2025年大學《化學測量學與技術》專業(yè)題庫——多通道電化學測量技術開發(fā)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在多通道電化學測量系統(tǒng)中，高密度電極陣列的主要優(yōu)勢之一是能夠顯著提高（）。A.單個電極的分辨率B.系統(tǒng)的整體測量速度C.電極材料的成本效益D.系統(tǒng)的阻抗匹配2.對于需要同時監(jiān)測多種電活性物質(zhì)的環(huán)境樣品，多通道電化學傳感器相比單通道傳感器的主要優(yōu)勢在于（）。A.提高了單個通道的靈敏度B.降低了系統(tǒng)的整體功耗C.實現(xiàn)了并行測量和快速響應D.簡化了數(shù)據(jù)后處理過程3.在多通道電化學系統(tǒng)中，為了同時采集多個通道的微弱信號而避免信號串擾，通常采用的關鍵技術是（）。A.共模抑制技術B.差分放大技術C.多路復用開關技術D.低噪聲設計技術4.電化學阻抗譜（EIS）在多通道測量中的應用，主要目的是（）。A.實現(xiàn)對多種物質(zhì)的定量分析B.研究電極/溶液界面處的電荷轉移過程和界面狀態(tài)C.提高測量的時間分辨率D.降低系統(tǒng)的噪聲水平5.在開發(fā)用于生物樣品檢測的多通道電化學系統(tǒng)時，對其選擇性的要求通常（）。A.低于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)B.與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相當C.高于一般分析化學系統(tǒng)D.主要關注重現(xiàn)性而非選擇性6.多通道電化學測量系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)同步控制的目的是確保（）。A.所有通道的測量數(shù)據(jù)存儲在同一個文件中B.所有通道在相同的時間點進行采樣或施加刺激C.系統(tǒng)能夠快速處理大量數(shù)據(jù)D.數(shù)據(jù)采集軟件運行流暢7.以下哪一項不是多通道電化學測量系統(tǒng)可能面臨的主要技術挑戰(zhàn)？（）A.高密度電極陣列的制備均勻性B.多通道信號的同時精確采集與放大C.復雜生物信號的高信噪比提取D.單通道檢測極限的突破8.將微流控技術與多通道電化學傳感器結合，其主要優(yōu)勢在于（）。A.大幅降低了電極制備成本B.實現(xiàn)了樣品的高通量處理與檢測C.顯著提高了系統(tǒng)的抗干擾能力D.簡化了系統(tǒng)的校準過程9.在多通道電化學測量系統(tǒng)的軟件開發(fā)中，以下哪個功能模塊最為核心？（）A.用戶圖形界面（GUI）設計B.多通道數(shù)據(jù)同步控制邏輯C.數(shù)據(jù)的后綴名管理D.儀器自檢程序10.隨著通道數(shù)量的增加，多通道電化學測量系統(tǒng)的主要成本增長因素通常是（）。A.電極材料成本B.數(shù)據(jù)存儲設備成本C.高性能數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）成本D.儀器外殼設計成本二、填空題（每空1分，共15分）1.多通道電化學測量系統(tǒng)通過使用________陣列，可以在有限的面積上布置大量電極，實現(xiàn)并行測量。2.為了準確測量來自不同通道的微弱電信號，多通道系統(tǒng)中的放大器通常采用________放大方式以提高共模抑制比。3.在多通道數(shù)據(jù)采集過程中，為了保證所有通道數(shù)據(jù)的準確性和可比性，必須精確控制________。4.電化學阻抗譜（EIS）利用交流阻抗測量技術，可以提供關于電極/溶液界面________和________的信息。5.對于多通道生物電化學傳感器，通常需要考慮其對________和________的選擇性，以避免交叉干擾。6.多通道系統(tǒng)的校準通常比單通道系統(tǒng)更復雜，因為需要保證所有通道的________和________的一致性。7.將人工智能（AI）技術應用于多通道電化學數(shù)據(jù)分析，可以有效提高對復雜信號________的能力。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述高密度電化學陣列在多通道電化學測量系統(tǒng)中的主要優(yōu)勢和面臨的技術挑戰(zhàn)。2.解釋多通道電化學測量系統(tǒng)中信號串擾產(chǎn)生的原因，并簡述至少兩種減小串擾的方法。3.在開發(fā)用于環(huán)境監(jiān)測的多通道電化學傳感器時，需要考慮哪些關鍵性能指標？請列舉至少四項。4.簡述將多通道電化學測量技術應用于生物醫(yī)學檢測（如細胞分析、組織切片成像）時的主要挑戰(zhàn)和潛在優(yōu)勢。四、綜合題（每題10分，共30分）1.設計一個用于同時監(jiān)測水體中兩種有毒陰離子（A-和B-）的多通道電化學傳感系統(tǒng)。請簡述該系統(tǒng)的基本組成（至少包括三個關鍵部分），并說明如何通過選擇合適的技術方案來提高系統(tǒng)的選擇性和抗干擾能力。2.假設你正在開發(fā)一個具有8個測量通道的多通道電化學阻抗譜（EIS）測量系統(tǒng)。請簡述該系統(tǒng)在硬件設計（信號調(diào)理部分）和軟件設計（數(shù)據(jù)同步與處理部分）中需要特別注意的關鍵問題。3.闡述將微型多通道電化學系統(tǒng)集成到便攜式或可穿戴設備中進行實時監(jiān)測的應用前景，并分析其可能面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.B5.C6.B7.D8.B9.B10.C二、填空題1.電極2.差分3.同步4.電阻、電容5.電活性物質(zhì)、生物分子6.靈敏度、響應時間7.識別與分類三、簡答題1.優(yōu)勢：(1)實現(xiàn)并行測量，提高測量通量或時間分辨率；(2)在小面積內(nèi)集成大量傳感器，便于構建高空間分辨率的檢測陣列；(3)節(jié)約樣品和試劑消耗。挑戰(zhàn)：(1)電極制備均勻性、穩(wěn)定性和一致性難保證；(2)電極間信號串擾問題嚴重；(3)陣列的封裝、引線及與外圍設備的連接復雜；(4)大規(guī)模數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸負擔重。2.原因：通道間共享的電極基底、溶液介質(zhì)或信號處理/放大單元，導致一個通道的信號或噪聲影響其他通道。減小方法：(1)采用差分放大電路，增強共模信號抑制；(2)優(yōu)化電極設計和陣列布局，增加通道間距或采用隔離層；(3)使用高速、低噪聲的多路復用開關，并優(yōu)化開關切換時間和驅(qū)動方式；(4)在信號調(diào)理前端為每個通道提供獨立的屏蔽和接地。3.性能指標：(1)選擇性：對目標分析物具有高靈敏度而對共存干擾物具有低響應；(2)靈敏度：能夠檢測低濃度目標分析物的能力；(3)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性：系統(tǒng)性能在時間和不同使用間的保持一致性；(4)響應時間：從加入樣品到產(chǎn)生穩(wěn)定信號所需的時間；(5)抗干擾能力：抵抗電磁干擾、溫度變化等環(huán)境因素的影響能力。4.挑戰(zhàn)：(1)生物信號微弱且易受干擾；(2)生物樣品復雜的基質(zhì)效應；(3)對電極生物相容性、穩(wěn)定性和長期響應的要求高；(4)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和生物信息識別的復雜性。優(yōu)勢：(1)可同時獲取多個位置或類型的生物信息，實現(xiàn)高時空分辨率檢測；(2)適用于高通量篩選，如細胞培養(yǎng)板或組織切片的并行分析；(3)為復雜生物系統(tǒng)的研究提供更全面的數(shù)據(jù)集。四、綜合題1.系統(tǒng)組成：(1)多通道電極接口：包括高密度選擇性電極陣列（針對A-和B-）和相應的電化學工作電極（如三電極體系中的工作電極和參比電極）；(2)多通道信號采集單元：采用具有足夠通道數(shù)、高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比和足夠帶寬的模數(shù)轉換器（ADC）及放大器；(3)中央控制與數(shù)據(jù)處理單元：包括微控制器或嵌入式系統(tǒng)，用于控制電化學測量過程（如電位掃描）、同步多通道采樣、數(shù)據(jù)預處理、存儲和通信，以及上位機軟件進行數(shù)據(jù)分析、校準和可視化。提高選擇性和抗干擾：(1)選擇或開發(fā)對A-和B-具有高選擇性識別機制的電極材料或表面修飾；（2）采用差分測量模式，只放大目標離子引起的信號變化，抑制共模干擾；（3）優(yōu)化系統(tǒng)布局和屏蔽設計，減少外部電磁干擾；（4）使用高精度的參比電極，保證電位測量的準確性，減少電位漂移帶來的誤差。2.硬件設計關鍵問題：(1)每個通道的信號調(diào)理電路（放大器、濾波器）需要精確匹配，以減少通道間增益和相位的差異；（2）共模電壓抑制能力要足夠強，以應對來自所有通道的共模噪聲和干擾；（3）多路復用開關的切換速度和串擾需要低，以保證EIS測量中微弱信號的捕捉；（4）高帶寬、高精度的ADC是必要的，以準確記錄不同頻率下的阻抗數(shù)據(jù)。軟件設計關鍵問題：(1)精確的時基同步控制，確保所有通道在施加交流激勵信號和采集電壓響應時嚴格同步，這是EIS數(shù)據(jù)一致性的基礎；（2)數(shù)據(jù)采集時序管理，合理分配每個通道的采樣時間和順序；（3)交流信號發(fā)生器和采樣時鐘的精確校準，保證頻率和幅值的準確性；（4)EIS數(shù)據(jù)的同步傳輸和存儲機制，確保數(shù)據(jù)完整性。3.應用前景：(1)在即時診斷（POCT）領域，可快速并行檢測多種生物標志物（如血糖、乳酸、特定離子），用于糖尿病管理、運動生理監(jiān)控、戰(zhàn)場急救等；(2)在環(huán)境監(jiān)測中，可實時同步監(jiān)測水體或空氣中的多種污染物；(3)在基礎科學研究中，可用于快速研究生物電信號、材料表面反應動力學等；(4)可集成到