2025年大學《化學》專業(yè)題庫——化學生物傳感器設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項不屬于化學生物傳感器的核心組成部分？A.生物識別元件B.信號轉(zhuǎn)換器C.底襯材料D.信號放大單元2.在化學生物傳感器中，利用抗體特異性識別抗原的傳感器屬于：A.酶傳感器B.抗體傳感器C.核酸適配體傳感器D.糖蛋白傳感器3.下列哪種信號轉(zhuǎn)換技術(shù)主要基于熒光強度的變化來檢測目標物？A.比色法B.電化學法C.熒光法D.表面增強拉曼光譜法4.納米材料在化學生物傳感器中，主要發(fā)揮的作用不包括：A.增強信號轉(zhuǎn)換效率B.提高生物識別元件的穩(wěn)定性C.擴大傳感器的檢測范圍D.增加傳感器的成本5.評價一個化學生物傳感器性能好壞，以下哪個指標不是關(guān)鍵指標？A.選擇性B.響應(yīng)時間C.操作復雜性D.檢測限6.用于檢測水體中重金屬離子（如鉛離子）的化學生物傳感器，其生物識別元件最有可能選用：A.葡萄糖氧化酶B.胰島素C.金屬離子結(jié)合蛋白D.谷丙轉(zhuǎn)氨酶7.下列哪種方法不屬于酶促反應(yīng)放大信號的技術(shù)？A.酶催化氧化還原反應(yīng)B.過氧化物酶催化顯色反應(yīng)C.酶介導的免疫反應(yīng)D.底物循環(huán)放大法8.在設(shè)計用于醫(yī)療診斷的化學生物傳感器時，對其穩(wěn)定性的要求主要體現(xiàn)在：A.在室溫下保存數(shù)年不變質(zhì)B.在多次重復使用后性能穩(wěn)定C.在高溫高壓條件下仍能正常工作D.對生物樣品具有良好的兼容性9.將適配體固定在傳感器表面，利用其特異性識別目標分子的技術(shù)，稱為：A.酶聯(lián)免疫吸附測定B.適配體傳感C.葡萄球菌A蛋白傳感D.電化學阻抗譜法10.化學生物傳感器相比傳統(tǒng)化學傳感器，其主要優(yōu)勢在于：A.更高的靈敏度B.更低的成本C.更強的選擇性（特異性）D.更簡單的操作二、填空題（每空1分，共15分）1.化學生物傳感器通常由______元件、______元件、______元件和______組成。2.電化學傳感器根據(jù)測量原理不同，可分為______、______和______等。3.______是一種具有高度特異性識別目標小分子能力的天然或人工合成的寡核苷酸鏈。4.提高化學生物傳感器選擇性的常用策略包括______和______。5.傳感器的檢測限（LOD）是指用規(guī)定的測量方法能夠檢測到待測物質(zhì)存在且具有統(tǒng)計學意義的最小濃度或量。6.基于納米材料增強的光學化學生物傳感器，常用的納米材料包括______、______和______等。7.信號放大技術(shù)可以提高傳感器的______和______。三、名詞解釋（每題3分，共12分）1.化學生物傳感器2.信號轉(zhuǎn)換3.重現(xiàn)性4.適配體傳感四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述電化學化學生物傳感器的工作原理。2.與酶傳感器相比，核酸適配體傳感器有哪些優(yōu)點？3.在化學生物傳感器設(shè)計中，選擇合適的信號轉(zhuǎn)換器需要考慮哪些因素？4.如何提高化學生物傳感器的抗干擾能力？五、論述題（每題10分，共20分）1.設(shè)計一個用于檢測人體血液中葡萄糖濃度的電化學化學生物傳感器方案，請簡述其設(shè)計思路，包括選擇合適的生物識別元件、信號轉(zhuǎn)換器、材料以及可能的信號放大策略。2.結(jié)合當前研究熱點，論述化學生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.D2.B3.C4.D5.C6.C7.A8.B9.B10.C二、填空題（每空1分，共15分）1.生物識別；信號轉(zhuǎn)換；底襯2.伏安法；電化學阻抗譜；電位法3.核酸適配體4.選擇合適的生物識別元件；引入信號放大策略5.（合理即可）6.金納米顆粒；碳納米管；量子點7.靈敏度；選擇性三、名詞解釋（每題3分，共12分）1.化學生物傳感器：一種能夠?qū)⒛繕朔治鑫铮ㄍǔＪ巧锓肿踊蛐》肿樱┑淖R別信號轉(zhuǎn)化為可測量物理或化學信號的新型分析工具，其核心部分包含生物識別元件和信號轉(zhuǎn)換器。2.信號轉(zhuǎn)換：指化學生物傳感器中，生物識別元件對目標物識別所產(chǎn)生的微弱信號，通過敏感元件和信號轉(zhuǎn)換器被放大并轉(zhuǎn)化為易于檢測和量化的電、光、熱、壓等物理或化學信號的過程。3.重現(xiàn)性：指在相同條件下，使用相同儀器和試劑，由不同操作者測量同一分析物得到結(jié)果之間的一致程度，反映了傳感器性能的穩(wěn)定性和可靠性。4.適配體傳感：利用能夠特異性識別目標分析物的核酸適配體（Aptamer）作為生物識別元件，將其固定在傳感器表面，當目標物與適配體結(jié)合時引起信號變化，從而實現(xiàn)對目標物的檢測的技術(shù)。四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述電化學化學生物傳感器的工作原理。解析思路：電化學傳感器首先利用生物識別元件（如酶、抗體、適配體等）特異性識別目標分析物，形成識別復合物。該復合物的形成或解離會引起傳感器界面處某些電化學性質(zhì)（如電荷轉(zhuǎn)移速率、電子傳遞電阻、電位等）的變化。通過電化學敏感元件（如電極）測量這些變化，并將其轉(zhuǎn)換為可測量的電信號（如電流、電壓、電導等），最后通過儀器對信號進行處理，實現(xiàn)對目標分析物的定量或定性檢測。2.與酶傳感器相比，核酸適配體傳感器有哪些優(yōu)點？解析思路：核酸適配體傳感器相比酶傳感器，其優(yōu)點主要在于：①適配體來源廣泛，可以通過體外篩選技術(shù)（如SELEX）獲得對多種目標物（包括小分子、蛋白質(zhì)甚至細胞）具有特異性識別能力的分子，而酶的來源和特異性相對有限；②適配體通常穩(wěn)定性好，易于化學合成和修飾固定在傳感器表面；③適配體成本相對較低；④部分適配體在非生理條件下也能保持活性。3.在化學生物傳感器設(shè)計中，選擇合適的信號轉(zhuǎn)換器需要考慮哪些因素？解析思路：選擇信號轉(zhuǎn)換器時需考慮：①信號轉(zhuǎn)換效率：轉(zhuǎn)換器應(yīng)能將生物識別元件產(chǎn)生的微弱信號有效放大并轉(zhuǎn)化為易于檢測的信號；②線性范圍和靈敏度：信號響應(yīng)應(yīng)在目標物濃度有較大變化范圍內(nèi)保持線性關(guān)系，且靈敏度高；③選擇性/抗干擾能力：對目標物應(yīng)具有高選擇性，盡量減少對無關(guān)物質(zhì)的響應(yīng)；④響應(yīng)時間和穩(wěn)定性：傳感器應(yīng)有快速的響應(yīng)速度和良好的長期穩(wěn)定性；⑤檢測儀器兼容性：轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號應(yīng)能與實驗室常用的檢測儀器（如pH計、電位計、光譜儀、電化學工作站等）兼容；⑥成本和操作便捷性：轉(zhuǎn)換器的制備成本和操作步驟應(yīng)盡可能簡單。4.如何提高化學生物傳感器的抗干擾能力？解析思路：提高傳感器抗干擾能力的方法包括：①選擇高選擇性的生物識別元件；②采用信號放大技術(shù)，提高信噪比；③進行傳感器表面修飾，如固定識別元件的位點進行空間位阻設(shè)計，或引入屏蔽層；④優(yōu)化傳感界面設(shè)計，減少非特異性相互作用；⑤采用數(shù)學或信號處理方法對原始信號進行校正和濾波；⑥選擇抗干擾能力強的信號轉(zhuǎn)換器（如利用免疫反應(yīng)的封閉效應(yīng)）；⑦選擇合適的樣品前處理方法，去除或降低干擾物濃度。五、論述題（每題10分，共20分）1.設(shè)計一個用于檢測人體血液中葡萄糖濃度的電化學化學生物傳感器方案，請簡述其設(shè)計思路，包括選擇合適的生物識別元件、信號轉(zhuǎn)換器、材料以及可能的信號放大策略。解析思路：設(shè)計思路應(yīng)包含以下要素：*生物識別元件：選擇葡萄糖氧化酶（GOx），因為GOx能催化葡萄糖氧化產(chǎn)生過氧化氫（H2O2），這是葡萄糖濃度的一個直接且可測量的指標。*信號轉(zhuǎn)換器：選擇三氯生（TritonX-100）穩(wěn)定的玻碳電極（GCE）作為基底材料。利用過氧化氫氧化三氯生產(chǎn)生自由基，引發(fā)電化學氧化信號。具體可采用循環(huán)伏安法或計時電流法進行檢測。*材料與固定化：在GCE表面進行修飾，例如先修飾納米金（AuNPs）顆粒以增強信號和提高穩(wěn)定性，然后通過物理吸附或化學鍵合（如利用戊二醛交聯(lián)）方法固定葡萄糖氧化酶?；虿捎秒娋酆戏椒ㄖ苽淦咸烟茄趸笇щ娋酆衔锬ぁ?信號放大策略：可以考慮酶促反應(yīng)放大，例如利用酶產(chǎn)生的H2O2催化過氧化物酶（POD）進一步氧化某種化學物質(zhì)，產(chǎn)生更多的電活性物質(zhì)或改變電化學信號；或者利用納米材料（如AuNPs）的催化效應(yīng)放大信號；或者采用納米材料構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)（如納米陣列）來增加有效傳感面積。*整體思路概述：將固定了葡萄糖氧化酶的電極放入含葡萄糖的樣品溶液中，GOx催化葡萄糖氧化產(chǎn)生H2O2，H2O2在電極表面氧化三氯生，產(chǎn)生可測量的電信號（電流或峰電位變化），該信號與葡萄糖濃度在一定范圍內(nèi)成正比。2.結(jié)合當前研究熱點，論述化學生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向和面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：論述應(yīng)包含主要應(yīng)用方向和面臨的挑戰(zhàn)兩方面：*主要應(yīng)用方向：*水體污染監(jiān)測：檢測水體中的重金屬離子（如鉛、汞、鎘、砷）、農(nóng)藥殘留、抗生素、內(nèi)分泌干擾物（如鄰苯二甲酸酯類）、氰化物、酚類化合物、揮發(fā)性有機物（VOCs）等有毒有害物質(zhì)。利用適配體、酶、抗體等識別這些污染物。*空氣污染監(jiān)測：檢測空氣中的有害氣體，如甲醛、二氧化氮、臭氧、揮發(fā)性有機物（VOCs）、氨氣等?？刹捎秒娀瘜W、光學（熒光、比色）或壓電傳感技術(shù)。*食品安全與農(nóng)產(chǎn)品安全：快速檢測食品中的非法添加物（如三聚氰胺、蘇丹紅）、獸藥殘留、農(nóng)藥殘留、過敏原、生物毒素等。利用抗體、適配體、酶等進行檢測。*土壤環(huán)境監(jiān)測：檢測土壤中的重金屬、農(nóng)藥、持久性有機污染物（POPs）等。可通過采集土壤樣品或直接在土壤中進行原位檢測。*溫室氣體監(jiān)測：檢測大氣中的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）等溫室氣體，服務(wù)于氣候變化研究。*面臨的挑戰(zhàn)：*復雜基質(zhì)干擾：環(huán)境樣品（水、空氣、土壤）基質(zhì)復雜，存在大量共存離子、懸浮物等，容易對傳感器產(chǎn)生干擾，影響選擇性和準確性。*檢測限和靈敏度：許多環(huán)境污染物濃度很低，要求傳感器具有極低的檢測限和高靈敏度。*穩(wěn)定性和壽命：環(huán)境條件多變（pH、溫度、濕度），要求傳