2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——應(yīng)用化學(xué)在生物傳感器研究中的應(yīng)用技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.生物傳感器通常由______、______和信號(hào)處理系統(tǒng)三部分組成。2.基于電化學(xué)原理的生物傳感器，其信號(hào)轉(zhuǎn)換通常涉及電子的轉(zhuǎn)移，常見(jiàn)的檢測(cè)方法包括______、______和電導(dǎo)法等。3.在光學(xué)生物傳感器中，利用分子間的能量轉(zhuǎn)移（FRET）原理進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通常需要一個(gè)______和一個(gè)______。4.分子印跡技術(shù)能夠制備具有特定識(shí)別位點(diǎn)的材料，其核心在于模擬生物識(shí)別過(guò)程中______的構(gòu)象和尺寸。5.提高生物傳感器靈敏度的常用策略包括______、______和采用納米材料等。6.表面等離子體共振（SPR）技術(shù)利用了金屬表面電磁波的______，通過(guò)檢測(cè)______的變化來(lái)分析界面反應(yīng)。7.熒光生物傳感器通?；跓晒夥肿釉谂c目標(biāo)物相互作用后其______或______發(fā)生改變來(lái)進(jìn)行信號(hào)輸出。8.電化學(xué)傳感器的選擇性好壞，通常與其電極材料的選擇和______密切相關(guān)。9.壓電生物傳感器利用壓電晶體的______特性，將生物分子識(shí)別事件轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的______信號(hào)。10.導(dǎo)電聚合物因其良好的______和______，在生物傳感器的電極材料制備中受到廣泛關(guān)注。二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.生物傳感器2.換能器3.表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）4.酶免疫傳感器5.分子印跡聚合物（MIP）三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述電化學(xué)生物傳感器的基本工作原理及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。2.與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，熒光生物傳感器在檢測(cè)生物分子方面具有哪些優(yōu)勢(shì)？3.解釋什么是分子印跡技術(shù)，并簡(jiǎn)述其在生物傳感器中的應(yīng)用意義。4.在設(shè)計(jì)用于特定生物分子檢測(cè)的傳感器時(shí)，應(yīng)考慮哪些關(guān)鍵因素？四、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)論述納米材料（如納米金、碳納米管、量子點(diǎn)等）在提高生物傳感器性能方面的作用機(jī)制和具體應(yīng)用實(shí)例。2.以電化學(xué)或光學(xué)生物傳感器為例，分析影響其檢測(cè)靈敏度和選擇性的主要因素，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。3.結(jié)合應(yīng)用化學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)，探討生物傳感器在未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)或精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域可能面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向。試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.敏感元件，換能器2.伏安法，電化學(xué)阻抗譜法3.發(fā)光分子（或探針），猝滅分子（或受體）4.受體5.信號(hào)放大策略，選擇性識(shí)別膜材料的設(shè)計(jì)6.諧振，折射率7.熒光強(qiáng)度，熒光壽命8.底襯材料9.壓電效應(yīng)，頻率10.導(dǎo)電性，易加工性二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.生物傳感器：一種將生物識(shí)別元件（如酶、抗體、核酸等）與物理或化學(xué)換能器結(jié)合的裝置，能夠?qū)⒋郎y(cè)生物量（如葡萄糖、激素、DNA等）的濃度轉(zhuǎn)換成可定量檢測(cè)的信號(hào)（如電信號(hào)、光信號(hào)等）。2.換能器：生物傳感器中將生物識(shí)別元件捕獲的信號(hào)（通常是分子間的相互作用或化學(xué)反應(yīng)）轉(zhuǎn)換為可測(cè)量物理量（如電、光、熱、聲、質(zhì)量等）的部件。3.表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）：一種基于金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離激元共振效應(yīng)對(duì)拉曼散射信號(hào)產(chǎn)生顯著增強(qiáng)（通常增強(qiáng)數(shù)十至數(shù)百萬(wàn)倍）的現(xiàn)象，可用于超高靈敏度的分子檢測(cè)，常用于生物傳感器。4.酶免疫傳感器：利用酶作為生物識(shí)別元件，通過(guò)抗原抗體反應(yīng)特異性識(shí)別目標(biāo)生物分子，再通過(guò)酶促反應(yīng)產(chǎn)生可測(cè)信號(hào)（如催化顯色反應(yīng)或產(chǎn)生電流）的生物傳感器。5.分子印跡聚合物（MIP）：一種通過(guò)模擬生物分子（模板分子）的形態(tài)和尺寸，利用聚合前在單體溶液中引入模板分子，聚合后模板分子被移除，留下具有精確識(shí)別位點(diǎn)的空腔結(jié)構(gòu)的功能性高分子材料，可用于制備具有高選擇性的生物傳感器敏感膜。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.原理：生物識(shí)別元件（如酶、抗體）選擇性識(shí)別目標(biāo)分析物，引發(fā)相應(yīng)的生物化學(xué)反應(yīng)或分子狀態(tài)變化，該變化引起敏感元件的物理化學(xué)性質(zhì)（如電位、電流、電阻、光學(xué)性質(zhì)等）發(fā)生改變，換能器將這種性質(zhì)變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)、光信號(hào)等輸出。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、選擇性好（特異性強(qiáng)）、響應(yīng)速度快、可集成化、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)：生物分子穩(wěn)定性、易受環(huán)境因素（pH、溫度、電活性物質(zhì)等）影響、傳感器壽命、成本較高。2.優(yōu)勢(shì)：靈敏度高（可檢測(cè)pmol/L甚至fmol/L級(jí)別）、選擇性好（基于分子特異性相互作用）、檢測(cè)范圍廣（涵蓋多種生物分子）、操作簡(jiǎn)便、可便攜式檢測(cè)、可實(shí)現(xiàn)多重檢測(cè)。3.解釋：分子印跡技術(shù)是一種“模板法”合成具有特定識(shí)別位點(diǎn)（分子印跡空腔）的功能性聚合物材料的過(guò)程。通過(guò)將目標(biāo)分析物（模板分子）和功能單體固定在預(yù)組織的載體表面，引發(fā)聚合反應(yīng)，形成聚合物網(wǎng)絡(luò)。之后移除模板分子，留下的空腔其形狀、尺寸和化學(xué)環(huán)境與模板分子高度相似，因此對(duì)模板分子或結(jié)構(gòu)類似物具有高度的選擇性識(shí)別能力。應(yīng)用意義：可用于制備具有高度選擇性、穩(wěn)定性和再生性的生物傳感器敏感膜或識(shí)別元件，克服天然生物分子穩(wěn)定性差、易失活等問(wèn)題，提高傳感器的選擇性、抗干擾能力和使用壽命，尤其適用于復(fù)雜體系中的目標(biāo)分析物檢測(cè)。4.關(guān)鍵因素：①識(shí)別元件的選擇：需具備高特異性、高親和力、良好的穩(wěn)定性和足夠的活性（若為酶）。②敏感元件與換能器的匹配：敏感元件的性質(zhì)變化應(yīng)易于被換能器檢測(cè)，且信號(hào)轉(zhuǎn)換效率高。③選擇性：傳感器對(duì)目標(biāo)分析物應(yīng)具有高選擇性，盡量減少對(duì)類似物的響應(yīng)。④靈敏度：傳感器應(yīng)能檢測(cè)到低濃度的目標(biāo)分析物。⑤響應(yīng)時(shí)間：傳感器從接觸分析物到產(chǎn)生穩(wěn)定信號(hào)所需的時(shí)間應(yīng)盡可能短。⑥穩(wěn)定性：傳感器（特別是識(shí)別元件和電極）在重復(fù)使用和長(zhǎng)期儲(chǔ)存中應(yīng)保持良好的性能穩(wěn)定。⑦重現(xiàn)性：不同傳感器之間或同一傳感器多次測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性要好。⑧成本與實(shí)用性：傳感器制備成本、操作復(fù)雜程度及現(xiàn)場(chǎng)適用性等。四、論述題（每題10分，共30分）1.作用機(jī)制與實(shí)例：*提高靈敏度：納米材料（如金納米粒子、碳納米管、量子點(diǎn)）具有巨大的比表面積和量子限域效應(yīng)，可增加生物分子（酶、抗體、DNA等）的固定密度或增強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程。例如，金納米粒子可通過(guò)SPR效應(yīng)增強(qiáng)表面拉曼信號(hào)；碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，可作為高效的導(dǎo)電通路，提高電化學(xué)信號(hào)的幅度；量子點(diǎn)具有可調(diào)的熒光發(fā)射波長(zhǎng)和極高的熒光量子產(chǎn)率，可提高熒光信號(hào)的強(qiáng)度。*增強(qiáng)選擇性：納米材料可作為高效載體固定識(shí)別元件，或本身具有特定的識(shí)別能力（如磁性納米粒子用于磁分離富集目標(biāo)分子）。納米結(jié)構(gòu)（如納米孔道、納米陣列）可提供獨(dú)特的微環(huán)境，提高傳感器的選擇性。*改善生物相容性：某些納米材料（如碳納米管、石墨烯）具有良好的生物相容性，可用于構(gòu)建生物兼容性好的傳感界面。*促進(jìn)信號(hào)傳導(dǎo)：導(dǎo)電納米材料（如碳納米管、導(dǎo)電聚合物納米粒子）可作為“導(dǎo)電橋梁”，促進(jìn)電子在電極/生物分子/電極之間的快速傳遞，降低過(guò)電位，提高電化學(xué)傳感器的響應(yīng)速度和靈敏度。*實(shí)例：基于碳納米管陣列的電化學(xué)葡萄糖傳感器，利用碳納米管的優(yōu)異導(dǎo)電性提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度；基于金納米粒子增強(qiáng)拉曼光譜的蛋白質(zhì)傳感器，利用金納米粒子的SPR效應(yīng)顯著增強(qiáng)拉曼信號(hào)，提高檢測(cè)靈敏度；基于磁性納米粒子免疫傳感器的快速分離與檢測(cè)。2.影響因素與優(yōu)化策略：*影響靈敏度的主要因素：①識(shí)別元件的活性或結(jié)合能力；②敏感元件的響應(yīng)效率（如電化學(xué)傳感器的傳質(zhì)過(guò)程、光學(xué)傳感器的熒光量子產(chǎn)率）；③生物分子在敏感元件表面的固定密度和取向；④信號(hào)放大策略的應(yīng)用（如酶催化放大、介體再生、納米材料增強(qiáng)）；⑤噪聲水平（背景信號(hào)、干擾信號(hào)）。優(yōu)化策略：選擇高活性、高親和力的識(shí)別元件；優(yōu)化敏感元件材料（如選擇更敏感的電極材料、優(yōu)化光學(xué)探針）；提高生物分子固定效率并調(diào)控其活性構(gòu)象；引入有效的信號(hào)放大機(jī)制；降低噪聲（如優(yōu)化電極表面、選擇合適的緩沖液體系、增加篩選層）。*影響選擇性的主要因素：①識(shí)別元件（酶、抗體、適配體等）本身的特異性；②敏感元件對(duì)識(shí)別元件信號(hào)變化的響應(yīng)選擇性；③傳感器表面是否存在非特異性吸附位點(diǎn)；④環(huán)境因素（如pH、離子強(qiáng)度、溫度）對(duì)識(shí)別反應(yīng)的影響；⑤基質(zhì)效應(yīng)（樣品中其他成分對(duì)信號(hào)的影響）。優(yōu)化策略：選擇高特異性的識(shí)別元件；采用“分子印跡”技術(shù)制備高選擇性識(shí)別膜；優(yōu)化傳感器表面處理（如疏水化、親水化改性、多級(jí)篩選膜）；精確控制反應(yīng)環(huán)境條件；采用清洗或再生策略減少干擾；結(jié)合多種識(shí)別元件或采用競(jìng)爭(zhēng)性檢測(cè)模式。3.挑戰(zhàn)與發(fā)展方向：*環(huán)境監(jiān)測(cè)挑戰(zhàn)：①?gòu)?fù)雜基質(zhì)干擾：環(huán)境樣品（水、土壤、空氣）成分復(fù)雜，存在大量干擾物，易影響傳感器選擇性；②目標(biāo)物濃度低、分布不均：環(huán)境污染物往往濃度很低，且時(shí)空分布變化大，要求傳感器具有超高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍和良好的穩(wěn)定性；③現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)需求：需要開發(fā)便攜式、低功耗、易于操作的傳感器系統(tǒng)；④長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行與維護(hù)：傳感器在戶外或偏遠(yuǎn)地區(qū)部署，要求長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，維護(hù)成本高。發(fā)展方向：開發(fā)基于新型識(shí)別元件（如適配體、噬菌體）和抗干擾材料（如功能化石墨烯、分子印跡聚合物）的高選擇性傳感器；集成微流控、信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)便攜式、自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；利用納米技術(shù)、表面增強(qiáng)技術(shù)提高靈敏度；發(fā)展自校準(zhǔn)、自修復(fù)或低功耗技術(shù)，延長(zhǎng)傳感器使用壽命。*精準(zhǔn)醫(yī)療挑戰(zhàn)：①疾病早期診斷與監(jiān)測(cè)：需要高靈敏度、高特異性的傳感器，能在早期階段檢測(cè)到極低濃度的生物標(biāo)志物；②個(gè)體化診療：不同個(gè)體差異大，需要開發(fā)能夠適應(yīng)個(gè)體差異或進(jìn)行多參數(shù)聯(lián)合檢測(cè)的傳感器；③實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)/微創(chuàng)檢測(cè)：減少樣本采集痛苦，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)的生理信