2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述分子識別的基本原理及其在分子組裝、傳感器和生物技術(shù)中的應(yīng)用。請至少列舉兩種不同的分子識別機(jī)制，并分別說明其特點(diǎn)。二、設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，用于合成一種特定的有機(jī)小分子（例如，一種具有特定官能團(tuán)的酯類或酰胺類化合物），并對其主要性質(zhì)進(jìn)行初步表征。方案應(yīng)包括：1.合成路線的選擇與簡要說明（包括反應(yīng)機(jī)理概述）。2.關(guān)鍵反應(yīng)步驟的實(shí)驗(yàn)條件（反應(yīng)物、溶劑、溫度、催化劑、時(shí)間等）。3.所需主要儀器設(shè)備和化學(xué)試劑（列出核心試劑）。4.初步表征方法的選擇（如核磁共振、紅外光譜、質(zhì)譜等）及其依據(jù)。三、假設(shè)你在進(jìn)行一項(xiàng)基于分子印跡技術(shù)的傳感器開發(fā)項(xiàng)目，目標(biāo)是識別水體中的特定污染物（如某種酚類化合物）。請描述該分子印跡傳感器的設(shè)計(jì)思路，包括：1.分子印跡聚合物的合成策略（選擇合適的印跡分子、交聯(lián)劑、功能單體和聚合物基質(zhì)）。2.影響分子印跡聚合物識別性能的關(guān)鍵因素有哪些？請列舉至少三項(xiàng)并簡要說明。3.如何評估所制備分子印跡傳感器的選擇性和靈敏度？四、某研究小組合成了兩種不同長度的聚乙二醇（PEG）修飾的納米粒子，用于藥物遞送。請基于材料科學(xué)和生物學(xué)的相關(guān)知識，比較這兩種納米粒子在以下方面的可能差異：1.納米粒子的物理化學(xué)性質(zhì)（如粒徑分布、表面電荷、穩(wěn)定性）。2.納米粒子在生物體內(nèi)的行為（如細(xì)胞攝取效率、血液循環(huán)時(shí)間、生物相容性）。3.納米粒子作為藥物載體的性能（如藥物負(fù)載量、釋放速率和機(jī)制、靶向性）。五、論述計(jì)算化學(xué)在分子設(shè)計(jì)與材料開發(fā)中的作用。請結(jié)合一個(gè)具體的分子或材料設(shè)計(jì)實(shí)例（例如，設(shè)計(jì)一個(gè)新的催化劑、一個(gè)具有特定功能的超分子結(jié)構(gòu)或一種新型功能材料），說明計(jì)算化學(xué)是如何幫助研究人員理解結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、預(yù)測材料性質(zhì)以及指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成的。試卷答案一、分子識別是指分子間通過非共價(jià)鍵相互作用（如氫鍵、范德華力、靜電相互作用、π-π堆積等）形成特定、穩(wěn)定結(jié)合體系的過程。其基本原理基于分子結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性和特異性結(jié)合位點(diǎn)。在分子組裝中，分子識別是實(shí)現(xiàn)精確結(jié)構(gòu)控制和功能導(dǎo)向自組裝的基礎(chǔ)，可構(gòu)建超分子結(jié)構(gòu)、納米器件等。在傳感器中，利用分子識別實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分析物的選擇性檢測。在生物技術(shù)中，分子識別是酶催化、抗原抗體反應(yīng)、基因測序等過程的核心。例如，抗體識別特定的抗原表位，酶識別底物分子并催化特定反應(yīng)，DNA探針識別互補(bǔ)的核酸序列。二、合成路線選擇：以合成乙酸乙酯為例，采用乙醇與乙酸在酸性催化劑（如濃硫酸）存在下進(jìn)行酯化反應(yīng)。反應(yīng)機(jī)理概述：酸催化乙醇脫氫形成乙氧基正離子，隨后與乙酸根進(jìn)攻羰基，生成四氫吡喃負(fù)離子中間體，重排后失去水生成乙酸乙酯和水。實(shí)驗(yàn)條件：*反應(yīng)物：乙醇、乙酸（過量）*溶劑：乙醇（反應(yīng)介質(zhì)）*催化劑：濃硫酸（0.05-0.1mol/L）*溫度：60-80℃*時(shí)間：4-6小時(shí)*脫水：可使用沸石或磁力攪拌防止暴沸，必要時(shí)可水浴加熱。所需主要儀器設(shè)備：圓底燒瓶、冷凝管（直形或球形）、溫度計(jì)、磁力攪拌器、分液漏斗、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。所需主要化學(xué)試劑：乙醇、乙酸、濃硫酸。初步表征方法：*核磁共振氫譜（1HNMR）：用于確認(rèn)乙酸乙酯的特征峰（如α氫3.6-4.0ppm,CH31.2ppm）及反應(yīng)物殘留峰。*紅外光譜（IR）：用于檢測酯的特征官能團(tuán)吸收峰（如C=O伸縮振動1740cm?1）。*氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）：用于測定產(chǎn)物純度并進(jìn)行結(jié)構(gòu)確證。三、設(shè)計(jì)思路：分子印跡聚合物（MIP）是通過模擬特定分子（印跡分子）的結(jié)構(gòu)和空間位阻，利用功能單體在交聯(lián)劑存在下與印跡分子發(fā)生聚合反應(yīng)，去除印跡分子后形成的具有納米孔道或微孔結(jié)構(gòu)的聚合物。這些孔道表面存在與印跡分子互補(bǔ)的識別位點(diǎn)。合成策略：*印跡分子：選擇目標(biāo)酚類污染物作為印跡分子。*功能單體：選擇能與印跡分子通過氫鍵、靜電、π-π相互作用等發(fā)生識別作用的功能單體，如甲基丙烯酸（MAA）、丙烯酸（AA）等。*交聯(lián)劑：選擇能形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、交聯(lián)度適宜的交聯(lián)劑，如乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）。*聚合物基質(zhì)：選擇合適的聚合物主鏈材料，如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或水凝膠基質(zhì)（如聚丙烯酰胺）。影響識別性能的關(guān)鍵因素：1.印跡分子與功能單體的相互作用強(qiáng)度和特異性：相互作用越強(qiáng)、越特異，識別選擇性越高。2.交聯(lián)度：交聯(lián)度越高，孔道結(jié)構(gòu)越緊密，穩(wěn)定性越好，但可能降低識別位點(diǎn)的可及性；交聯(lián)度越低，可及性越好，但選擇性可能下降。3.聚合物基質(zhì)的選擇：影響孔徑大小、形態(tài)、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性。評估傳感器選擇性和靈敏度的方法：*選擇性：通過測定傳感器對目標(biāo)污染物和結(jié)構(gòu)類似物（干擾物）的響應(yīng)差異（如電流信號、電阻變化、光譜吸收變化等）來評估，常用選擇性系數(shù)（目標(biāo)/干擾響應(yīng)比）衡量。也可通過競爭實(shí)驗(yàn)評估。*靈敏度：通過繪制響應(yīng)信號強(qiáng)度（如電流、吸光度）對目標(biāo)污染物濃度（或?qū)?shù)濃度）的關(guān)系圖（校準(zhǔn)曲線），計(jì)算檢出限（LOD）和定量限（LOQ）來評估。四、可能差異：1.物理化學(xué)性質(zhì)：*粒徑分布：較長的PEG鏈可以形成更緊密的刷狀或空間纏結(jié)結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致整體粒徑略有增大或形態(tài)變化（如從球形變?yōu)轭悪E球形），但分布范圍可能因纏結(jié)效應(yīng)而變窄。*表面電荷：PEG鏈端基（如-OH）的存在影響表面電荷密度和zeta電位。較長的PEG鏈可能因靜電屏蔽效應(yīng)或與基質(zhì)相互作用不同，導(dǎo)致表面電荷密度或zeta電位發(fā)生微小變化，影響表面性質(zhì)。*穩(wěn)定性：較長的PEG鏈形成的“空間屏障”效應(yīng)更強(qiáng)，可以有效阻止納米粒子間的聚集，提高其在溶液或生物環(huán)境中的穩(wěn)定性。2.生物體內(nèi)行為：*細(xì)胞攝取效率：較長的PEG鏈可以形成更厚的“Stealth”外殼，增強(qiáng)與蛋白質(zhì)（如補(bǔ)體、清道夫受體）的相互作用，可能降低非特異性吞噬，提高被特定細(xì)胞（如低Fc受體表達(dá)細(xì)胞）攝取的效率或延長循環(huán)時(shí)間。*血液循環(huán)時(shí)間：長的PEG涂層可以更有效地阻止單核吞噬系統(tǒng)（MPS）的識別和清除，從而顯著延長納米粒子在血液中的半衰期。*生物相容性：PEG本身具有良好的生物相容性。兩種長度的PEG修飾納米粒子通常都具有良好的生物相容性，但長鏈PEG可能表現(xiàn)出更優(yōu)越的“隱形”特性，減少免疫原性。3.藥物載體性能：*藥物負(fù)載量：較長的PEG鏈可能因占據(jù)更多表面空間或影響聚合物基質(zhì)與藥物的結(jié)合位點(diǎn)，導(dǎo)致負(fù)載量相對較低。也可能因空間位阻影響藥物分子進(jìn)入孔道。*釋放速率和機(jī)制：長PEG鏈可能形成更厚的屏障，阻礙藥物分子的擴(kuò)散和釋放，導(dǎo)致釋放速率減慢。釋放機(jī)制可能從簡單的擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜?fù)雜的侵蝕或溶蝕控制。不同長度的PEG鏈可能因構(gòu)象和相互作用差異，導(dǎo)致釋放動力學(xué)曲線不同。*靶向性：如果結(jié)合了靶向配體，長PEG鏈可能影響配體的空間位阻或與靶點(diǎn)的結(jié)合效率。但長鏈PEG本身也具有增強(qiáng)體內(nèi)循環(huán)和降低非特異性分布的作用，可能改善整體靶向效率（EPR效應(yīng)）。五、計(jì)算化學(xué)通過量子化學(xué)計(jì)算、分子力學(xué)模擬、分子動力學(xué)模擬等方法，在原子和分子尺度上模擬、預(yù)測和解釋化學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，在分子設(shè)計(jì)與材料開發(fā)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它能夠幫助研究人員在實(shí)驗(yàn)合成前進(jìn)行虛擬篩選、評估不同設(shè)計(jì)的可行性、理解復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。具體實(shí)例：設(shè)計(jì)一種新型金屬有機(jī)框架（MOF）催化劑用于二氧化碳（CO2）活化與轉(zhuǎn)化。計(jì)算化學(xué)可以：1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與篩選：通過能量最小化搜索不同的配體（如含氮雜環(huán)）和金屬離子（如Zn2?,Co2?）的組合，預(yù)測穩(wěn)定且具有開放孔道的MOF結(jié)構(gòu)。比較不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、配體連接方式的相對穩(wěn)定性。2.活性位點(diǎn)識別與結(jié)構(gòu)優(yōu)化：模擬CO2在MOF孔道內(nèi)的吸附行為，識別與CO2相互作用最強(qiáng)的位點(diǎn)（如特定的金屬配位位點(diǎn)或路易斯酸位點(diǎn)）。通過計(jì)算不同結(jié)構(gòu)修飾（如引入路易斯堿基團(tuán)）對吸附能和反應(yīng)活性的影響，優(yōu)化催化劑的活性位點(diǎn)。3.反應(yīng)機(jī)理研究：在量子化學(xué)水平上（如密度泛函理論DFT），詳細(xì)模擬CO2在MOF活性位點(diǎn)上的活化過程（如解離成CO??）以及后續(xù)轉(zhuǎn)化反