2025年大學(xué)《化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——納米光子學(xué)技術(shù)在化學(xué)測量學(xué)中的應(yīng)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)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種納米光子效應(yīng)主要利用了金屬納米結(jié)構(gòu)對(duì)可見光區(qū)域的局域表面等離子體共振（LSPR）峰的強(qiáng)烈依賴性？A.量子點(diǎn)熒光猝滅B.表面等離激元共振（SPR）C.熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）D.上轉(zhuǎn)換發(fā)光2.在基于納米顆粒（如金納米棒）的比色傳感中，改變納米顆粒尺寸通常如何影響其光學(xué)響應(yīng)？A.增加吸收帶的紅移B.減少吸收帶的紅移C.增加吸收帶的藍(lán)移D.對(duì)吸收帶位置無影響3.與傳統(tǒng)拉曼光譜相比，表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）最突出的優(yōu)勢之一是？A.提供更寬的波數(shù)范圍B.對(duì)所有分子都有增強(qiáng)效果C.具有極高的靈敏度和選擇性D.操作更加簡單，無需樣品前處理4.下列哪種納米光子學(xué)技術(shù)通常被用于檢測生物分子間的相互作用，并具有高度的空間分辨率？A.光聲光譜（PAS）B.拉曼光譜（Raman）C.表面等離激元共振（SPR）D.超表面?zhèn)鞲?.量子點(diǎn)（QDs）在化學(xué)傳感器中主要利用其哪種特性？A.光譜可調(diào)性差B.易受環(huán)境影響導(dǎo)致猝滅C.高量子產(chǎn)率和優(yōu)異的光穩(wěn)定性D.與金屬表面結(jié)合能力弱6.超表面（Metasurfaces）在化學(xué)測量中的應(yīng)用前景之一是？A.提供寬帶、連續(xù)的光學(xué)調(diào)制B.僅限于透射式傳感C.實(shí)現(xiàn)對(duì)光波振幅、相位、偏振等調(diào)控，構(gòu)建新型傳感器件D.對(duì)生物樣品無特異性響應(yīng)7.在設(shè)計(jì)用于檢測特定氣體分子的納米光子傳感器時(shí)，選擇傳感材料的主要依據(jù)是？A.材料的價(jià)格低廉B.材料具有良好的生物相容性C.傳感材料與目標(biāo)氣體分子之間有強(qiáng)烈的相互作用，能顯著改變材料的光學(xué)性質(zhì)D.材料易于制備成納米結(jié)構(gòu)8.熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）現(xiàn)象發(fā)生的必要條件之一是？A.發(fā)射波長大于接受波長B.接收分子的熒光量子產(chǎn)率高于發(fā)射分子C.發(fā)射分子與接受分子足夠接近（通常小于10納米）D.兩種分子必須是同一種類型9.納米光子學(xué)技術(shù)在食品安全檢測中可以應(yīng)用于？A.快速檢測食品中的重金屬離子B.定量分析食品中非法添加的甜味劑C.識(shí)別食品摻假或品種真?zhèn)蜠.以上所有10.評(píng)價(jià)一個(gè)化學(xué)傳感器的性能，除了靈敏度（檢測限）外，通常還關(guān)注哪些指標(biāo)？（請(qǐng)選擇兩個(gè)）A.選擇性B.穩(wěn)定性C.響應(yīng)時(shí)間D.線性范圍二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填入橫線上）1.利用金屬納米顆粒的表面等離激元共振（SPR）現(xiàn)象進(jìn)行傳感時(shí)，通常需要檢測______________的變化，如吸光度或透射率。2.量子點(diǎn)（QDs）具有優(yōu)異的______________和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，使其在光電器件和傳感器中備受關(guān)注。3.拉曼光譜提供的是分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的指紋信息，而______________技術(shù)則通過非線性光學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)拉曼信號(hào)，提高檢測靈敏度。4.基于碳納米管（CNTs）的化學(xué)傳感器可以利用其獨(dú)特的______________和導(dǎo)電性來檢測目標(biāo)分子。5.超表面（Metasurfaces）由亞波長尺寸的單元結(jié)構(gòu)陣列組成，能夠?qū)膺M(jìn)行______________和______________的調(diào)控。6.在生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域，納米光子學(xué)技術(shù)可用于______________（如腫瘤標(biāo)記物）、______________（如病原體）以及______________（如細(xì)胞狀態(tài)）的檢測。7.光聲光譜（PAS）結(jié)合了光學(xué)成像和聲學(xué)檢測的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)______________和______________的檢測具有高靈敏度。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述表面等離激元共振（SPR）傳感的基本原理及其在化學(xué)測量中的優(yōu)勢。2.比較量子點(diǎn)（QDs）和傳統(tǒng)熒光染料在化學(xué)傳感器中的應(yīng)用異同點(diǎn)。3.什么是上轉(zhuǎn)換發(fā)光？簡述其在生物成像或化學(xué)傳感中可能的應(yīng)用優(yōu)勢。4.簡要說明超表面（Metasurfaces）如何實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光進(jìn)行相位調(diào)控，并舉例其在傳感領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。四、論述題（每小題10分，共30分）1.詳細(xì)闡述納米光子學(xué)技術(shù)（如基于納米顆粒的比色傳感或基于SPR的傳感）如何實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)分析物（例如，某種腫瘤標(biāo)志物或環(huán)境污染物）的靈敏檢測？請(qǐng)涉及可能的信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制、影響靈敏度的因素以及實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的挑戰(zhàn)。2.試討論將拉曼光譜（特別是表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS）技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜樣品（如生物組織、食品基質(zhì)）分析時(shí)，其面臨的主要挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略或改進(jìn)技術(shù)。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述納米光子學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并分析其相比傳統(tǒng)檢測方法的優(yōu)勢所在。---試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.B2.A3.C4.C5.C6.C7.C8.C9.D10.A,B,C,D二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填入橫線上）1.光學(xué)性質(zhì)2.光譜特性3.表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）/非線性光學(xué)效應(yīng)4.電學(xué)特性/電子結(jié)構(gòu)5.振幅/相位6.疾病標(biāo)志物/病原體/細(xì)胞狀態(tài)7.光學(xué)信號(hào)/聲學(xué)信號(hào)三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述表面等離激元共振（SPR）傳感的基本原理及其在化學(xué)測量中的優(yōu)勢。解析思路：首先說明SPR原理：當(dāng)光照射到金屬（通常為Au或Ag）薄膜的表面時(shí)，如果入射角滿足特定條件，會(huì)在金屬-介質(zhì)界面附近激發(fā)出沿表面?zhèn)鞑サ募w電子振蕩，即表面等離激元。這種振蕩的共振峰位置對(duì)金屬和介電常數(shù)（特別是緊鄰表面的介質(zhì)）非常敏感。在傳感應(yīng)用中，將待測分析物分子固定在金屬表面，當(dāng)分析物與表面發(fā)生特異性相互作用（如結(jié)合、吸附）時(shí)，會(huì)引起緊鄰表面介質(zhì)折射率的變化，從而導(dǎo)致SPR共振角發(fā)生偏移。通過測量共振角的偏移量，即可定量或定性分析分析物的濃度或存在。優(yōu)勢在于：高靈敏度（可檢測亞納米層厚度的變化）；實(shí)時(shí)、原位、在體檢測能力；高生物相容性（常用Au，對(duì)生物分子影響小）；可進(jìn)行表面固定和特異性相互作用研究；儀器相對(duì)成熟，成本適中。2.比較量子點(diǎn)（QDs）和傳統(tǒng)熒光染料在化學(xué)傳感器中的應(yīng)用異同點(diǎn)。解析思路：相同點(diǎn)：都利用熒光信號(hào)的變化（強(qiáng)度、顏色、壽命）來響應(yīng)分析物，實(shí)現(xiàn)傳感功能。不同點(diǎn)可從多個(gè)維度比較：*光學(xué)特性：QDs具有窄帶發(fā)射、寬激發(fā)光譜、高量子產(chǎn)率、光穩(wěn)定性好；傳統(tǒng)染料發(fā)射光譜較寬、量子產(chǎn)率相對(duì)較低、易受光致漂白。QDs的光譜可調(diào)性更寬（通過改變尺寸）。*穩(wěn)定性：QDs通常比有機(jī)染料具有更好的光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。*背景干擾：QDs的自發(fā)熒光相對(duì)較弱（背景低），有利于檢測。*制備與成本：QDs的合成方法多樣，但部分方法較復(fù)雜；傳統(tǒng)染料多為商業(yè)購買，制備簡單。成本可能因制備方法而異。*應(yīng)用：QDs常用于構(gòu)建多元傳感陣列、生物標(biāo)記、光電器件；傳統(tǒng)染料應(yīng)用廣泛，但靈敏度或穩(wěn)定性可能受限。3.什么是上轉(zhuǎn)換發(fā)光？簡述其在生物成像或化學(xué)傳感中可能的應(yīng)用優(yōu)勢。解析思路：首先定義上轉(zhuǎn)換發(fā)光（UCN）：指用比發(fā)射光波長更長的激發(fā)光（如近紅外光NIR）激發(fā)特定摻雜離子的無機(jī)納米晶體（如NaYF4:Yb,Er），使其處于激發(fā)態(tài)，隨后兩個(gè)或多個(gè)低能級(jí)的激發(fā)態(tài)粒子通過能量傳遞（ET）過程將能量傳遞給高能級(jí)的粒子，該高能級(jí)粒子隨后以發(fā)射光的形式釋放能量。優(yōu)勢：1.深穿透性：NIR激發(fā)光對(duì)生物組織的吸收較小，透射深度遠(yuǎn)大于可見光，極大減少散射和光毒性，適用于深層生物成像。2.低光毒性：使用NIR激發(fā)，對(duì)生物組織損傷小。3.背景干擾?。篘IR波段生物自發(fā)熒光和自然吸收背景低，檢測信噪比高。4.多色成像：通過摻雜不同離子或合成不同粒徑的UCN，可實(shí)現(xiàn)多色同步成像。在化學(xué)傳感中，可利用其對(duì)特定環(huán)境（pH、離子、分子）響應(yīng)導(dǎo)致的光強(qiáng)、波長或壽命變化進(jìn)行檢測，尤其是在生物體內(nèi)或復(fù)雜介質(zhì)中。4.簡要說明超表面（Metasurfaces）如何實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光進(jìn)行相位調(diào)控，并舉例其在傳感領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。解析思路：超表面的核心是亞波長尺寸的人工結(jié)構(gòu)單元（Meta-atom）。這些單元具有獨(dú)特的光與物質(zhì)相互作用特性，特別是對(duì)入射光的相位、振幅、偏振等本征偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控的能力。相位調(diào)控主要通過以下機(jī)制實(shí)現(xiàn)：當(dāng)光波通過或掠射到亞波長結(jié)構(gòu)上時(shí)，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部和周圍激發(fā)復(fù)雜的電磁場分布，導(dǎo)致透射或反射光波前發(fā)生畸變。通過精心設(shè)計(jì)大量結(jié)構(gòu)單元的形狀、尺寸、排列方式和空間相位分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)出射光波前相位分布的精確控制，即實(shí)現(xiàn)“相位調(diào)控”。在傳感應(yīng)用中，這種相位調(diào)控具有巨大潛力：例如，可以將超表面集成到波導(dǎo)或光纖中，構(gòu)成光纖超表面?zhèn)鞲衅?。?dāng)目標(biāo)分析物進(jìn)入傳感區(qū)域并與超表面發(fā)生相互作用（如吸附、濃度變化）時(shí)，會(huì)引起超表面結(jié)構(gòu)周圍的介電環(huán)境改變，進(jìn)而微小地改變通過超表面的光相位。通過檢測這個(gè)微小的相位變化（例如使用干涉儀、外差探測等技術(shù)），即可實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的高靈敏度和高選擇性檢測。潛在應(yīng)用包括氣體傳感、生物分子檢測、化學(xué)物質(zhì)識(shí)別等。四、論述題（每小題10分，共30分）1.詳細(xì)闡述納米光子學(xué)技術(shù)（如基于納米顆粒的比色傳感或基于SPR的傳感）如何實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)分析物（例如，某種腫瘤標(biāo)志物或環(huán)境污染物）的靈敏檢測？請(qǐng)涉及可能的信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制、影響靈敏度的因素以及實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的挑戰(zhàn)。解析思路：*基于納米顆粒的比色傳感：*信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制：通常利用金屬納米顆粒（如金納米棒、納米殼）的表面等離激元共振（LSPR）峰對(duì)局部環(huán)境折射率變化的敏感性。當(dāng)目標(biāo)分析物與固定在納米顆粒表面的識(shí)別分子特異性結(jié)合時(shí)，會(huì)導(dǎo)致納米顆粒聚集或分散狀態(tài)的變化，進(jìn)而引起納米顆粒間距、形狀、表面電荷等的改變，最終導(dǎo)致其LSPR吸收峰發(fā)生紅移或藍(lán)移，或者吸光度、散射光強(qiáng)度發(fā)生顯著變化。這種可測量的光學(xué)信號(hào)變化與目標(biāo)分析物的濃度相關(guān)。*靈敏度影響因素：靈敏度與納米顆粒性質(zhì)（尺寸、形狀、表面狀態(tài)）、識(shí)別分子與目標(biāo)物的結(jié)合親和力、納米顆粒間的相互作用（聚集狀態(tài)）、檢測波長選擇、以及信號(hào)讀出方式（比色法、光譜儀）等有關(guān)。高量子產(chǎn)率的熒光納米顆粒（如QDs）也可用于比色傳感，通過檢測熒光強(qiáng)度變化。*挑戰(zhàn)：選擇性可能受類似物干擾；實(shí)際樣品基體效應(yīng)影響；識(shí)別分子的穩(wěn)定性和結(jié)合效率；信號(hào)探針的設(shè)計(jì)和固定；儀器檢測精度要求高等。*基于表面等離激元共振（SPR）的傳感：*信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制：如簡答題所述，SPR傳感依賴于分析物與固定在金屬薄膜表面的識(shí)別分子發(fā)生相互作用導(dǎo)致緊鄰金屬表面介質(zhì)折射率的變化，進(jìn)而引起SPR共振角（或波長）的偏移。通過精確測量這個(gè)偏移量，可以定量分析分析物的濃度或是否存在。信號(hào)可以是共振角變化，也可以是伴隨的吸光度變化（Kretschmann配置）。*靈敏度影響因素：靈敏度主要取決于生物/化學(xué)識(shí)別反應(yīng)的親和力常數(shù)（Kd），親和力越低，檢測限越低。此外，金屬膜的質(zhì)量、探測器的分辨率、樣品流速和流路設(shè)計(jì)、表面修飾層均勻性等都會(huì)影響靈敏度。*挑戰(zhàn)：對(duì)分析物與識(shí)別分子間相互作用力要求較高；表面清洗和再生可能困難；生物分子固定方式影響分析性能；可能需要復(fù)雜的流路系統(tǒng)；成本相對(duì)較高。2.試討論將拉曼光譜（特別是表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS）技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜樣品（如生物組織、食品基質(zhì)）分析時(shí)，其面臨的主要挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略或改進(jìn)技術(shù)。解析思路：*主要挑戰(zhàn)：*信號(hào)強(qiáng)度弱（拉曼散射效率低）：常規(guī)拉曼信號(hào)非常微弱（約為入射光強(qiáng)度的10^-6至10^-8），難以直接檢測復(fù)雜樣品中的痕量組分。*生物/基質(zhì)熒光干擾：生物組織（如血液、活體）和某些食品基質(zhì)本身含有大量熒光物質(zhì)，其發(fā)射光譜常與拉曼信號(hào)重疊，導(dǎo)致信號(hào)飽和、信噪比極低，難以區(qū)分。*樣品制備要求高：傳統(tǒng)液體樣品池需要高透光窗，固體樣品需要研磨、壓片等，可能破壞樣品結(jié)構(gòu)或引入污染物。*拉曼光譜指紋重疊：在復(fù)雜體系中，多種物質(zhì)的拉曼光譜可能部分重疊，增加了定性和定量分析的難度。*空間分辨率限制：傳統(tǒng)拉曼對(duì)空間分辨率要求不高，但有時(shí)需要區(qū)分樣品不同區(qū)域。*應(yīng)對(duì)策略或改進(jìn)技術(shù)：*利用SERS提高靈敏度：SERS技術(shù)通過利用金屬納米結(jié)構(gòu)（如Au,Ag）提供的“表面等離激元增強(qiáng)效應(yīng)”，可以將拉曼信號(hào)放大10^4至10^8倍，極大提高了檢測限，使得痕量分析成為可能。這是應(yīng)對(duì)信號(hào)微弱和復(fù)雜樣品檢測的核心策略。*采用非線性拉曼技術(shù)：如coherentanti-StokesRamanscattering(CARS)、sumfrequencygeneration(SFG)等，這些技術(shù)利用激光干涉原理，選擇性地激發(fā)特定頻率的組合頻率，可以有效抑制背景熒光，獲得增強(qiáng)的拉曼信號(hào)。*開發(fā)新型SERS基底：研究具有高SERS活性、穩(wěn)定性好、易于功能化、甚至可形成均勻單分子層吸附位點(diǎn)的SERS基底材料（如有序貴金屬納米陣列、超材料）。*選擇合適激發(fā)波長：盡量選擇激發(fā)波長遠(yuǎn)離樣品自發(fā)熒光峰的位置。*空間分辨技術(shù)：結(jié)合顯微技術(shù)（如拉曼顯微鏡、掃描拉曼顯微鏡）或探針技術(shù)（如原子力顯微鏡AFM引導(dǎo)的拉曼），實(shí)現(xiàn)微區(qū)甚至納米區(qū)的原位、高分辨檢測。*數(shù)據(jù)解析方法：采用先進(jìn)的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法（如主成分分析PCA、偏最小二乘回歸PLS）處理復(fù)雜光譜，提高定性和定量分析的準(zhǔn)確性。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述納米光子學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并分析其相比傳統(tǒng)檢測方法的優(yōu)勢所在。解析思路：*應(yīng)用前景：納米光子學(xué)技術(shù)憑借其高靈敏度、高特異性、快速、便攜、可實(shí)現(xiàn)對(duì)活體檢測等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。*疾病早期診斷與監(jiān)測：利用高靈敏度傳感器（如基于QDs、CNTs、超表面的傳感器）檢測體液（血液、尿液、唾液、汗液）中極低濃度的疾病標(biāo)志物（如腫瘤標(biāo)志物、病毒核酸、特定蛋白質(zhì)、代謝物），實(shí)現(xiàn)疾病的早期發(fā)現(xiàn)。例如，基于量子點(diǎn)陣列的芯片可同時(shí)檢測多種腫瘤標(biāo)志物；基于納米材料（如AuNPs）的比色/熒光傳感器可用于快速檢測試紙條上的傳染病標(biāo)志物（如HIV、肝炎病毒）。*活體成像與監(jiān)測：利用光學(xué)成像技術(shù)，特別是近紅外（NIR）熒光成像（如基于QDs、UCN