2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——生物分子與金屬有機(jī)框架材料的相互作用考試時(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)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.下列哪種金屬離子常被用作構(gòu)建具有高孔隙率金屬有機(jī)框架（MOFs）的配位節(jié)點(diǎn)？A.Ca2+B.K+C.Al3+D.Cs+2.生物分子與金屬有機(jī)框架（MOFs）相互作用的主要驅(qū)動(dòng)力不包括？A.氫鍵B.離子交換C.共價(jià)鍵形成D.π-π堆積3.在生物分子（如蛋白質(zhì)）固定在MOFs載體上時(shí)，MOFs的孔道尺寸和形狀對(duì)蛋白質(zhì)活性的主要影響是？A.增大蛋白質(zhì)的溶解度B.導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生不可逆改變C.為蛋白質(zhì)提供微環(huán)境，影響其催化活性或穩(wěn)定性D.阻止底物與蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)的接觸4.以下哪種策略通常用于增強(qiáng)生物分子與MOFs材料的疏水相互作用？A.在MOFs骨架中引入帶電荷的配體B.在MOFs表面接枝親水性聚合物C.選擇具有疏水性孔道的MOFs材料D.使用陽(yáng)離子型生物分子進(jìn)行組裝5.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用主要利用了其哪項(xiàng)特性？A.高比表面積B.可調(diào)變的孔道化學(xué)環(huán)境C.穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)D.優(yōu)異的導(dǎo)電性6.對(duì)于生物分子（如DNA）與MOFs的相互作用，以下哪種情況可能導(dǎo)致DNA的序列特異性識(shí)別？A.MOFs表面存在與DNA堿基互補(bǔ)的配位點(diǎn)B.MOFs孔道大小與DNA雙螺旋直徑完全匹配C.MOFs骨架材料對(duì)特定DNA構(gòu)象有選擇性D.MOFs的靜電作用強(qiáng)于氫鍵作用7.金屬有機(jī)框架（MOFs）作為藥物遞送載體的主要優(yōu)勢(shì)之一是？A.藥物在MOFs孔道內(nèi)可快速溶解B.MOFs材料本身具有高效的藥理活性C.MOFs可精確控制藥物釋放的速率和地點(diǎn)D.MOFs對(duì)體內(nèi)環(huán)境具有完全的免疫原性8.在設(shè)計(jì)用于生物催化的MOFs-酶復(fù)合材料時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的因素不包括？A.酶在MOFs孔道內(nèi)的固定方式B.MOFs孔道大小是否允許底物和產(chǎn)物進(jìn)入C.MOFs骨架材料是否與酶的活性中心發(fā)生相互作用D.復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性9.生物分子與MOFs相互作用后，其生物功能可能發(fā)生改變，這種改變可能是？A.活性提高或降低B.選擇性增強(qiáng)或減弱C.穩(wěn)定性增加或減少D.以上所有情況均有可能10.以下哪項(xiàng)技術(shù)常被用于研究生物分子與MOFs材料在界面處的結(jié)構(gòu)變化？A.X射線衍射（XRD）B.拉曼光譜（RamanSpectroscopy）C.核磁共振波譜（NMRSpectroscopy）D.紫外-可見光譜（UV-VisSpectroscopy）二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共30分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。）11.簡(jiǎn)述金屬有機(jī)框架（MOFs）材料的基本結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)生物分子相互作用的影響。12.闡述生物分子與金屬有機(jī)框架（MOFs）之間可能存在的幾種主要相互作用類型。13.解釋為什么表面功能化是調(diào)控生物分子與MOFs材料相互作用的重要手段。14.生物分子固定在MOFs載體上后，對(duì)其原有生物功能可能產(chǎn)生哪些積極影響？15.舉例說(shuō)明金屬有機(jī)框架（MOFs）材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一種潛在應(yīng)用，并簡(jiǎn)述其工作原理。16.簡(jiǎn)述影響生物分子在金屬有機(jī)框架（MOFs）材料中吸附和固定效率的主要因素。三、論述題（每小題10分，共40分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問(wèn)題。）17.分析并比較通過(guò)物理吸附和化學(xué)鍵合兩種方法將生物分子固定在MOFs材料上的優(yōu)缺點(diǎn)。18.論述金屬有機(jī)框架（MOFs）材料的結(jié)構(gòu)特征（如孔徑、化學(xué)組成、表面性質(zhì)）如何影響其在生物傳感中的應(yīng)用性能。19.以藥物遞送為例，論述設(shè)計(jì)具有特定功能的生物分子-金屬有機(jī)框架（MOFs）復(fù)合材料時(shí)需要考慮的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)。20.綜合考慮生物相容性、功能效率、生物安全性等因素，討論當(dāng)前生物分子與金屬有機(jī)框架（MOFs）材料相互作用研究面臨的主要挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。）1.C解析：Al3+和Zn2+等過(guò)渡金屬離子因其配位靈活性和多面體配位能力，常被用作構(gòu)建具有高孔隙率MOFs的配位節(jié)點(diǎn)。Ca2+、K+、Cs+等陽(yáng)離子雖然也可能用于MOFs，但不如Al3+和Zn2+常見作為主要配位節(jié)點(diǎn)。2.C解析：生物分子與MOFs的相互作用主要通過(guò)分子間作用力實(shí)現(xiàn)，如氫鍵、范德華力、靜電作用、π-π堆積等。共價(jià)鍵形成通常不是這種相互作用的驅(qū)動(dòng)力，而是指MOFs骨架本身的構(gòu)建方式。3.C解析：MOFs的孔道尺寸和形狀可以提供一個(gè)獨(dú)特的微環(huán)境，影響蛋白質(zhì)的構(gòu)象穩(wěn)定性、底物和產(chǎn)物的可及性以及與催化活性位點(diǎn)的相互作用，從而調(diào)節(jié)其催化活性或穩(wěn)定性。4.C解析：選擇具有疏水性孔道的MOFs材料，可以使疏水性生物分子更容易被容納和固定在孔道內(nèi)，增強(qiáng)兩者之間的疏水相互作用。接枝親水性基團(tuán)則會(huì)增強(qiáng)親水性。5.B解析：MOFs材料具有可設(shè)計(jì)、可調(diào)變的孔道化學(xué)環(huán)境和物理化學(xué)性質(zhì)（如表面電荷、配位位點(diǎn)），這使得它們能夠與特定的生物分子發(fā)生選擇性相互作用，從而構(gòu)建高靈敏度和高選擇性的生物傳感器。6.A解析：如果MOFs表面存在與DNA堿基序列互補(bǔ)的特定配位點(diǎn)（如氨基、羧基等），可以通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA序列的特異性識(shí)別和結(jié)合。7.C解析：MOFs材料具有極高的孔隙率和可調(diào)變的孔道環(huán)境，可以精確地封裝藥物分子，并通過(guò)調(diào)節(jié)MOFs的性質(zhì)或外界刺激（如pH、溫度）來(lái)控制藥物釋放的速率和地點(diǎn)。8.D解析：設(shè)計(jì)用于生物催化的MOFs-酶復(fù)合材料時(shí)，需考慮酶的固定、底物可及性、活性位點(diǎn)的保護(hù)、穩(wěn)定性等生物化學(xué)和材料科學(xué)因素。機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性雖然重要，但不是生物催化的核心考慮因素。9.D解析：生物分子與MOFs相互作用后，其生物功能（如酶活性、結(jié)合能力、穩(wěn)定性等）可能發(fā)生多種改變，包括活性提高或降低、選擇性增強(qiáng)或減弱、穩(wěn)定性增加或減少等。10.B解析：拉曼光譜對(duì)分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)變化非常敏感，可以用來(lái)研究生物分子在界面處的結(jié)構(gòu)變化、化學(xué)環(huán)境變化以及與MOFs基體的相互作用。XRD主要用于研究晶體結(jié)構(gòu)，NMR和UV-Vis主要用于研究分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電子躍遷，雖然也能提供一些界面信息，但拉曼光譜更直接。二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共30分。）11.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料的基本結(jié)構(gòu)特征是由金屬離子或簇作為節(jié)點(diǎn)，通過(guò)有機(jī)配體連接形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。其結(jié)構(gòu)特征如孔徑大小、形狀、表面化學(xué)性質(zhì)、比表面積等，深刻影響著生物分子在其表面的吸附行為、固定方式以及在孔道內(nèi)的相互作用。例如，合適的孔徑和形狀可以容納生物分子，而表面化學(xué)性質(zhì)則決定了主要的相互作用類型。12.生物分子與金屬有機(jī)框架（MOFs）之間可能存在的幾種主要相互作用類型包括：①氫鍵作用，生物分子上的羥基、氨基、羧基等基團(tuán)與MOFs表面或孔道內(nèi)的配體、節(jié)點(diǎn)金屬發(fā)生氫鍵作用；②靜電相互作用，帶電的生物分子（如帶正電荷的賴氨酸側(cè)鏈、帶負(fù)電荷的天冬氨酸側(cè)鏈）與MOFs表面帶相反電荷的位點(diǎn)發(fā)生吸引；③范德華力，包括倫敦色散力和偶極-偶極相互作用，存在于所有分子之間，但在緊密接觸的界面處作用顯著；④π-π堆積作用，生物分子中的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)或MOFs孔道內(nèi)配體的芳香環(huán)之間發(fā)生堆積；⑤配位作用，生物分子上的氮、氧等配位原子可以與MOFs節(jié)點(diǎn)金屬離子或具有空配位位的配體發(fā)生配位鍵形成。13.表面功能化是指對(duì)MOFs材料的表面進(jìn)行化學(xué)修飾，引入特定的官能團(tuán)或改變表面化學(xué)性質(zhì)的過(guò)程。通過(guò)表面功能化，可以精確調(diào)控MOFs與生物分子之間的相互作用類型（如增強(qiáng)特異性識(shí)別、改變結(jié)合親和力）、提高生物相容性、防止生物分子非特異性吸附或降解，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子在MOFs材料上固定行為和生物功能的有效控制。14.生物分子固定在MOFs載體上后，對(duì)其原有生物功能可能產(chǎn)生的積極影響包括：①提高穩(wěn)定性和貨架期，MOFs的剛性結(jié)構(gòu)和微環(huán)境可以保護(hù)生物分子免受外界環(huán)境（如溫度、pH、酶）的影響；②提高催化活性或效率，MOFs的孔道結(jié)構(gòu)可以提供優(yōu)化的微環(huán)境，增加底物濃度，減少擴(kuò)散限制，或使生物分子與其他輔助因子/底物更有效接觸；③增強(qiáng)生物相容性和靶向性，通過(guò)功能化設(shè)計(jì)，可以改善MOFs的細(xì)胞相容性，或使其能夠靶向特定組織/細(xì)胞；④便于分離純化和重復(fù)使用，MOFs材料具有可回收性，可以方便地將生物分子與MOFs復(fù)合材料分離，并用于多次循環(huán)應(yīng)用。15.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料在生物傳感領(lǐng)域的潛在應(yīng)用之一是構(gòu)建高靈敏度的氣體傳感器。例如，可以選擇具有特定金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體的MOFs材料，使其對(duì)目標(biāo)氣體分子（如二氧化碳、一氧化碳、甲醛等）具有高度的選擇性和靈敏度的物理吸附或化學(xué)相互作用。當(dāng)目標(biāo)氣體分子與MOFs材料相互作用時(shí)，會(huì)引起MOFs材料的結(jié)構(gòu)、電子態(tài)或光譜性質(zhì)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)這些變化（如利用光譜技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)等）即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的檢測(cè)。其工作原理基于MOFs材料對(duì)特定分子的高度選擇性識(shí)別能力和可探測(cè)的物理化學(xué)信號(hào)響應(yīng)。16.影響生物分子在金屬有機(jī)框架（MOFs）材料中吸附和固定效率的主要因素包括：①生物分子自身的性質(zhì)，如分子大小、形狀、表面電荷、疏水性、構(gòu)象狀態(tài)等；②MOFs材料的結(jié)構(gòu)特征，如孔徑大小和形狀是否匹配、比表面積、孔隙率、表面化學(xué)性質(zhì)（如電荷、官能團(tuán)）等；③生物分子與MOFs材料之間的相互作用力類型和強(qiáng)度；④溶液條件，如pH值（影響電荷狀態(tài)）、離子強(qiáng)度、溫度、溶劑極性等；⑤固定方法，不同的固定方法（如物理吸附、化學(xué)交聯(lián)、共價(jià)鍵合）對(duì)效率有顯著影響。三、論述題（每小題10分，共40分。）17.通過(guò)物理吸附將生物分子固定在MOFs材料上主要依靠分子間作用力（如氫鍵、范德華力、靜電作用等），生物分子與MOFs之間沒(méi)有共價(jià)鍵的形成。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、條件溫和、生物分子通常保持其原有活性和構(gòu)象，易于回收，且可以用于制備具有生物分子動(dòng)態(tài)行為的復(fù)合材料。缺點(diǎn)是相互作用力較弱，結(jié)合穩(wěn)定性較差，容易受外界條件變化影響導(dǎo)致生物分子脫落，難以實(shí)現(xiàn)高密度的生物分子固定，且可能存在非特異性吸附。通過(guò)化學(xué)鍵合將生物分子固定在MOFs材料上是通過(guò)共價(jià)鍵將生物分子連接到MOFs表面或孔道內(nèi)的活性位點(diǎn)（如金屬節(jié)點(diǎn)、配體）。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的定點(diǎn)、高密度固定，有利于構(gòu)建穩(wěn)定的生物催化或傳感體系。缺點(diǎn)是化學(xué)修飾過(guò)程可能引入外來(lái)基團(tuán)影響生物分子活性，操作相對(duì)復(fù)雜，溫和條件下的化學(xué)鍵合可能對(duì)生物分子造成一定損傷，且生物分子一旦固定后難以完全去除。18.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料的結(jié)構(gòu)特征對(duì)其在生物傳感中的應(yīng)用性能具有決定性影響。首先，MOFs的孔徑大小和形狀必須與目標(biāo)生物分子或信號(hào)分子的大小和形狀相匹配，以保證其能夠進(jìn)入MOFs的孔道內(nèi)部發(fā)生相互作用。其次，MOFs的化學(xué)組成（金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體的種類）決定了其表面和孔道內(nèi)的化學(xué)環(huán)境，如表面電荷、存在的手性中心、特定的官能團(tuán)等，這些化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響MOFs與生物分子之間的選擇性識(shí)別能力和相互作用強(qiáng)度。此外，MOFs的比表面積和孔隙率直接影響其與生物分子的接觸面積和負(fù)載量，進(jìn)而影響傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。最后，MOFs材料的穩(wěn)定性和生物相容性也是其在生物傳感應(yīng)用中必須考慮的關(guān)鍵因素，需要確保MOFs材料在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性和安全性，不會(huì)引起免疫反應(yīng)或毒性。因此，設(shè)計(jì)和選擇具有合適結(jié)構(gòu)特征的MOFs材料是實(shí)現(xiàn)高效生物傳感的關(guān)鍵。19.以藥物遞送為例，設(shè)計(jì)具有特定功能的生物分子-金屬有機(jī)框架（MOFs）復(fù)合材料時(shí)需要考慮的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)包括：①生物分子與MOFs的相互作用機(jī)制和界面設(shè)計(jì)，如何選擇或修飾生物分子和MOFs以實(shí)現(xiàn)高效、特異、可逆的相互作用，并保護(hù)生物分子的活性和穩(wěn)定性；②藥物在復(fù)合材料中的封裝和控釋機(jī)制，如何將藥物分子有效負(fù)載在MOFs孔道內(nèi)，并設(shè)計(jì)智能響應(yīng)或調(diào)控藥物釋放的途徑（如pH、溫度、光、磁場(chǎng)等刺激）；③復(fù)合材料在生物體內(nèi)的行為和命運(yùn)，包括其生物相容性、細(xì)胞毒性、血液相容性、代謝途徑、排泄方式等，以及如何實(shí)現(xiàn)體內(nèi)靶向遞送；④復(fù)合材料的有效性和安全性評(píng)價(jià)，如何建立完善的體外和體內(nèi)評(píng)價(jià)體系，評(píng)估其藥物遞送效率、治療效果和潛在副作用；⑤制備工藝的優(yōu)化和可放大性，如何開發(fā)高效、均一、可重復(fù)的制備方法，并實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到產(chǎn)業(yè)規(guī)模的轉(zhuǎn)化。這些科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)涉及材料科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，需要跨學(xué)科的協(xié)同研究。20.綜合考慮生物相容性、功能效率、生物安全性等因素，當(dāng)前生物分子與金屬有機(jī)框架（MOFs）材料相互作用研究面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①生物相容性和免疫原性問(wèn)題，許多MOFs材料本身在生物體內(nèi)的長(zhǎng)期行為和安全性尚不明確，如何設(shè)計(jì)和合成具有良好生物相容性和低免疫原性的MOFs材料是一個(gè)重要挑戰(zhàn)；②生物分子在MOFs孔道內(nèi)的穩(wěn)定性和活性保持問(wèn)題，MOFs的微環(huán)境（如pH、氧化還原電位）可能影響生物分子