2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子科學與工程實踐體驗考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______考生注意：請將所有答案寫在答題紙上，寫在試卷上無效。一、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述分子間作用力（包括范德華力、氫鍵等）對分子結構與性質（如熔點、沸點、溶解性）的影響。2.在分子科學與工程的實踐活動中，進行實驗前進行風險評估和制定安全預案的重要性體現(xiàn)在哪些方面？3.以蛋白質或多糖為例，簡述其結構特征與其生物學功能之間的關系。4.解釋什么是分子自組裝，并列舉至少兩種分子自組裝在分子科學與工程領域的應用實例。二、論述題（每小題10分，共20分）5.結合你所學的知識，論述在材料設計或藥物開發(fā)過程中，理解分子間相互作用的重要性。請說明分子間相互作用如何影響材料的宏觀性能或藥物分子的活性、選擇性及藥代動力學特性。6.選擇一種你熟悉的分子科學與工程領域的實踐技術（如聚合物合成、分子表征、生物分子互作分析等），詳細論述其在科學研究或工業(yè)生產(chǎn)中的應用流程，并分析該技術成功的關鍵因素及面臨的挑戰(zhàn)。三、計算與分析題（共20分）7.某學生在進行聚合物溶液粘度測量實驗時，獲得如下數(shù)據(jù)：在恒溫（25°C）條件下，使用粘度計測量不同濃度C（g/mL）的聚合物溶液的相對粘度ηr和增比粘度ηsp。部分數(shù)據(jù)如下表所示：|濃度C(g/mL)|相對粘度ηr|增比粘度ηsp||--------------|--------------|--------------||0.2|1.10|0.10||0.4|1.38|0.38||0.6|1.75|0.75||0.8|2.20|1.20|（1）計算該濃度范圍內的特性粘數(shù)[η]。（提示：可作圖或使用公式，說明計算方法）（2）根據(jù)所得[η]，簡述該聚合物分子量大小的一般范圍（需要說明依據(jù)或經(jīng)驗值）。（3）簡述粘度法測定聚合物分子量的原理及其主要優(yōu)點。四、設計與應用題（共20分）8.假設你需要設計一個簡單的實驗方案，用于初步篩選能夠與特定靶點蛋白（例如，某個酶）結合的小分子化合物。請回答以下問題：（1）你會選擇哪些基本的實驗方法或技術來實現(xiàn)這一目標？請簡要說明每種方法或技術的原理及其在該篩選方案中的作用。（2）在實驗設計時，需要考慮哪些關鍵因素（如靶點蛋白的性質、化合物庫的選擇、反應條件、檢測方法等）？（3）如何初步判斷某個化合物是否具有與靶點蛋白結合的能力？簡要描述篩選結果的分析判斷依據(jù)。試卷答案一、簡答題（每小題5分，共20分）1.分子間作用力包括范德華力和氫鍵等。范德華力（包括色散力、誘導力、取向力）普遍存在于所有分子之間，其強度隨分子表面積和極化率的增加而增強，影響分子的熔點、沸點（通常表面積越大、極化率越高，范德華力越強，熔沸點越高）、揮發(fā)性及溶解性（非極性分子易溶于非極性分子，極性分子易溶于極性分子，氫鍵存在會顯著提高熔沸點和溶解性）。氫鍵是特殊的分子間作用力，存在于含氫鍵合的分子間（如O-H...O,N-H...O,N-H...N），其強度接近化學鍵但弱于化學鍵，能顯著提高水的特殊性質，對蛋白質、DNA等生物大分子的結構與功能至關重要，影響其溶解度、熔點、黏度等。2.進行風險評估和制定安全預案在分子科學與工程的實踐活動中至關重要。首先，它能識別潛在的危險源（如化學品毒性、易燃易爆性、反應放熱、高壓、生物危害等），預測可能發(fā)生的意外事故（如火災、爆炸、中毒、燙傷、感染等），從而提前采取預防措施，降低事故發(fā)生的概率。其次，完善的預案能在事故發(fā)生時提供清晰、有效的應急處置步驟和程序，指導人員正確操作，迅速控制事態(tài)，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。此外，它有助于規(guī)范實驗室行為，提高人員的安全意識，確保實驗活動的順利進行，并符合相關法律法規(guī)和倫理要求。3.蛋白質結構與其功能密切相關。一級結構（氨基酸序列）決定了蛋白質的基本構象和生物學活性，序列的微小改變可能導致功能喪失或獲得新的活性（如點突變）。二級結構（α-螺旋、β-折疊等）賦予蛋白質局部穩(wěn)定性，并影響其整體形狀。三級結構是蛋白質分子的完整空間構象，由二級結構進一步折疊形成，決定了蛋白質的功能活性位點（如酶的催化位點、抗體的結合位點）的正確構型和可及性。四級結構（亞基聚合）存在于寡聚蛋白中，亞基的排列和相互作用影響蛋白質的整體功能和調控。例如，血紅蛋白的四級結構使其能夠高效地運輸氧氣。多糖結構（如淀粉的直鏈和支鏈結構、糖蛋白的寡糖鏈結構）也決定了其作為能量儲存（淀粉）、結構成分（纖維素）或細胞識別信號（糖蛋白）等功能。4.分子自組裝是指分子（或分子團）憑借分子間相互作用（如氫鍵、范德華力、π-π作用等）在沒有任何外部持續(xù)干預的情況下，自發(fā)地聚集、排列形成有序或無序的超分子結構（如膠束、囊泡、層狀結構、晶體等）。應用實例：①在材料科學中，利用分子自組裝制備具有特定光學、電學、力學性能的納米材料（如液晶、超分子聚合物、自修復材料）；②在藥物遞送系統(tǒng)（如脂質體、聚合物膠束）中，利用自組裝形成穩(wěn)定的載體，提高藥物的靶向性、生物利用度和降低毒副作用；③在生物化學和生物醫(yī)學領域，研究蛋白質、核酸等生物大分子的自組裝行為，理解其天然結構和功能（如病毒衣殼的形成、DNA超螺旋結構），并利用自組裝構建人工生物系統(tǒng)或生物傳感器。二、論述題（每小題10分，共20分）5.分子間相互作用（包括氫鍵、范德華力、離子相互作用、π-π堆積等）在分子科學與工程中具有核心地位，深刻影響著材料設計、藥物開發(fā)等多個方面。在材料設計方面，分子間作用力決定了材料的聚集狀態(tài)、相容性、力學性能、熱穩(wěn)定性、導電性、光學性質等。例如，通過調控分子間氫鍵可以設計具有特定孔道結構或高強度的聚合物材料；金屬有機框架（MOFs）材料的設計很大程度上依賴于金屬節(jié)點與有機配體之間的配位作用和分子間相互作用；液晶材料的功能源于分子間有序排列和特定相互作用。在藥物開發(fā)中，分子間相互作用是藥物分子與靶點（如酶、受體）結合的基礎。藥物與靶點結合的親和力（活性）直接取決于兩者結合位點的形狀、電荷分布、氫鍵、疏水作用等相互作用的綜合效應。藥物分子的溶解性、脂溶性（影響吸收和分布）、代謝穩(wěn)定性（影響半衰期）也與分子間相互作用密切相關。例如，設計小分子抑制劑時，需要精確匹配其疏水部分和氫鍵供/受體與靶點口袋的相互作用；設計大分子藥物（如抗體藥物）時，其與靶點的結合往往涉及復雜的非共價相互作用網(wǎng)絡；改善藥物溶解性常通過引入親水性基團或設計能形成分子內氫鍵以降低分子間相互作用（如與水）的藥物分子。因此，深入理解并調控分子間相互作用是成功設計性能優(yōu)異材料和高效藥物分子的關鍵。6.選擇實例：聚合物合成（例如，自由基聚合制備聚苯乙烯）。該技術廣泛應用于生產(chǎn)塑料、合成纖維、涂料、粘合劑等。應用流程：首先，選擇合適的單體（如苯乙烯）和引發(fā)劑（如過氧化苯甲酰），在特定的溶劑（如苯）或無溶劑條件下，于特定溫度（如60-80°C）下進行聚合反應。反應過程中，引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基，自由基攻擊單體分子鏈引發(fā)鏈增長，單體不斷加成到增長鏈上，形成高分子量聚合物。反應需要持續(xù)一定時間，并通過監(jiān)測單體轉化率或聚合物分子量來控制反應終點。反應結束后，通常需要通過加入終止劑（如氫醌）終止聚合，然后進行聚合物后處理，如洗滌除去未反應的單體和引發(fā)劑、干燥、溶解（如果需要）、或直接進行熔融加工、紡絲、注塑成型等。該技術成功的關鍵因素包括：選擇合適的單體/引發(fā)劑體系以獲得目標分子量和分子量分布；精確控制反應條件（溫度、時間、氣氛等）以保證反應速率和聚合物性能的穩(wěn)定性；有效的后處理工藝以獲得純度高、性能優(yōu)的聚合物產(chǎn)品。面臨的挑戰(zhàn)包括：控制聚合反應的活性以避免副反應（如凝膠、交聯(lián)），獲得窄分子量分布；實現(xiàn)活性/可控/可逆聚合以合成具有特定結構（如支化、嵌段）和功能性的聚合物；開發(fā)綠色環(huán)保的聚合工藝（如水相聚合、無溶劑聚合）；表征復雜聚合物結構（如長鏈支化、序列分布）的技術挑戰(zhàn)。三、計算與分析題（共20分）7.（1）計算特性粘數(shù)[η]的方法：方法一（作圖法）：以增比粘度ηsp/C對濃度C作圖，得到一條直線。該直線的斜率即為特性粘數(shù)[η]。方法二（公式法）：對于某些聚合物稀溶液，符合Huggins方程ηsp/C=[η]+K'H[η]2C，其中K'H為Huggins常數(shù)。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可以計算不同濃度下的(ηsp/C)-C值：|C(g/mL)|ηsp/C|(ηsp/C)-C||----------|------------|--------------||0.2|0.500|0.300||0.4|0.950|0.550||0.6|1.250|0.650||0.8|1.500|0.700|作(ηsp/C)-C圖，得到近似直線，其斜率為[η]。根據(jù)計算點，斜率約為0.65mL/g。因此，[η]≈0.65mL/g。（2）根據(jù)所得[η]≈0.65mL/g，可以參考經(jīng)驗關系或文獻數(shù)據(jù)估算聚合物分子量。對于聚苯乙烯等非極性聚合物，在良溶劑中，[η]與分子量Mw的關系通常符合Mark-Houwink方程[η]=K'Mw^a，其中K'和a為常數(shù)（取決于聚合物-溶劑體系，在25°C，苯作溶劑時，K'≈0.125，a≈0.72）。則Mw≈([η]/K')^(1/a)≈(0.65/0.125)^(1/0.72)≈5.2^(1/0.72)≈5.2^1.39≈14,000g/mol。因此，該聚合物分子量大小的一般范圍約為幾萬道爾頓。（3）粘度法測定聚合物分子量的原理是基于稀溶液中，聚合物鏈段的運動受到溶劑分子和其它鏈段的纏結、摩擦阻礙，導致溶液粘度增加。溶液的粘度（相對粘度ηr=t/t?，增比粘度ηsp=ηr-1，比濃粘度ηcp=ηsp/C）與聚合物濃度和分子量有關。通過測量不同濃度下的粘度，繪制ηsp/C-C圖（Huggins圖）或lnηr/C-C圖（Mark-Houwink圖），得到斜率[η]和截距K'（或通過外推法得到截距），結合Mark-Houwink方程[η]=K'Mw^a，即可計算出聚合物的重均分子量Mw。主要優(yōu)點包括：儀器設備相對簡單、成本較低、操作相對便捷；對于柔性鏈聚合物，可在較寬濃度范圍內測定；是工業(yè)上質量控制聚合物平均分子量的常用方法。缺點包括：測定的是重均分子量，對分布寬度不敏感；對極性大、鏈剛性或交聯(lián)聚合物可能需要校正；溶劑選擇對結果影響大；不適用于濃度較高或濃溶液。四、設計與應用題（共20分）8.（1）篩選靶點蛋白結合小分子化合物的實驗方法或技術：*表面等離子共振（SPR）：原理利用等離子體激元共振技術檢測結合事件時生物分子間相互作用力（如范德華力、靜電相互作用）的變化。作用：可實時、靈敏地監(jiān)測小分子與靶點蛋白結合和解離的過程，提供結合動力學參數(shù)（解離常數(shù)KD、結合速率Ka、解離速率Kd），并可用于定量分析結合量，是篩選和精確定量相互作用強度的常用技術。*酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）：原理利用抗體特異性識別靶點蛋白或小分子，通過酶標二抗和顯色底物產(chǎn)生可測信號。作用：可用于檢測小分子是否能在溶液中與靶點蛋白結合形成復合物（如果靶點蛋白或小分子有可利用的標記位點或捕獲策略），或檢測小分子是否影響靶點蛋白的活性（通過檢測酶活性變化），適合高通量篩選。*微滴板熒光檢測：原理將小分子化合物與靶點蛋白分別包覆在微孔板中，通過熒光探針（如FRET、熒光共振能量轉移）檢測結合事件引起的熒光信號變化。作用：適合高通量、自動化篩選，能夠快速評估大量化合物與靶點的相互作用。*核磁共振（NMR）波譜法：原理利用核磁共振現(xiàn)象，檢測小分子與靶點蛋白結合時，引起蛋白質或小分子核磁共振信號化學位移、自旋-自旋弛豫時間等的變化。作用：提供結合位點的直接結構信息，可用于確認結合模式，并可用于篩選具有特定結合親和力或選擇性結合位點的化合物。*質譜（MS）：原理利用質譜儀檢測結合復合物的形成。作用：可通過檢測復合物的質量增加來確認結合事件，并可用于研究結合stoichiometry（結合比例）。（2）實驗設計時需要考慮的關鍵因素：*靶點蛋白的性質：靶點蛋白的穩(wěn)定性、溶解度、來源、是否易于標記或檢測、最佳反應條件（pH、溫度、離子強度）等。*化合物庫的選擇：化合物庫的多樣性、化合物類型、數(shù)量、溶解性、安全性、成本等。*反應條件：結合反應的最佳緩沖體系、pH、溫度、離子強度、孵育時間、濃度配比等需要優(yōu)化。*檢測方法的選擇：根據(jù)所選技術，需要選擇合適的檢測試劑、信號放大系統(tǒng)或儀器參數(shù)，確保檢測靈敏度和特異性。*對照設置：必須設置空白對照（未加化合物/蛋白）、陰性對照