2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)傳感器設(shè)計與制備考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述化學(xué)傳感器的定義及其構(gòu)成要素。與傳統(tǒng)的分析檢測方法相比，化學(xué)傳感器具有哪些顯著優(yōu)勢？二、以電化化學(xué)傳感器為例，說明其基本工作原理。簡述影響電化學(xué)傳感器靈敏度和選擇性的主要因素。三、設(shè)計一種用于檢測水體中痕量鉛離子（Pb2?）的化學(xué)傳感器。要求：1.明確傳感器的類型（光學(xué)/電化學(xué)等）及選擇該類型的理由。2.選擇合適的傳感材料，并闡述選擇該材料作為傳感器的具體原因（至少考慮3個方面，如與Pb2?的相互作用、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性等）。3.簡要描述該傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作機制。4.提出一種可行的傳感器制備方案（包括主要步驟和關(guān)鍵控制點）。四、某研究團隊制備了一種基于導(dǎo)電聚合物（如聚苯胺）的氣體傳感器，用于檢測環(huán)境中的揮發(fā)性有機物（VOCs）。請分析：1.導(dǎo)電聚合物作為傳感材料，在檢測VOCs時通常涉及哪些物理化學(xué)過程？2.提高該類傳感器靈敏度和選擇性的主要途徑有哪些？3.在實際應(yīng)用中，該類傳感器可能面臨哪些挑戰(zhàn)？如何克服？五、解釋“分子印跡技術(shù)”在化學(xué)傳感器制備中的應(yīng)用原理。這種技術(shù)如何能夠賦予傳感器高度的選擇性？請結(jié)合一個具體的資源化學(xué)相關(guān)應(yīng)用實例進行說明。六、已知某電化學(xué)傳感器對目標(biāo)分析物的響應(yīng)信號（電流或電位）與目標(biāo)物濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系?，F(xiàn)用該傳感器測定某樣品中目標(biāo)物的含量，測得響應(yīng)信號為5.0μA。若該傳感器的線性響應(yīng)范圍為0-10μA，對應(yīng)的目標(biāo)物濃度范圍為0-100ppb（皮摩爾每升），且線性方程為：信號（μA）=0.5×濃度（ppb）+0.2。1.計算該樣品中目標(biāo)物的濃度（ppb）。2.根據(jù)該傳感器的線性方程，計算其檢測限（LOD，假設(shè)LOD定義為信號響應(yīng)等于空白信號標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍時的濃度）。（注：此處假設(shè)空白信號為0.2μA，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=0.1μA，僅用于計算示例，實際計算需依據(jù)數(shù)據(jù)）試卷答案一、答案：化學(xué)傳感器是一種能夠?qū)⑻囟ɑ瘜W(xué)物質(zhì)（分析物）的濃度變化轉(zhuǎn)換為可測量信號（如電、光、熱、聲等）的器件或系統(tǒng)。其構(gòu)成要素通常包括：敏感膜（或識別層），用于選擇性識別和響應(yīng)分析物；換能器，用于將敏感膜產(chǎn)生的微弱信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號或其他信號；基座/支架，用于支撐和保護敏感膜及換能器。解析思路：本題考察化學(xué)傳感器的基本定義和組成。首先要準(zhǔn)確回憶化學(xué)傳感器的定義，即物質(zhì)濃度到可測信號的轉(zhuǎn)換裝置。其次，要清楚其核心組成部分：能夠特異性識別分析物的敏感部分（敏感膜/識別層）和能夠?qū)⑦@種識別轉(zhuǎn)化為可測量信號的換能部分，以及提供基礎(chǔ)的基座/支架?；卮鹦韬啙嵜髁说睾w這些核心要素。二、答案：電化學(xué)傳感器的工作原理主要基于分析物與傳感器材料發(fā)生電化學(xué)氧化還原反應(yīng)或其他電化學(xué)過程（如離子交換、吸附/脫附等），導(dǎo)致傳感器界面處的電化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起可測量的電信號（如電流、電壓、電導(dǎo)率等）的變化。影響靈敏度的因素包括：傳感材料與分析物相互作用的強度和效率、傳感界面的電荷轉(zhuǎn)移速率、電極的表面積等。影響選擇性的因素包括：傳感材料與目標(biāo)分析物之間相互作用的特異性、共存干擾物與目標(biāo)分析物競爭結(jié)合位點的能力、以及傳感器的屏蔽機制等。解析思路：第一問要求闡述電化學(xué)傳感器原理，需掌握其基本工作機制，即通過電化學(xué)反應(yīng)或過程產(chǎn)生信號。第二問要求分析影響因素，需要分別從靈敏度（關(guān)注信號產(chǎn)生的效率，涉及反應(yīng)動力學(xué)、材料特性、界面性質(zhì)等）和選擇性（關(guān)注信號對特定分析物的專一性，涉及相互作用特異性、干擾物影響、結(jié)構(gòu)設(shè)計等）兩個維度進行論述，并能舉例說明。三、答案：1.傳感器類型及理由：選擇電化學(xué)傳感器（具體可為陽極溶出伏安法傳感器或電位型傳感器）。理由：電化學(xué)傳感器靈敏度高、響應(yīng)速度快、易于實現(xiàn)微型化和集成化，且對金屬離子檢測方法成熟，適合痕量鉛離子檢測。2.傳感材料選擇及原因：*選擇：二硫代草酸酯類化合物修飾的石墨烯/碳納米管復(fù)合材料。*原因：*二硫代草酸酯基團對Pb2?具有強烈的絡(luò)合能力，可形成穩(wěn)定的Pb-DTC配合物，提供選擇性識別位點。*石墨烯/碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，有利于增加傳感界面與Pb2?的接觸機會，提高傳感器的靈敏度和信號響應(yīng)。*該復(fù)合材料通常具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性。3.傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作機制：傳感器結(jié)構(gòu)可設(shè)計為三電極體系（工作電極、參比電極、對電極），工作電極為修飾了二硫代草酸酯基團的石墨烯/碳納米管復(fù)合材料薄膜的電極。工作機制：當(dāng)Pb2?離子擴散到傳感器表面并被二硫代草酸酯基團捕獲形成配合物時，會改變工作電極表面的電子狀態(tài)。在特定電位下，可通過陽極溶出伏安法等方法，使吸附的Pb-DTC配合物發(fā)生氧化溶解，產(chǎn)生與Pb2?濃度成正比的電信號（如峰電流）。或設(shè)計為電位型傳感器，Pb2?與修飾層結(jié)合導(dǎo)致膜電位發(fā)生變化，通過測量電位變化進行檢測。4.傳感器制備方案：*步驟：*制備基底（如玻碳電極）。*通過電化學(xué)沉積、液相自組裝或真空抽濾等方法，將二硫代草酸酯功能化的石墨烯/碳納米管復(fù)合材料均勻修飾到工作電極表面，形成敏感膜。*優(yōu)化修飾層厚度和制備條件。*將制備好的傳感器進行干燥處理。*進行傳感性能測試（如線性范圍、檢出限、穩(wěn)定性測試等）。*關(guān)鍵控制點：敏感膜材料的均勻性、修飾量；電極表面處理狀態(tài)；修飾過程中的環(huán)境條件（如pH、溫度、溶劑體系）；干燥過程等。四、答案：1.物理化學(xué)過程：導(dǎo)電聚合物在檢測VOCs時，通常涉及VOCs分子通過擴散進入聚合物基體或與聚合物表面發(fā)生物理吸附或化學(xué)吸附。吸附過程可能導(dǎo)致聚合物鏈段運動、共軛結(jié)構(gòu)破壞或電子云密度變化，進而引起其電導(dǎo)率、表面電位或熒光發(fā)射/吸收特性的改變。這些電信號的變化與VOCs的種類和濃度相關(guān)。2.提高靈敏度和選擇性的途徑：*提高靈敏度：選用電導(dǎo)率易于變化的聚合物；增大聚合物比表面積（如采用多孔結(jié)構(gòu)、納米材料）；優(yōu)化聚合物與VOCs的相互作用（如引入特定官能團增強吸附）；利用信號放大策略（如酶催化、納米復(fù)合材料）。*提高選擇性：設(shè)計具有特定孔道結(jié)構(gòu)或識別位點的聚合物；引入能夠與目標(biāo)VOCs發(fā)生選擇性相互作用的功能基團；利用協(xié)同效應(yīng)或競爭吸附機制；結(jié)合多層修飾或智能響應(yīng)材料。3.實際應(yīng)用挑戰(zhàn)及克服方法：挑戰(zhàn)：環(huán)境濕度、溫度變化、共存VOCs干擾、傳感器長期穩(wěn)定性、基體效應(yīng)、響應(yīng)恢復(fù)速度慢等?？朔椒ǎ翰捎糜H水性或疏水性材料進行表面改性以抵抗?jié)穸雀蓴_；選擇熱穩(wěn)定性好的聚合物材料；通過結(jié)構(gòu)設(shè)計或添加選擇性識別位點來提高抗干擾能力；進行表面交聯(lián)或封裝以提高穩(wěn)定性和壽命；優(yōu)化制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計以加快響應(yīng)恢復(fù)速度；進行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和算法優(yōu)化以消除基體效應(yīng)。五、答案：分子印跡技術(shù)是一種通過模擬生物酶或抗體與特定分析物（模板分子）之間的識別界面，利用功能單體、交聯(lián)劑在聚合過程中形成永久性、選擇性識別位點的技術(shù)。這些位點在模板分子去除后仍然保留，其形狀、尺寸和化學(xué)環(huán)境與模板分子高度匹配。當(dāng)目標(biāo)分析物進入印跡聚合物時，由于其與模板分子在空間結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點上相似，能夠優(yōu)先并牢固地進入這些印跡位點，發(fā)生特異性識別或結(jié)合，從而引起聚合物性質(zhì)（如顏色、電導(dǎo)、溶脹性、質(zhì)子化/去質(zhì)子化狀態(tài)等）的變化，該變化可用于檢測目標(biāo)分析物。應(yīng)用實例：在資源化學(xué)領(lǐng)域，可以利用分子印跡技術(shù)制備對特定重金屬離子（如鎘離子Cd2?、砷離子As3?）或環(huán)境污染物（如多環(huán)芳烴PAHs）具有高選擇性的傳感器。例如，將重金屬離子作為模板分子，通過分子印跡技術(shù)制備聚合物薄膜修飾電極，當(dāng)水體樣品流經(jīng)電極表面時，目標(biāo)重金屬離子會特異性地被印跡位點捕獲，導(dǎo)致電極電位或電流發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對水中痕量該重金屬離子的選擇性檢測，可用于礦山廢水監(jiān)測、土壤污染評估等。六、答案：1.計算濃度：根據(jù)線性方程信號（μA）=0.5×濃度（ppb）+0.2，測得信號為5.0μA。代入方程：5.0=0.5×濃度+0.2。解得：0.5×濃度=5.0-0.2=4.8。濃度=4.8/0.5=9.6ppb。樣品中目標(biāo)物的濃度為9.6ppb。2.計算LOD：LOD=(3×σ空白)/斜率=(3×0.1μA)