2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——單分子識別技術及應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪一項不是單分子識別技術的主要優(yōu)勢？（）A.能夠研究生物分子間的相互作用細節(jié)B.需要微量的樣品和試劑C.可以在溶液等接近生理的環(huán)境中進行檢測D.通常能夠?qū)崿F(xiàn)高通量并行分析2.在表面等離子體共振（SPR）技術中，檢測器主要測量的是？（）A.反應體系溫度的變化B.隨時間變化的折射率C.反應體系pH值的變化D.激光散射強度3.原子力顯微鏡（AFM）在識別單分子時，主要利用探針與樣品表面之間相互作用力的變化來獲取信息，其中不包括？（）A.疏水相互作用B.離子鍵C.范德華力D.共價鍵4.電化學傳感器在單分子識別中，其信號轉(zhuǎn)換通常依賴于？（）A.顏色變化B.發(fā)光強度變化C.電流或電壓變化D.質(zhì)量變化5.微流控芯片技術應用于單分子識別的主要優(yōu)勢不包括？（）A.可以進行高通量篩選B.可控的反應微環(huán)境C.樣品和試劑消耗量少D.通常適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)6.生物分子互作光譜（BIA）技術通常基于哪種原理檢測分子間相互作用？（）A.酶催化反應速率B.質(zhì)譜分析分子質(zhì)量C.光散射或吸光度變化D.樣品表面形貌改變7.以下哪種技術通常不被歸類為掃描探針顯微鏡（SPM）的范疇？（）A.原子力顯微鏡（AFM）B.掃描隧道顯微鏡（STM）C.表面等離子體共振（SPR）D.拉曼顯微鏡（RamanMicroscopy）8.在單分子識別應用中，識別的“特異性”主要指？（）A.識別過程的速度快B.識別過程產(chǎn)生的信號強C.識別反應對目標分子具有高度的選擇性，不易受其他分子干擾D.識別過程所需的樣品量少9.將單個分子固定在固體表面，然后在其附近逐個引入相互作用分子，并檢測相互作用信號的技術，最符合以下哪種描述？（）A.流式細胞術B.酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）C.熒光偏振光譜D.掃描表面等離子體共振（SPR）10.以下哪項不是當前單分子識別技術面臨的主要挑戰(zhàn)？（）A.提高檢測的靈敏度和特異性B.降低檢測成本，實現(xiàn)普及應用C.在非理想環(huán)境（如復雜生物介質(zhì)）中保持穩(wěn)定性D.實現(xiàn)完全自動化的樣品處理和數(shù)據(jù)分析二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.單分子識別技術能夠提供關于生物分子間相互作用的__________信息，如結(jié)合常數(shù)、作用動力學等。2.表面等離子體共振（SPR）技術利用了金屬表面產(chǎn)生的__________對入射光波的擾動來檢測表面質(zhì)量變化。3.原子力顯微鏡（AFM）通過檢測探針與樣品表面之間的__________變化來成像和識別單分子。4.電化學傳感器在單分子識別中，常用的信號類型包括電流信號（如__________電化學）和電壓信號（如電位法）。5.微流控芯片技術通過精確控制流體在芯片微通道內(nèi)的流動，為單分子識別提供了__________的反應環(huán)境。6.生物分子互作光譜（BIA）技術中，通常使用酶標或熒光標記的分子來放大相互作用信號，提高__________。7.單分子識別技術的核心在于實現(xiàn)對__________的精確操控和檢測。8.在單分子識別應用中，提高識別特異性的一個重要策略是選擇具有高度__________的識別分子或探針。9.將DNA分子固定在表面上，然后逐個添加不同序列的寡核苷酸探針并檢測雜交信號的技術，是__________的一種典型應用。10.除了傳統(tǒng)的光譜、顯微鏡等技術外，基于__________原理的納米顆粒標記技術也在單分子識別領域展現(xiàn)出獨特的應用潛力。三、名詞解釋（每小題3分，共15分。請給出簡潔、準確的定義）1.親和力（Affinity）2.靈敏度（Sensitivity）3.掃描探針顯微鏡（ScanningProbeMicroscopy,SPM）4.微流控芯片（MicrofluidicChip）5.信號放大（SignalAmplification）四、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述表面等離子體共振（SPR）技術檢測生物分子相互作用的原理。2.與傳統(tǒng)的宏觀生物檢測技術（如ELISA）相比，單分子識別技術有哪些顯著的優(yōu)勢？3.原子力顯微鏡（AFM）在識別單分子時，可以檢測哪些類型的相互作用力？請列舉至少三種。4.微流控芯片技術在單分子識別應用中，主要面臨哪些技術挑戰(zhàn)？五、論述題（每小題10分，共30分。請結(jié)合所學知識，深入分析和闡述下列問題）1.選擇一種你熟悉的單分子識別技術（如SPR、AFM、BIA等），詳細論述其基本原理、關鍵組成部分、主要應用領域以及該技術在應用中可能遇到的技術瓶頸和未來的發(fā)展方向。2.試述單分子識別技術在疾病診斷（如早期癌癥標志物檢測、病原體快速識別）方面的應用潛力，并分析實現(xiàn)這些應用需要克服的關鍵科學和技術難題。3.討論將單分子識別技術與其他學科交叉融合（如人工智能、大數(shù)據(jù)、納米技術等）可能帶來的機遇和挑戰(zhàn)，并舉例說明其潛在的應用前景。---試卷答案一、選擇題1.D2.B3.D4.C5.D6.C7.C8.C9.D10.D二、填空題1.定量2.表面等離極化激元3.相互作用力4.電化學阻抗5.可控6.靈敏度7.單個分子8.特異性9.DNA微陣列（或表面等溫滴定分析，SPR等，根據(jù)課程側(cè)重選擇）10.酶催化（或納米標記，根據(jù)課程側(cè)重選擇）三、名詞解釋1.親和力：指生物分子之間結(jié)合的能力，通常用結(jié)合常數(shù)（Kd）來量化，Kd值越小，親和力越強。2.靈敏度：指檢測技術識別并報告出極低濃度或極少數(shù)目標分子的能力。3.掃描探針顯微鏡（SPM）：一類在原子或分子尺度上對樣品表面進行高分辨率成像的顯微鏡技術，包括原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM）等，通過探針與樣品表面的相互作用來獲取信息。4.微流控芯片：一種能夠?qū)ξ⒊叨鹊牧黧w（通常在納米至毫米量級）進行操控、處理和分析的裝置，通常集成在硅片或玻璃片上。5.信號放大：指利用化學反應或物理過程（如酶催化、抗原抗體反應、納米顆粒聚集等）將微弱的檢測信號放大，以提高檢測靈敏度的策略。四、簡答題1.SPR技術利用金屬（如金、銀）表面產(chǎn)生的表面等離極化激元（SurfacePlasmonPolariton）對入射光波的擾動。當生物分子在傳感器表面發(fā)生結(jié)合或解離時，會引起傳感器表面質(zhì)量的變化，進而改變金屬表面的折射率。這種折射率的變化會調(diào)制反射光的角度或強度，通過檢測這種變化，可以實時監(jiān)測分子相互作用的動力學過程，如結(jié)合速率、解離速率和平衡結(jié)合常數(shù)等。2.單分子識別技術的優(yōu)勢在于：能夠研究單個分子層面的相互作用細節(jié)，提供定量的結(jié)合參數(shù)；所需樣品和試劑量極微，適用于稀有分子檢測；可以在接近生理的溶液環(huán)境中進行，更真實地反映生物分子的行為；通常具有更高的靈敏度和特異性。3.AFM在識別單分子時，可以檢測的相互作用力包括：范德華力、靜電力、氫鍵、疏水相互作用、疏水力、鹽橋、配位鍵、范德華力（包括倫敦色散力和靜電力）、離子鍵等。通過調(diào)節(jié)AFM探針的剛度和化學性質(zhì)，可以研究不同類型的相互作用。4.微流控芯片技術在單分子識別應用中面臨的技術挑戰(zhàn)主要包括：微通道內(nèi)流體操控的精確性（如控制流速、混合效率）；保證單分子事件的隨機性和可重復性；微尺度下信號檢測的靈敏度和噪聲水平；樣品進樣的自動化和集成度；以及芯片的設計、制造和封接工藝的復雜性。五、論述題1.（示例：以表面等離子體共振（SPR）技術為例）SPR技術基于金屬表面等離極化激元（表面電子集體振蕩）對入射光波的敏感性。當生物分子在傳感器表面發(fā)生附著或解離時，會引起金屬表面附近的折射率變化，進而擾動等離激元波，導致反射光的角度或強度發(fā)生實時變化。通過檢測這種變化，可以定量分析分子相互作用的動力學參數(shù)，如結(jié)合速率常數(shù)（ka）、解離速率常數(shù)（kd）和平衡結(jié)合常數(shù)（Kd）。關鍵組成部分包括光源、分束器、流路系統(tǒng)（傳感器芯片）、檢測器（角度或強度檢測器）和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。SPR主要應用于研究蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-核酸、蛋白質(zhì)-小分子等相互作用，在藥物研發(fā)、生物檢測、環(huán)境監(jiān)測等領域有廣泛應用。技術瓶頸在于提高在復雜生物樣品（如血液）中的信號質(zhì)量和特異性，降低檢測成本，以及開發(fā)更小巧、便攜的儀器。未來發(fā)展方向包括結(jié)合表面增強光譜技術提高靈敏度，開發(fā)新型傳感器芯片材料，集成微流控技術實現(xiàn)樣品處理，以及利用人工智能進行數(shù)據(jù)分析和模式識別。2.單分子識別技術在疾病診斷方面具有巨大潛力。例如，可以通過高靈敏度檢測體液（如血液、尿液、唾液）中極低濃度的疾病標志物（如循環(huán)腫瘤DNA、特定蛋白質(zhì)、病毒核酸），實現(xiàn)疾病的早期篩查和診斷。對于病原體檢測，可以快速識別和鑒定單個病原體分子，實現(xiàn)病原體感染的早期診斷和耐藥性分析。實現(xiàn)這些應用需要克服的關鍵難題包括：提高檢測在復雜生物基質(zhì)中的特異性和抗干擾能力；降低檢測成本，使其能在資源有限地區(qū)普及；建立標準化和可靠的操作流程；以及開發(fā)便攜式、易于操作的檢測設備，便于現(xiàn)場快速檢測。3.將單分子識別技術與其他學科交叉融合帶來了諸多機遇和挑戰(zhàn)。與人工智能（AI）