2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在生物信息學(xué)中的研究進(jìn)展考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.生物傳感器2.基因測(cè)序3.生物相容性材料4.熒光探針5.代謝組學(xué)二、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述應(yīng)用化學(xué)在發(fā)展生物傳感器的關(guān)鍵作用。2.描述一種基于納米材料的應(yīng)用化學(xué)方法在基因檢測(cè)中的應(yīng)用原理。3.列舉三種可用于生物信息學(xué)研究的生物相容性材料，并簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。4.解釋什么是分子識(shí)別原理，并舉例說明其在生物成像中的應(yīng)用。5.闡述樣品前處理在生物信息學(xué)分析中的重要性，并提及兩種常用的化學(xué)前處理技術(shù)。三、論述題（每題10分，共40分）1.論述近年來先進(jìn)功能材料（如量子點(diǎn)、二維材料等）如何推動(dòng)生物信息學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。2.分析微流控技術(shù)在生物信息學(xué)樣品處理與分析中的優(yōu)勢(shì)及其面臨的挑戰(zhàn)。3.結(jié)合具體實(shí)例，討論應(yīng)用化學(xué)在提升生物信息學(xué)檢測(cè)靈敏度和選擇性方面的研究進(jìn)展。4.試述你對(duì)應(yīng)用化學(xué)與生物信息學(xué)交叉融合領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢(shì)的展望。試卷答案一、名詞解釋1.生物傳感器：指利用生物材料（如酶、抗體、核酸、細(xì)胞等）作為識(shí)別元件，與待測(cè)分析物發(fā)生特異性相互作用，再將這種相互作用轉(zhuǎn)變成可定量檢測(cè)的物理信號(hào)（如電信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)等）的器件或系統(tǒng)。解析：關(guān)鍵在于理解其組成部分——生物識(shí)別元件和應(yīng)用化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換元件。2.基因測(cè)序：指確定生物體（病毒、細(xì)菌、動(dòng)植物等）遺傳物質(zhì)（DNA或RNA）中核苷酸（堿基）的排列順序的過程。應(yīng)用化學(xué)在基因測(cè)序中涉及合成化學(xué)（如引物、探針合成）、修飾化學(xué)（如DNA修飾）、反應(yīng)條件優(yōu)化、測(cè)序儀器開發(fā)等。解析：定義核心是順序確定。解析部分點(diǎn)明化學(xué)的貢獻(xiàn)點(diǎn)。3.生物相容性材料：指與生物體接觸時(shí)，能夠適應(yīng)生物環(huán)境，不引起強(qiáng)烈的免疫排斥反應(yīng)、毒性反應(yīng)或組織損傷，并能完成其預(yù)定功能的材料。應(yīng)用化學(xué)致力于設(shè)計(jì)和合成具有良好生物相容性的材料，如生物可降解聚合物、惰性金屬涂層、仿生材料等。解析：強(qiáng)調(diào)與生物體接觸的兼容性及化學(xué)的設(shè)計(jì)合成角色。4.熒光探針：指能夠與特定生物分子（如酶、離子、小分子、活細(xì)胞等）特異性結(jié)合，并發(fā)生熒光強(qiáng)度、波長(zhǎng)或壽命等光學(xué)性質(zhì)變化的化學(xué)分子。應(yīng)用化學(xué)是熒光探針設(shè)計(jì)與合成的主力，通過有機(jī)合成、材料化學(xué)等方法構(gòu)建具有高靈敏度、高選擇性的探針用于生物檢測(cè)和成像。解析：核心是特異性結(jié)合及光學(xué)信號(hào)變化，點(diǎn)明化學(xué)的合成作用。5.代謝組學(xué)：指研究生物體在特定狀態(tài)下所有代謝物（小分子有機(jī)物）的全面集成的學(xué)科領(lǐng)域，通常利用高通量分析技術(shù)（如色譜、質(zhì)譜）結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行分析和解讀。應(yīng)用化學(xué)在代謝組學(xué)中負(fù)責(zé)樣品前處理技術(shù)（如提取、富集、衍生化）、分析儀器（如高分辨質(zhì)譜）的開發(fā)和應(yīng)用、以及數(shù)據(jù)分析中的化學(xué)信息學(xué)方法。解析：定義為核心研究對(duì)象和分析方法。解析部分點(diǎn)明化學(xué)在技術(shù)和分析中的角色。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述應(yīng)用化學(xué)在發(fā)展生物傳感器的關(guān)鍵作用。應(yīng)用化學(xué)在生物傳感器發(fā)展中扮演著核心角色。首先，負(fù)責(zé)合成和設(shè)計(jì)具有高選擇性、高穩(wěn)定性的敏感材料，如納米材料（金納米顆粒、碳納米管）、導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物等，作為傳感器的識(shí)別元件或信號(hào)轉(zhuǎn)換元件，顯著提升傳感器的靈敏度與選擇性。其次，應(yīng)用化學(xué)家致力于構(gòu)建高效的分子識(shí)別機(jī)制，如利用有機(jī)合成方法設(shè)計(jì)特異性識(shí)別分子（抗體、酶、適配體、核酸適配體等），實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的精確捕獲。再次，化學(xué)知識(shí)被用于開發(fā)新的信號(hào)轉(zhuǎn)換策略，如電化學(xué)信號(hào)（氧化還原反應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)）、光學(xué)信號(hào)（熒光、磷光、比色）、質(zhì)量信號(hào)等，并將這些信號(hào)與敏感材料有效集成。最后，應(yīng)用化學(xué)也為傳感器微型化、集成化提供了材料和技術(shù)支持，如微流控芯片的化學(xué)修飾、印刷電子技術(shù)等。解析：要點(diǎn)是材料設(shè)計(jì)合成、分子識(shí)別機(jī)制構(gòu)建、信號(hào)轉(zhuǎn)換策略開發(fā)、以及微型化集成技術(shù)支持。2.描述一種基于納米材料的應(yīng)用化學(xué)方法在基因檢測(cè)中的應(yīng)用原理。一種基于納米材料的應(yīng)用化學(xué)方法是利用納米材料（如金納米顆粒、碳納米管、量子點(diǎn)）的特有性質(zhì)（如尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、比表面積大、可修飾性強(qiáng)）來增強(qiáng)基因檢測(cè)的信號(hào)。例如，在DNA雜交檢測(cè)中，可以將目標(biāo)基因片段與帶有納米標(biāo)簽的捕獲探針結(jié)合。通過優(yōu)化納米材料的性質(zhì)或設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒組裝體、納米籠），可以放大檢測(cè)信號(hào)（如利用納米顆粒的聚集誘導(dǎo)發(fā)光或表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)），提高檢測(cè)的靈敏度，甚至實(shí)現(xiàn)可視化檢測(cè)。此外，納米材料還可以作為高效的載體，遞送基因編輯工具或檢測(cè)試劑至特定位點(diǎn)。解析：核心是利用納米材料的獨(dú)特性質(zhì)（尺寸、表面、修飾性等）進(jìn)行信號(hào)放大或功能增強(qiáng)，以提升基因檢測(cè)的性能。3.列舉三種可用于生物信息學(xué)研究的生物相容性材料，并簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。三種常用的生物相容性材料包括：①聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）：是一種可生物降解的合成聚合物，降解產(chǎn)物為人體代謝的乳酸和乙醇酸，無毒性，組織相容性好，常用于藥物遞送和組織工程支架。特點(diǎn)是其降解速率可調(diào)控，可通過化學(xué)改性引入特定功能基團(tuán)。②絲素蛋白：是一種天然生物蛋白質(zhì)，來源于蠶繭，具有良好的生物相容性、生物可降解性和力學(xué)性能。特點(diǎn)是其具有良好的生物活性，能促進(jìn)細(xì)胞粘附和增殖，且具有抗菌性。③二氧化硅（SiO2）納米材料：具有優(yōu)異的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)控的物理化學(xué)性質(zhì)。特點(diǎn)是其表面易于功能化修飾，尺寸小，可作生物標(biāo)記、藥物載體或傳感器基底。解析：列舉三種具體材料，并分別闡述其生物相容性、可降解性（天然或合成）、以及至少一個(gè)其他關(guān)鍵特點(diǎn)。4.解釋什么是分子識(shí)別原理，并舉例說明其在生物成像中的應(yīng)用。分子識(shí)別原理是指基于分子間特異性相互作用（如共價(jià)鍵、非共價(jià)鍵，主要是氫鍵、范德華力、疏水作用、靜電作用等）的選擇性結(jié)合過程，即一種分子（識(shí)別分子/探針）能夠與其目標(biāo)分子（分析物）在分子水平上精確識(shí)別并結(jié)合，形成具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的復(fù)合物。這種識(shí)別過程具有高度的專一性和選擇性。在生物成像中，分子識(shí)別原理被廣泛應(yīng)用于開發(fā)靶向成像探針。例如，可以設(shè)計(jì)一小分子探針，其識(shí)別部分（如特定抗體、核酸適配體或配體）能與細(xì)胞內(nèi)或組織中的特定目標(biāo)分子（如過表達(dá)的原癌基因產(chǎn)物、特定的酶、或病變區(qū)域的特定受體）特異性結(jié)合。探針上連接有熒光染料或顯影劑，當(dāng)探針識(shí)別并結(jié)合目標(biāo)分子后，熒光信號(hào)或顯影信號(hào)就被定位于目標(biāo)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定生物分子或病變區(qū)域的可視化成像。解析：首先解釋分子識(shí)別的定義和機(jī)制（特異性、選擇性、作用力）。然后結(jié)合生物成像實(shí)例，說明如何利用識(shí)別原理設(shè)計(jì)靶向探針，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位成像。5.闡述樣品前處理在生物信息學(xué)分析中的重要性，并提及兩種常用的化學(xué)前處理技術(shù)。樣品前處理在生物信息學(xué)分析中至關(guān)重要，其重要性體現(xiàn)在：①提高分析物的濃度和純度，降低基質(zhì)效應(yīng)的干擾，使得后續(xù)的分析檢測(cè)（如測(cè)序、質(zhì)譜、光譜）能夠獲得更清晰、更準(zhǔn)確的結(jié)果。②去除或穩(wěn)定化可能干擾分析的物質(zhì)，如抑制劑、酶、氧化還原劑等。③將復(fù)雜樣品中的目標(biāo)分析物轉(zhuǎn)化為適合儀器檢測(cè)的形式。④提高樣品的穩(wěn)定性和儲(chǔ)存壽命?；瘜W(xué)前處理技術(shù)種類繁多，其中兩種常用技術(shù)包括：①提取與凈化：利用溶劑萃取、液-液萃取、固相萃?。⊿PE）等方法，根據(jù)目標(biāo)分析物（如核酸、蛋白質(zhì)、小分子代謝物）的溶解性、極性、電荷等性質(zhì)，將其從復(fù)雜的生物基質(zhì)（血液、組織、尿液等）中分離出來，并去除雜質(zhì)。②衍生化：對(duì)于某些分析物（尤其是揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定的代謝物），在進(jìn)行分析前，通過化學(xué)方法引入特定的官能團(tuán)，改變其物理化學(xué)性質(zhì)（如提高揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性、增強(qiáng)與檢測(cè)器的相互作用或熒光特性），從而提高檢測(cè)的靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確性。解析：強(qiáng)調(diào)前處理對(duì)后續(xù)分析的關(guān)鍵作用（提高濃度純度、降低干擾、轉(zhuǎn)化形式等）。列舉并簡(jiǎn)述兩種具體技術(shù)（提取凈化和衍生化）的原理和目的。三、論述題1.論述近年來先進(jìn)功能材料（如量子點(diǎn)、二維材料等）如何推動(dòng)生物信息學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，先進(jìn)功能材料如量子點(diǎn)（QDs）、二維材料（如石墨烯、過渡金屬硫化物）等在推動(dòng)生物信息學(xué)領(lǐng)域發(fā)展方面發(fā)揮了革命性作用。量子點(diǎn)以其優(yōu)異的光學(xué)特性（如高熒光強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、可調(diào)發(fā)射波長(zhǎng)、抗光漂白能力強(qiáng)）和良好的生物相容性（通過表面修飾），被廣泛應(yīng)用于生物標(biāo)記和成像。它們可以高靈敏度、高特異性地標(biāo)記細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸等生物分子，實(shí)現(xiàn)多色、長(zhǎng)時(shí)間的活細(xì)胞動(dòng)態(tài)觀察和精準(zhǔn)定位，極大地提升了生物過程研究的可視化水平。在基因測(cè)序方面，量子點(diǎn)可用于信號(hào)放大和讀取，提高測(cè)序通量和準(zhǔn)確性。二維材料則展現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能。例如，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，可用于構(gòu)建高靈敏度電化學(xué)生物傳感器，用于檢測(cè)生物標(biāo)志物。其優(yōu)異的透光性和生物相容性也使其適用于制備透明生物電子器件和生物成像窗口。其他二維材料如MoS2、WSe2等也展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和電子特性，可用于開發(fā)新型生物成像探針、光電探測(cè)器以及用于基因編輯的納米工具。此外，這些材料的納米尺寸和可功能化表面使其易于與生物體系結(jié)合，開發(fā)出新型生物納米藥物遞送系統(tǒng)、組織工程支架等?？傊?，先進(jìn)功能材料通過提供高性能的傳感、成像、診斷和治療工具，正在深刻地改變生物信息學(xué)的研究范式，推動(dòng)其在生命科學(xué)研究和臨床應(yīng)用中的突破。解析：需涵蓋多個(gè)方面：材料特性（光學(xué)、電學(xué)、比表面積等）；具體應(yīng)用（標(biāo)記成像、傳感器、測(cè)序、藥物遞送等）；與生物信息學(xué)各分支的交叉點(diǎn)；以及帶來的進(jìn)步（靈敏度、特異性、可視化、新功能等）。2.分析微流控技術(shù)在生物信息學(xué)樣品處理與分析中的優(yōu)勢(shì)及其面臨的挑戰(zhàn)。微流控技術(shù)（又稱數(shù)字微流控）在生物信息學(xué)樣品處理與分析中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。首先，其核心優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)悠诽幚砹鞒蹋ㄈ缁旌?、反?yīng)、分離、檢測(cè)）集成在微米尺度的小芯片上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高通量、低樣品/試劑消耗和快速（秒級(jí)至分鐘級(jí)）分析。這使得對(duì)微量生物樣品（如血液、細(xì)胞）進(jìn)行復(fù)雜操作成為可能，特別適用于臨床即時(shí)診斷（POCT）和個(gè)性化醫(yī)療。其次，通過精確控制流體流動(dòng)，微流控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單細(xì)胞或亞微升體積樣品的精確操控和分析，極大地提高了分析的空間分辨率和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力。此外，微流控芯片易于與各種檢測(cè)器（如電化學(xué)、光學(xué)、質(zhì)譜）集成，形成一體化的分析系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了操作流程。然而，微流控技術(shù)也面臨諸多挑戰(zhàn)。一是成本較高，尤其是復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證成本，限制了其大規(guī)模普及。二是樣品引入和芯片連接（如空氣接觸）可能較為困難，尤其是在自動(dòng)化程度要求高的場(chǎng)合。三是對(duì)于復(fù)雜生物樣品，微通道內(nèi)的堵塞和交叉污染問題仍需有效解決。四是長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性和生物相容性（特別是硅材料）仍需進(jìn)一步優(yōu)化。五是缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)和制造規(guī)范，阻礙了技術(shù)的通用化和商業(yè)化。此外，對(duì)于需要大量樣品或長(zhǎng)時(shí)間處理的復(fù)雜生物信息學(xué)應(yīng)用，微流控的高通量?jī)?yōu)勢(shì)可能并不明顯。解析：需清晰列出優(yōu)勢(shì)（集成化、自動(dòng)化、高通量、快速、低消耗、單細(xì)胞分析、易于集成等）和挑戰(zhàn)（成本、樣品引入、堵塞污染、穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)化、適用范圍等），并進(jìn)行一定分析。3.結(jié)合具體實(shí)例，討論應(yīng)用化學(xué)在提升生物信息學(xué)檢測(cè)靈敏度和選擇性方面的研究進(jìn)展。應(yīng)用化學(xué)在提升生物信息學(xué)檢測(cè)的靈敏度和選擇性方面做出了巨大貢獻(xiàn)，主要通過創(chuàng)新材料、化學(xué)試劑和傳感機(jī)制實(shí)現(xiàn)。提升靈敏度方面，一個(gè)重要進(jìn)展是利用納米材料構(gòu)建超高靈敏度傳感器。例如，利用碳納米管（CNTs）優(yōu)異的導(dǎo)電性，將其作為電化學(xué)傳感界面，結(jié)合DNA適配體識(shí)別目標(biāo)分析物（如腫瘤標(biāo)志物），當(dāng)目標(biāo)分子結(jié)合到適配體上時(shí)，會(huì)引起CNTs表面電導(dǎo)率的顯著變化，從而實(shí)現(xiàn)超低濃度目標(biāo)的檢測(cè)。又如，利用量子點(diǎn)放大效應(yīng)，在目標(biāo)分析物檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生后，引入量子點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)放大，將微弱的信號(hào)增強(qiáng)到可檢測(cè)水平，應(yīng)用于早期癌癥診斷。在提升選擇性方面，應(yīng)用化學(xué)通過分子設(shè)計(jì)合成具有高度特異性識(shí)別能力的分子探針，如基于適配體（Aptamer）或抗體（Ab）的分子印跡聚合物（MIPs），這些材料在合成過程中模板分子被去除后，會(huì)在表面形成與模板分子互補(bǔ)的空腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子極高的選擇性識(shí)別，即使在復(fù)雜基質(zhì)中也能有效區(qū)分。此外，應(yīng)用化學(xué)還發(fā)展了多種化學(xué)修飾和反應(yīng)策略來增強(qiáng)選擇性。例如，在酶催化免疫分析中，通過化學(xué)方法修飾酶或抗體，改變其底物特異性或抗原結(jié)合位點(diǎn)，提高檢測(cè)的選擇性。再如，利用手性化學(xué)和手性材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有手性異構(gòu)體生物標(biāo)志物的選擇性檢測(cè)。這些基于新材料、新試劑和新原理的應(yīng)用化學(xué)方法，極大地提高了生物信息學(xué)檢測(cè)的靈敏度和選擇性，為疾病的早期診斷、精準(zhǔn)醫(yī)療和基礎(chǔ)生命科學(xué)研究提供了強(qiáng)有力的工具。解析：需明確指出化學(xué)的貢獻(xiàn)在于材料、試劑、機(jī)制創(chuàng)新。結(jié)合具體實(shí)例（CNTs電化學(xué)、量子點(diǎn)放大、MIPs、酶/抗體化學(xué)修飾、手性檢測(cè)），說明這些方法如何具體提升靈敏度（信號(hào)放大）和選擇性（特異性識(shí)別、抗干擾），并點(diǎn)明其應(yīng)用價(jià)值。4.試述你對(duì)應(yīng)用化學(xué)與生物信息學(xué)交叉融合領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢(shì)的展望。應(yīng)用化學(xué)與生物信息學(xué)的交叉融合領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢(shì)將更加深入和廣泛，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是新型生物傳感器的持續(xù)創(chuàng)新：應(yīng)用化學(xué)將致力于開發(fā)基于新型納米材料（如二維材料、鈣鈦礦、金屬有機(jī)框架MOFs）、智能材料（如形狀記憶、刺激響應(yīng)材料）和先進(jìn)傳感技術(shù)（如表面增強(qiáng)光譜、微流控生物傳感器、生物電