本身的必需核心部件。2.(A)陽(yáng)極*解析：在電化學(xué)分析中，氧化反應(yīng)發(fā)生在陽(yáng)極，還原反應(yīng)發(fā)生在陰極。對(duì)于氧化性物質(zhì)，其在電極上發(fā)生氧化過(guò)程，因此需要陽(yáng)極作為工作電極來(lái)檢測(cè)其濃度變化。3.(C)酶或抗體*解析：酶和抗體都是生物大分子，具有高度特異性識(shí)別目標(biāo)物質(zhì)（底物或抗原）的能力，這是生物傳感器實(shí)現(xiàn)高選擇性的關(guān)鍵。二氧化鈦和金屬氧化物半導(dǎo)體是常用材料，但主要優(yōu)勢(shì)在于物理化學(xué)性質(zhì)而非特異性識(shí)別。離子液體具有良好的溶劑化能力和離子導(dǎo)電性。4.(D)以上都是*解析：溶膠-凝膠法可以在較低溫度下進(jìn)行，反應(yīng)易于控制，可以合成純度高、晶相均勻的粉末或薄膜材料，且工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，適合實(shí)驗(yàn)室研究和小規(guī)模生產(chǎn)。5.(C)模板分子的大小和形狀*解析：分子印跡技術(shù)是通過(guò)使用目標(biāo)分子（模板）作為模板，引入功能單體和交聯(lián)劑，形成印跡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)中形成的空腔結(jié)構(gòu)的大小和形狀與模板分子完全匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模板分子的特異性識(shí)別。6.(D)信號(hào)強(qiáng)度變化與待測(cè)物濃度變化之比*解析：靈敏度是衡量傳感器對(duì)待測(cè)物響應(yīng)程度的指標(biāo)，定義為傳感器輸出信號(hào)的變化量（通常是響應(yīng)電流、電壓或吸光度等）與引起該變化的待測(cè)物濃度變化量之比。高靈敏度意味著微小的濃度變化也能引起顯著的信號(hào)變化。7.(C)與多種氣體發(fā)生交叉反應(yīng)*解析：選擇性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)目標(biāo)氣體響應(yīng)的同時(shí)，對(duì)干擾氣體的響應(yīng)程度。如果傳感器對(duì)多種氣體都產(chǎn)生明顯的響應(yīng)（交叉響應(yīng)），則其選擇性差。響應(yīng)時(shí)間、靈敏度、穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)傳感器性能的其他重要指標(biāo)。8.(C)材料與重金屬離子的高親和力和特異性*解析：設(shè)計(jì)檢測(cè)重金屬離子的傳感器，首要任務(wù)是確保敏感材料能夠有效地與目標(biāo)重金屬離子結(jié)合（高親和力），并且這種結(jié)合是特異性的，即對(duì)目標(biāo)離子有選擇性地響應(yīng)，避免與其他共存離子發(fā)生干擾。9.(A)在表面活性劑和助表面活性劑作用下形成透明或半透明的熱力學(xué)穩(wěn)定體系*解析：微乳液法是一種自組織的熱力學(xué)穩(wěn)定的多相分散體系，由油、水、表面活性劑和助表面活性劑組成。其特點(diǎn)是在一定條件下自發(fā)形成，外觀透明或半透明，各組分互溶均勻。10.(B)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)*解析：將化學(xué)傳感器集成到便攜式或可穿戴設(shè)備中，使其能夠方便地?cái)y帶，在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位或在線的監(jiān)測(cè)，這是這類(lèi)應(yīng)用的主要目的。其他選項(xiàng)如提高響應(yīng)速度、降低成本等也可能是目標(biāo)，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是其最核心的價(jià)值體現(xiàn)。二、填空題1.敏感膜，換能器，信號(hào)處理系統(tǒng)*解析：這是構(gòu)成化學(xué)傳感器的三個(gè)基本功能單元，分別負(fù)責(zé)識(shí)別、轉(zhuǎn)換和輸出信號(hào)。2.光吸收，發(fā)光*解析：光化學(xué)傳感器主要通過(guò)檢測(cè)與待測(cè)物相互作用后引起的光學(xué)信號(hào)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，這種相互作用主要包括光吸收強(qiáng)度的改變或發(fā)光性質(zhì)（強(qiáng)度、波長(zhǎng)、壽命）的變化。3.選擇性系數(shù)，響應(yīng)斜率（或能斯脫響應(yīng)斜率）*解析：選擇性系數(shù)反映了電極對(duì)干擾離子響應(yīng)與對(duì)目標(biāo)離子響應(yīng)的相對(duì)比例，是衡量選擇性的關(guān)鍵參數(shù)。響應(yīng)斜率（滿足能斯脫方程時(shí)的斜率）直接與電極對(duì)目標(biāo)離子活度的敏感度相關(guān)。4.新型無(wú)機(jī)材料，有機(jī)材料*解析：水熱合成方法可以在高溫高壓的密閉容器中進(jìn)行，為許多難合成或高溫易分解的材料提供了制備條件，因此常用于合成新型無(wú)機(jī)材料（如金屬氧化物、硫化物、氫氧化物等）和某些有機(jī)材料（如DNA、蛋白質(zhì)、有機(jī)金屬配合物等）。5.合成生物學(xué)，噬菌體展示技術(shù)（或免疫印跡技術(shù)）*解析：適配體是經(jīng)過(guò)篩選獲得的具有特定識(shí)別功能的核酸（DNA或RNA）分子，其篩選技術(shù)主要依賴(lài)于合成生物學(xué)的方法論。噬菌體展示技術(shù)是目前最常用的體外篩選適配體的方法之一。酶或抗體也是常見(jiàn)的識(shí)別元件。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述化學(xué)傳感器的基本工作原理。*解析：化學(xué)傳感器的工作原理主要包括兩個(gè)基本步驟：首先，敏感膜部分與待測(cè)物發(fā)生特定的物理化學(xué)相互作用（如發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)生光學(xué)變化、發(fā)生質(zhì)量變化引起應(yīng)力等），這種相互作用導(dǎo)致敏感膜自身的性質(zhì)發(fā)生改變；其次，換能器部分將敏感膜性質(zhì)的變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量、可輸出的電信號(hào)（或其他可測(cè)信號(hào)，如光信號(hào)、壓力信號(hào)等）；最后，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、線性化等處理，最終得到與待測(cè)物濃度成一定函數(shù)關(guān)系的讀數(shù)。2.比較酶?jìng)鞲衅骱涂贵w傳感器在識(shí)別機(jī)理和應(yīng)用方面的主要異同。*解析：相同點(diǎn)：酶?jìng)鞲衅骱涂贵w傳感器都屬于生物傳感器，都利用生物分子（酶或抗體）的高度特異性識(shí)別能力來(lái)檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)。其基本工作原理也相似，即生物分子識(shí)別待測(cè)物，導(dǎo)致其活性或結(jié)合狀態(tài)改變，進(jìn)而引起信號(hào)變化。不同點(diǎn)：識(shí)別機(jī)理不同，酶識(shí)別基于催化作用，抗體識(shí)別基于抗原抗體結(jié)合。靈敏度不同，酶催化反應(yīng)可以放大信號(hào)，通常靈敏度較高。選擇性不同，抗體通常具有極高的特異性，而酶可能受多種底物或抑制劑影響。應(yīng)用領(lǐng)域有所側(cè)重，酶?jìng)鞲衅鞒Ｓ糜跈z測(cè)小分子底物、代謝物等，抗體傳感器常用于檢測(cè)蛋白質(zhì)、多肽、激素、藥物、毒素等生物分子或結(jié)構(gòu)類(lèi)似物。3.簡(jiǎn)述溶膠-凝膠法合成材料的優(yōu)點(diǎn)及其在化學(xué)傳感器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。*解析：溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)包括：反應(yīng)溫度低，可在近室溫條件下進(jìn)行；操作簡(jiǎn)單，易于控制；可以合成純度高、粒度細(xì)、分布均勻的粉末、薄膜或玻璃材料；可以通過(guò)調(diào)節(jié)前驅(qū)體和工藝條件來(lái)控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；適用范圍廣，可以合成多種無(wú)機(jī)、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料。在化學(xué)傳感器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于：可以制備出具有特定微觀結(jié)構(gòu)（如納米粒子、孔道結(jié)構(gòu)）的敏感材料，有利于提高傳感器的比表面積和靈敏度；易于制備薄膜或厚膜傳感器，便于集成化；可以通過(guò)摻雜、共混等手段調(diào)控材料性能，以滿足特定傳感應(yīng)用的需求；合成過(guò)程相對(duì)綠色環(huán)保。4.提出至少三種提高化學(xué)傳感器選擇性的方法。*解析：提高化學(xué)傳感器選擇性的方法有很多，可以基于識(shí)別單元、敏感材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面考慮。方法一：選擇具有更高特異性的識(shí)別單元，如使用高特異性抗體、適配體、酶、核酸適配體（aptamer）或設(shè)計(jì)具有特殊空腔結(jié)構(gòu)的分子印跡聚合物。方法二：利用物理化學(xué)方法分離目標(biāo)物和干擾物，如在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)考慮利用分子篩效應(yīng)、膜分離技術(shù)或選擇對(duì)環(huán)境條件（如pH、離子強(qiáng)度）敏感的識(shí)別機(jī)制，使目標(biāo)物在達(dá)到傳感器敏感界面時(shí)干擾物已被去除或抑制。方法三：優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如構(gòu)建選擇性識(shí)別界面、利用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的精確定量富集和分離，或設(shè)計(jì)具有多識(shí)別位點(diǎn)的傳感器陣列，通過(guò)模式識(shí)別提高選擇性。四、論述題1.設(shè)計(jì)一種用于檢測(cè)空氣中甲醛氣體的電化學(xué)傳感器，請(qǐng)闡述其基本設(shè)計(jì)思路，包括敏感材料的選用依據(jù)、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及可能的信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)理。*解析：設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)一種電化學(xué)傳感器用于檢測(cè)空氣中的甲醛（HCHO），需要選擇合適的敏感材料、設(shè)計(jì)傳感器的整體結(jié)構(gòu)，并明確信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理。敏感材料選用依據(jù)：甲醛是一種具有還原性的氣體，可以選擇具有氧化能力的電催化劑作為敏感材料。常用的材料包括金屬氧化物（如SnO?、WO?、ZnO、Fe?O?等）或貴金屬納米粒子（如Au、Pt、Pd等）。這些材料可以與甲醛在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致電信號(hào)變化。傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：傳感器通常包括敏感材料層、導(dǎo)電基底和電極引線。敏感材料可以是涂覆在導(dǎo)電基底（如玻璃碳電極、金屬網(wǎng)或柔性基底）上的薄膜或粉末。為了提高氣體傳質(zhì)效率，敏感材料層通常需要具有較大的比表面積和合適的孔隙結(jié)構(gòu)。電極引線用于將產(chǎn)生的電信號(hào)引出。可能的信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)理：采用三電極體系（工作電極、參比電極、對(duì)電極），在工作電極上，甲醛分子擴(kuò)散到敏感材料表面，并在工作電極電位的作用下失去電子被氧化（例如，被氧化成甲醛酸或甲酸鹽），或者敏感材料本身被氧化。這個(gè)氧化還原過(guò)程導(dǎo)致工作電極與參比電極之間產(chǎn)生電位差的變化，或者產(chǎn)生電流的變化。通過(guò)測(cè)量這個(gè)電位差或電流信號(hào)，并根據(jù)其與甲醛濃度之間的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛濃度的定量檢測(cè)。例如，對(duì)于氧化型敏感材料，可以在合適的電位下使甲醛氧化，產(chǎn)生的電流與甲醛濃度成正比。2.論述納米材料在化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)與合成中的重要作用，并舉例說(shuō)明一種具體的納米材料及其在傳感器中的應(yīng)用。*解析：納米材料在化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)與合成中扮演著至關(guān)重要的角色，其重要作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）提高傳感器的靈敏度：納米材料通常具有巨大的比表面積和量子尺寸效應(yīng)，這極大地增加了傳感器的有效識(shí)別位點(diǎn)數(shù)量，使得微量的待測(cè)物也能被有效捕獲并產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)，從而顯著提高傳感器的靈敏度。2）縮短響應(yīng)時(shí)間：納米材料的尺寸小，傳質(zhì)路徑短，有利于待測(cè)物快速擴(kuò)散到識(shí)別位點(diǎn)，同時(shí)也使得電子或離子在材料內(nèi)部和界面處的傳輸更加迅速，從而縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間。3）改善選擇性：通過(guò)調(diào)控納米材料的尺寸、形貌、組成或表面修飾，可以精細(xì)地調(diào)節(jié)其物理化學(xué)性質(zhì)和識(shí)別位點(diǎn)特征，有助于提高傳感器對(duì)目標(biāo)物的選擇性，減少干擾物的干擾。4）增強(qiáng)信號(hào)穩(wěn)定性：某些納米材料（如貴金屬納米顆粒）具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，將其作為敏感組分或載體，可以提高傳感器的電子結(jié)構(gòu)和機(jī)械穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)傳感器的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性和信號(hào)重現(xiàn)性。5）促進(jìn)傳感器小型化和集成化：納米材料的小尺寸特性為開(kāi)發(fā)微型化、便攜式甚至可穿戴化學(xué)傳感器提供了可能，便于實(shí)現(xiàn)多傳感器陣列集成。舉例：以金（Au）納米材料為例，其在化學(xué)傳感器中的應(yīng)用非常廣泛。例如，可以制備基于金納米顆粒（AuNPs）的比色傳感器或電化學(xué)傳感器用于檢測(cè)重金屬離子（如Hg2?、Pb2?）、小分子（如葡萄糖、谷胱甘肽）或生物分子（如DNA、蛋白質(zhì)）。其應(yīng)用原理通常是利用AuNPs與待測(cè)物之間的相互作用（如表面吸附、催化氧化還原、DNA雜交等）導(dǎo)致AuNPs的表面等離子體共振（SPR）光譜發(fā)生紅移或藍(lán)移（比色法），或者導(dǎo)致電化學(xué)信號(hào)（如電流、電位）發(fā)生改變（電化學(xué)法）。AuNPs的高表面活性、良好的生物相容性（用于生物傳感器）、易于功能化以及其獨(dú)特的光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，使其成為構(gòu)建高性能化學(xué)傳感器的理想材料。3.結(jié)合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)，論述化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。*解析：化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的社會(huì)需求。應(yīng)用前景：1）實(shí)時(shí)、在線、原位監(jiān)測(cè)：化學(xué)傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境介質(zhì)（空氣、水、土壤等）中污染物的濃度變化，無(wú)需將樣品送至實(shí)驗(yàn)室分析，