2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——應(yīng)用化學(xué)在生物傳感技術(shù)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.生物傳感技術(shù)2.分子印跡聚合物（MIPs）3.表面等離激元共振（SPR）4.信號(hào)轉(zhuǎn)換器5.選擇性二、填空題（每題2分，共20分）1.生物傳感器通常由__________、____________和信號(hào)轉(zhuǎn)換器三部分組成。2.利用酶作為生物識(shí)別元件的傳感器稱為__________傳感器。3.常見的電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換方式包括____________、____________和電化學(xué)阻抗法。4.碳納米管因其優(yōu)異的____________和____________特性，常被用于電化學(xué)傳感器電極的修飾。5.在設(shè)計(jì)和優(yōu)化生物傳感器時(shí)，除了靈敏度，__________和__________也是重要的性能指標(biāo)。6.基于抗體特異性識(shí)別的傳感器在____________檢測(cè)中具有廣泛應(yīng)用。7.利用比色法進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的生物傳感器，通常通過(guò)測(cè)量溶液的____________變化來(lái)獲得信號(hào)。8.微流控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)生物傳感器的小型化、自動(dòng)化和____________。9.分子印跡技術(shù)可以制備對(duì)特定分子具有____________識(shí)別能力的材料。10.生物傳感器在____________、____________和食品安全等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述酶?jìng)鞲衅鞯墓ぷ髟砑捌渲饕獌?yōu)點(diǎn)。2.比較電化學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器在信號(hào)檢測(cè)方面的主要差異。3.簡(jiǎn)要說(shuō)明納米材料在提高生物傳感器性能方面可以起到哪些作用。4.為什么說(shuō)分子印跡聚合物（MIPs）在制備生物傳感器方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)？四、論述題（每題10分，共20分）1.試述構(gòu)建一個(gè)高靈敏度、高選擇性電化學(xué)生物傳感器需要考慮的關(guān)鍵因素及其相應(yīng)的解決方案。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述生物傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。五、計(jì)算題（10分）某研究小組制備了一種檢測(cè)葡萄糖的酶?jìng)鞲衅?，在最?yōu)條件下，當(dāng)加入濃度為5.0×10^-5mol/L的葡萄糖溶液時(shí)，測(cè)得的電流響應(yīng)為8.0μA。當(dāng)加入等體積的緩沖液（不含葡萄糖）時(shí)，電流響應(yīng)為0.2μA。假設(shè)傳感器響應(yīng)符合能斯特方程，且在測(cè)量范圍內(nèi)響應(yīng)線性。請(qǐng)計(jì)算該傳感器的靈敏度（以μA/(μmol/L)表示），并估算該傳感器的檢測(cè)限LOD（假設(shè)信號(hào)噪聲比為3：1，噪聲電壓為0.02μV，電流響應(yīng)與濃度成正比）。試卷答案一、名詞解釋1.生物傳感技術(shù)：一種將生物敏感元件與信號(hào)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，能夠?qū)⒋郎y(cè)生物量（如酶、抗體、核酸等）轉(zhuǎn)換為可定量檢測(cè)信號(hào)（如電信號(hào)、光信號(hào)等）的檢測(cè)技術(shù)。2.分子印跡聚合物（MIPs）：一種通過(guò)模板分子（印跡分子）的存在而預(yù)先形成特定孔道或識(shí)別位點(diǎn)的聚合物，這些位點(diǎn)能與模板分子結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的分子特異性結(jié)合。3.表面等離激元共振（SPR）：一種基于測(cè)量金屬表面等離子體激元共振角度或波長(zhǎng)的變化來(lái)檢測(cè)界面處發(fā)生分子相互作用的技術(shù)，常用于生物分子親和力分析。4.信號(hào)轉(zhuǎn)換器：生物傳感器中將生物識(shí)別元件產(chǎn)生的微弱信號(hào)（通常是物理或化學(xué)變化）轉(zhuǎn)換為易于檢測(cè)和處理的信號(hào)（如電信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)等）的裝置或材料。5.選擇性：生物傳感器對(duì)目標(biāo)分析物產(chǎn)生響應(yīng)，而不受其他共存物質(zhì)干擾的能力。二、填空題1.生物識(shí)別元件，信號(hào)轉(zhuǎn)換器2.酶3.電位法，電流法4.導(dǎo)電性，機(jī)械強(qiáng)度5.選擇性，穩(wěn)定性6.疾病7.吸光光度8.快速響應(yīng)9.特異性10.臨床診斷，環(huán)境監(jiān)測(cè)三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述酶?jìng)鞲衅鞯墓ぷ髟砑捌渲饕獌?yōu)點(diǎn)。*原理：酶?jìng)鞲衅饔晒潭ɑ拿福ㄉ镒R(shí)別元件）和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成。當(dāng)目標(biāo)分析物（底物）進(jìn)入傳感器的敏感層并與固定化酶接觸時(shí)，酶會(huì)催化底物發(fā)生特異性反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)物生成或底物消耗，這一變化會(huì)引起信號(hào)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)（如電流、光強(qiáng)等）的變化。通過(guò)測(cè)量信號(hào)的變化，可以定量或定性分析目標(biāo)分析物的濃度。*優(yōu)點(diǎn)：酶催化反應(yīng)具有高效率、高選擇性、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，因此基于酶的生物傳感器通常具有高靈敏度、高選擇性、響應(yīng)速度快、分析范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。2.比較電化學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器在信號(hào)檢測(cè)方面的主要差異。*電化學(xué)傳感器：基于分析物與電活性物質(zhì)之間的氧化還原反應(yīng)或電化學(xué)電位變化產(chǎn)生電信號(hào)（如電流、電位、電導(dǎo)、電化學(xué)阻抗）。優(yōu)點(diǎn)是儀器通常相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低、可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是信號(hào)易受背景干擾（如電噪聲、pH變化），檢測(cè)線性范圍可能較窄，有時(shí)對(duì)樣品前處理要求較高。*光學(xué)傳感器：基于分析物引起的光學(xué)性質(zhì)變化（如吸光、熒光、磷光強(qiáng)度或波長(zhǎng)變化、表面等離激元共振等）產(chǎn)生光信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)手段多樣、靈敏度高（特別是熒光法）、可檢測(cè)多種信號(hào)類型、易于與微加工技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)小型化。缺點(diǎn)是儀器通常較復(fù)雜、成本較高、對(duì)環(huán)境因素（如溫度、光漂白）敏感、部分光學(xué)信號(hào)的檢測(cè)可能需要較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。3.簡(jiǎn)要說(shuō)明納米材料在提高生物傳感器性能方面可以起到哪些作用。*提高靈敏度：納米材料（如納米金、碳納米管、量子點(diǎn)）具有大的比表面積和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，可以增加生物識(shí)別元件的負(fù)載量或增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換效率，從而提高傳感器的靈敏度。*縮短響應(yīng)時(shí)間：納米材料的小尺寸效應(yīng)和高的電導(dǎo)率/導(dǎo)熱率有助于加速傳質(zhì)過(guò)程和信號(hào)產(chǎn)生，縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間。*改善選擇性：可以利用納米材料的特定吸附性質(zhì)或催化活性來(lái)增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)分析物的選擇性。*構(gòu)建新型傳感界面：納米材料可以用于制備具有特殊功能的傳感器電極表面（如導(dǎo)電聚合物納米復(fù)合材料、納米孔道），為傳感器設(shè)計(jì)提供更多可能。*信號(hào)放大：某些納米材料（如納米金簇）具有催化效應(yīng)或可產(chǎn)生級(jí)聯(lián)放大信號(hào)，可用于信號(hào)放大。4.為什么說(shuō)分子印跡聚合物（MIPs）在制備生物傳感器方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)？*高度特異性：MIPs能夠模擬生物分子（如酶、抗體、小分子）的結(jié)構(gòu)，在其網(wǎng)絡(luò)中形成與之精確匹配的識(shí)別位點(diǎn)，因此對(duì)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的目標(biāo)分子具有高度特異性，即使在復(fù)雜的基質(zhì)中也能有效選擇目標(biāo)物。*生物相容性（相對(duì)）：雖然MIPs是人工合成的聚合物，但可以通過(guò)選擇合適的單體和交聯(lián)劑制備出生物相容性較好的材料，適用于生物傳感應(yīng)用。*穩(wěn)定性：MIPs通常具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性，可以重復(fù)使用，易于存儲(chǔ)，克服了天然生物分子（如酶、抗體）易失活、不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。*易于制備和固定：MIPs可以通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液聚合、懸浮聚合等方法制備，并且可以方便地固定在各種基底上（如電極表面、膜），易于集成到傳感器裝置中。*可設(shè)計(jì)性：可以通過(guò)改變模板分子、單體、交聯(lián)劑等參數(shù)，定制合成具有特定識(shí)別性能的MIPs，滿足不同分析需求。四、論述題1.試述構(gòu)建一個(gè)高靈敏度、高選擇性電化學(xué)生物傳感器需要考慮的關(guān)鍵因素及其相應(yīng)的解決方案。*關(guān)鍵因素與解決方案：*a)高效的生物識(shí)別元件：需要選擇對(duì)目標(biāo)分析物具有高親和力和高催化活性（如果是酶）的生物分子（如酶、抗體、適配體）。解決方案：精心篩選和優(yōu)化生物分子，或利用基因工程改造生物分子。*b)優(yōu)化的信號(hào)轉(zhuǎn)換器與傳感界面：信號(hào)轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有良好的電化學(xué)活性、穩(wěn)定性和高信號(hào)輸出。傳感界面設(shè)計(jì)要有利于生物分子固定和目標(biāo)物傳質(zhì)，并增強(qiáng)電信號(hào)響應(yīng)。解決方案：選用高導(dǎo)電材料（如Pt、Au、碳納米管、石墨烯）修飾電極，利用納米結(jié)構(gòu)、多孔材料增大有效表面積，或采用電化學(xué)活性修飾（如硫醇自組裝）。*c)高效的信號(hào)放大策略：?jiǎn)蝹€(gè)生物分子事件產(chǎn)生的信號(hào)可能很微弱，需要放大策略。解決方案：利用酶的催化放大、納米材料的催化或信號(hào)級(jí)聯(lián)放大、電化學(xué)循環(huán)伏安法等信號(hào)積累技術(shù)。*d)選擇性的保證：需要有效抑制共存干擾物的干擾。解決方案：利用生物識(shí)別元件本身的高選擇性；采用物理隔絕方法（如膜）；利用納米材料或分子印跡技術(shù)增強(qiáng)選擇性識(shí)別位點(diǎn)；優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)（如微流控）。*e)快速的傳質(zhì)過(guò)程：目標(biāo)物需要能夠快速到達(dá)生物識(shí)別位點(diǎn)，產(chǎn)物或電子需要快速離開。解決方案：優(yōu)化傳感界面結(jié)構(gòu)（如使用多孔材料、納米結(jié)構(gòu)），降低擴(kuò)散阻力。*f)穩(wěn)定的傳感性能：傳感器在重復(fù)使用和長(zhǎng)期存儲(chǔ)中應(yīng)保持性能穩(wěn)定。解決方案：選擇穩(wěn)定的生物分子和材料，優(yōu)化固定方法（如共價(jià)固定、物理吸附結(jié)合化學(xué)固定），保護(hù)傳感界面。*g)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)模式：選擇合適的電化學(xué)檢測(cè)模式（如循環(huán)伏安法、線性掃描伏安法、差分脈沖伏安法、計(jì)時(shí)電流法等）以獲得最佳靈敏度和選擇性。解決方案：根據(jù)分析物性質(zhì)和信號(hào)特點(diǎn)，優(yōu)化掃描速率、電位窗口、脈沖參數(shù)等。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述生物傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。*應(yīng)用價(jià)值：*快速檢測(cè)：生物傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境中有害物質(zhì)（如污染物、病原體）的快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，無(wú)需復(fù)雜樣品前處理和送往實(shí)驗(yàn)室，大大縮短了監(jiān)測(cè)時(shí)間，提高了應(yīng)急響應(yīng)能力。例如，利用抗體傳感器或酶?jìng)鞲衅骺稍趲追昼姷綆仔r(shí)內(nèi)檢測(cè)水體中的農(nóng)藥殘留或病原體。*高靈敏度與選擇性：許多生物傳感器對(duì)目標(biāo)污染物具有極高的靈敏度和選擇性，能夠檢測(cè)到痕量水平，甚至單個(gè)分子事件，這對(duì)于早期預(yù)警和遵守嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)至關(guān)重要。例如，基于適配體的傳感器可檢測(cè)水體中ppb級(jí)別的重金屬離子（如鉛、汞）。*低成本與便攜性：相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析方法（如色譜、光譜），許多生物傳感器具有成本更低、儀器更小型化、便攜性更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，適合大規(guī)模、現(xiàn)場(chǎng)化的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)部署。例如，集成化的微生物傳感器陣列可用于同時(shí)監(jiān)測(cè)多種揮發(fā)性有機(jī)物。*在線監(jiān)測(cè)：生物傳感器易于與自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，為環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，支持環(huán)境管理決策。例如，固定化酶或適配體的傳感器可安裝在水處理廠或河流中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)。*發(fā)展前景：*多參數(shù)集成檢測(cè)：開發(fā)能夠同時(shí)檢測(cè)多種污染物或病原體的“芯片”式生物傳感器（生物芯片、微流控芯片），將大大提高監(jiān)測(cè)效率。*智能化與網(wǎng)絡(luò)化：結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物傳感器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)校準(zhǔn)、智能預(yù)警，構(gòu)建覆蓋廣泛的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。*新型生物識(shí)別元件：利用基因工程改造的酶、噬菌體、核酸適配體（如DNAzymes）等作為生物識(shí)別元件，可拓展傳感器的應(yīng)用范圍，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力。*增強(qiáng)的穩(wěn)定性和壽命：開發(fā)新型穩(wěn)定的固定化技術(shù)和傳感材料，延長(zhǎng)傳感器的使用壽命，降低維護(hù)成本。*微流控與可穿戴技術(shù)：將生物傳感技術(shù)結(jié)合微流控芯片和可穿戴設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更便捷的個(gè)人健康管理（如監(jiān)測(cè)代謝物）和環(huán)境暴露評(píng)估。*人工智能輔助分析：利用人工智能算法處理復(fù)雜的傳感器信號(hào)，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和效率，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別和預(yù)測(cè)。五、計(jì)算題1.靈敏度計(jì)算：*靈敏度(S)定義為信號(hào)變化量(ΔSignal)與分析物濃度變化量(ΔC)的比值。*ΔSignal=8.0μA-0.2μA=7.8μA*ΔC=5.0×10^-5mol/L=50μmol/L(假設(shè)1L=1μL，或根據(jù)單位換算)*S=ΔSignal/ΔC=7.8μA/50μmol/L=0.156μA/(μmol/L)*答案：靈敏度約為0.156μA/(μmol/L)2.檢測(cè)限(LOD)計(jì)算：*檢測(cè)限(LOD)通常定義為信號(hào)噪聲比(S/N)為3時(shí)的分析物濃度。LOD=3*(噪聲信號(hào)/靈敏度)。*噪聲信號(hào)=0.2μA(緩沖液時(shí)的信號(hào)，可視為基線噪聲或噪聲水平)*已計(jì)算靈敏度S=0.156μA/(μmol/L)*LOD=3*(0.2μA/0.156μA/(μmol/L))*LOD=3*(0.2/0.156)μmol/L*LOD≈3*1.282μmol/L*LOD≈3.846μmol/L*注意：題目中給出了噪聲電壓為0.02μV，但計(jì)算LOD通常使用電流噪聲或信號(hào)噪聲。若嚴(yán)格按電流噪聲計(jì)算，結(jié)果如上。若考慮電壓噪聲，需先轉(zhuǎn)換或假設(shè)，但題目未提供轉(zhuǎn)換關(guān)系，按電流噪聲計(jì)算更直接。假設(shè)1μA=10^6μV，則0.02μV=0.02×10^-6μA=2×10^-8μA。LOD=3*(2×10