2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——分子科學(xué)與工程中的納米熒光技術(shù)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)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.量子點(diǎn)尺寸減小，其熒光發(fā)射峰位通常會(huì)（）。A.向長(zhǎng)波方向移動(dòng)B.向短波方向移動(dòng)C.不變D.強(qiáng)度顯著增強(qiáng)但不改變峰位2.導(dǎo)致量子點(diǎn)熒光發(fā)射峰位與其尺寸關(guān)系的主要物理機(jī)制是（）。A.表面缺陷B.量子限域效應(yīng)C.多重激發(fā)態(tài)D.晶格振動(dòng)3.在生物成像應(yīng)用中，理想的熒光探針應(yīng)具備的特點(diǎn)不包括（）。A.高量子產(chǎn)率B.良好的生物相容性C.可見(jiàn)光波段發(fā)射D.熒光壽命極長(zhǎng)4.與有機(jī)熒光染料相比，量子點(diǎn)在生物成像中主要優(yōu)勢(shì)之一是（）。A.發(fā)射光譜更寬B.光穩(wěn)定性更好C.成本更低廉D.易于實(shí)現(xiàn)表面功能化5.上轉(zhuǎn)換納米材料能夠吸收能量較高的紅外光并發(fā)射可見(jiàn)光，其實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的物理基礎(chǔ)是（）。A.激子輻射B.多光子吸收與能量傳遞C.水峰猝滅D.斯托克斯位移6.用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的納米熒光傳感器，其主要目標(biāo)功能是（）。A.在生物體內(nèi)標(biāo)記細(xì)胞B.檢測(cè)水體或空氣中的特定污染物C.制造發(fā)光顯示器D.實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換7.下列哪種材料通常被認(rèn)為具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，適用于需要長(zhǎng)期或苛刻環(huán)境下發(fā)光的應(yīng)用？（）A.CdSe量子點(diǎn)B.有機(jī)熒光染料C.碳點(diǎn)D.AlN量子點(diǎn)8.在熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）機(jī)制中，能量供體和受體的熒光壽命變化規(guī)律是（）。A.供體壽命延長(zhǎng)，受體壽命延長(zhǎng)B.供體壽命縮短，受體壽命縮短C.供體壽命縮短，受體壽命延長(zhǎng)D.供體壽命延長(zhǎng)，受體壽命縮短9.納米熒光材料在光動(dòng)力療法（PDT）中發(fā)揮作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是（）。A.熒光材料吸收特定波長(zhǎng)的光B.產(chǎn)生單線態(tài)氧等活性氧物種C.熒光材料將光能轉(zhuǎn)化為熱能D.熒光材料直接殺死癌細(xì)胞10.下列哪項(xiàng)技術(shù)通常不用于表征納米熒光材料的形貌和尺寸？（）A.X射線衍射（XRD）B.透射電子顯微鏡（TEM）C.拉曼光譜（RamanSpectroscopy）D.掃描電子顯微鏡（SEM）二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.熒光量子產(chǎn)率（Φ_F）定義為發(fā)光分子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)與吸收的光子數(shù)之比，其值介于______和______之間。2.納米材料的______效應(yīng)對(duì)其光學(xué)性質(zhì)（如吸收光譜和熒光發(fā)射光譜）產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致尺寸減小時(shí)發(fā)射峰向短波方向移動(dòng)。3.在生物傳感器中，納米熒光探針與目標(biāo)分析物結(jié)合后，其熒光強(qiáng)度、波長(zhǎng)或壽命發(fā)生可測(cè)量的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為_(kāi)_____。4.下轉(zhuǎn)換納米材料通常由較重的離子構(gòu)成，能夠吸收近紅外光激發(fā)，并通過(guò)______過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量傳遞，最終發(fā)射可見(jiàn)光。5.量子點(diǎn)表面修飾（或稱(chēng)表面鈍化）的主要目的是提高其______和______，降低表面缺陷對(duì)熒光性能的影響。6.熒光壽命成像（FLIM）技術(shù)利用不同熒光壽命探針的______差異來(lái)獲取信息，可用于研究______。7.碳點(diǎn)作為一種新興的納米熒光材料，其主要優(yōu)勢(shì)在于______、______以及良好的生物相容性。8.將納米熒光材料引入復(fù)合材料中，可以賦予材料______功能，拓展其在______等領(lǐng)域的應(yīng)用。9.在熒光顯微鏡中，常通過(guò)______和______技術(shù)來(lái)消除背景熒光干擾，提高成像信噪比。10.表征納米熒光材料光學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)包括吸收光譜、發(fā)射光譜、______和熒光壽命等。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述量子限域效應(yīng)對(duì)量子點(diǎn)熒光發(fā)射特性的影響。2.簡(jiǎn)述熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）發(fā)生的基本條件和過(guò)程。3.簡(jiǎn)述上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換納米熒光材料在激發(fā)光源選擇上的主要區(qū)別及其原因。4.簡(jiǎn)述納米熒光技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例，并說(shuō)明其基本原理。四、計(jì)算題（6分）假設(shè)有一個(gè)某種材料的量子點(diǎn)，其吸收光譜在400nm處有強(qiáng)烈的吸收峰，在500nm處吸收顯著減弱。該量子點(diǎn)在激發(fā)波長(zhǎng)為400nm時(shí)，發(fā)射光譜的主峰位于550nm處，其熒光量子產(chǎn)率（Φ_F）為70%。請(qǐng)計(jì)算：（1）該量子點(diǎn)的斯托克斯位移是多少？（2）如果將此量子點(diǎn)用于生物成像，其斯托克斯位移對(duì)成像的意義是什么？（簡(jiǎn)述即可）五、論述題（18分）當(dāng)前，納米熒光技術(shù)在分子識(shí)別、生物成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。請(qǐng)結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，論述在推動(dòng)納米熒光技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程中，面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.D4.B5.B6.B7.D8.C9.B10.A二、填空題1.012.量子限域3.熒光響應(yīng)4.能量傳遞5.光穩(wěn)定性光譜純度6.熒光壽命成分/環(huán)境7.成本低可生物合成/生物降解8.熒光傳感環(huán)境監(jiān)測(cè)/生物成像9.濾光片光闌/光束擋10.量子產(chǎn)率三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：量子限域效應(yīng)是指當(dāng)納米半導(dǎo)體材料的尺寸減小到納米尺度（小于其電子的德布羅意波長(zhǎng)）時(shí)，電子在材料內(nèi)部的波函數(shù)被限制，導(dǎo)致其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，能隙增大。這導(dǎo)致吸收光譜紅移，同時(shí)由于束縛效應(yīng)增強(qiáng)，熒光發(fā)射峰藍(lán)移（向短波方向移動(dòng)），且熒光強(qiáng)度增加、半峰寬變窄、光譜更窄。簡(jiǎn)答題需概括這幾點(diǎn)核心影響。2.解析思路：FRET發(fā)生的條件主要包括：①能量供體（D）和受體（A）必須足夠接近（通常小于10nm）；②供體的發(fā)射光譜必須與受體的吸收光譜重疊；③供體的發(fā)射量子產(chǎn)率較高；④體系的熒光猝滅不能過(guò)強(qiáng)。過(guò)程簡(jiǎn)述即能量從高能級(jí)的供體通過(guò)非輻射能量轉(zhuǎn)移過(guò)程傳遞給低能級(jí)的受體，供體無(wú)輻射躍遷至基態(tài)，受體被激發(fā)。3.解析思路：上轉(zhuǎn)換材料吸收近紅外（NIR）光（如980nm），直接激發(fā)電子至導(dǎo)帶；下轉(zhuǎn)換材料吸收紫外或可見(jiàn)光，電子被激發(fā)至導(dǎo)帶或激發(fā)態(tài)，隨后通過(guò)能量傳遞（如敏化劑-發(fā)射劑體系）將能量傳遞給發(fā)射劑，使其激發(fā)并發(fā)射光。主要區(qū)別在于激發(fā)光源波長(zhǎng)，上轉(zhuǎn)換利用長(zhǎng)波NIR光，穿透能力強(qiáng)，可減少散射和autofluorescence干擾；下轉(zhuǎn)換利用短波紫外或可見(jiàn)光，設(shè)備成本相對(duì)較低，但易受生物樣品autofluorescence干擾。4.解析思路：選擇一個(gè)具體應(yīng)用，如活細(xì)胞成像。原理是利用熒光探針（如標(biāo)記了量子點(diǎn)的抗體或分子）特異性地與細(xì)胞內(nèi)的目標(biāo)分子（如蛋白質(zhì)、DNA）結(jié)合，探針進(jìn)入細(xì)胞后發(fā)出熒光信號(hào)。通過(guò)熒光顯微鏡等設(shè)備可以觀察到目標(biāo)分子的定位、分布、動(dòng)態(tài)變化等信息。利用了熒光標(biāo)記的特異性、納米熒光材料的高靈敏度和良好的光學(xué)特性。四、計(jì)算題（1）斯托克斯位移=發(fā)射波長(zhǎng)-吸收波長(zhǎng)=550nm-400nm=150nm（2）解析思路：斯托克斯位移是指熒光發(fā)射光譜峰值相對(duì)于吸收光譜峰值的位置移動(dòng)的距離。較大的斯托克斯位移意味著發(fā)射光波長(zhǎng)比吸收光波長(zhǎng)長(zhǎng)。其意義在于：①減少激發(fā)光與發(fā)射光的重疊，避免激發(fā)光對(duì)發(fā)射信號(hào)的干擾，提高成像信噪比；②使發(fā)射光波長(zhǎng)更遠(yuǎn)離生物組織的自發(fā)熒光和第二諧波散射峰，減少背景干擾，提高成像清晰度。五、論述題解析思路：論述題需從多個(gè)角度分析挑戰(zhàn)與對(duì)策。*挑戰(zhàn)：①材料穩(wěn)定性（光、熱、化學(xué)、光化學(xué)穩(wěn)定性不足）；②生物相容性（細(xì)胞毒性、免疫原性等）；③規(guī)模化制備（成本高、重復(fù)性差、難以控制尺寸/形貌均勻性）；④實(shí)際應(yīng)用中的性能優(yōu)化（如提高靈敏度、特異性、信號(hào)采集效率）；⑤復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)干擾（背景熒光、autofluorescence）；⑥倫理與安全法規(guī)（長(zhǎng)期生物效應(yīng)、環(huán)境影響等）。*解決方案：①材料設(shè)計(jì)：開(kāi)發(fā)新型穩(wěn)定材料，如核殼結(jié)構(gòu)、表面修飾/鈍化；②表面工程：引入功能基團(tuán)改善生物相容性、提高水溶性、增強(qiáng)靶向性；③綠色合成：探索低