2025年大學《化學》專業(yè)題庫——熒光探針的設計與合成研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.下列哪種熒光現(xiàn)象是由于分子內(nèi)電子從較高占據(jù)的成鍵軌道躍遷到較高空著的反鍵軌道而引起的？(A)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)(B)激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESIPT)(C)光誘導電子轉(zhuǎn)移(PET)(D)熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)2.在設計一種用于檢測生物體內(nèi)過氧化氫的熒光探針時，如果探針分子在過氧化氫存在下熒光增強，那么該探針的設計很可能利用了以下哪種機制？(A)基于過氧化氫誘導的熒光團重原子效應(B)基于過氧化氫促進的熒光團電子供體-受體間質(zhì)子轉(zhuǎn)移(C)基于過氧化氫作為淬滅劑通過靜態(tài)猝滅機制(D)基于過氧化氫作為氧化劑使熒光團氧化失活3.對于一種理想的熒光細胞探針，以下哪個性質(zhì)通常不是必需的？(A)高熒光量子產(chǎn)率(B)良好的細胞膜通透性(C)對目標分析物具有高選擇性(D)在生物樣品（如血液、組織）中具有極強的熒光猝滅能力4.在熒光探針的合成中，使用保護基團的主要目的是什么？(A)提高反應溫度以加快反應速率(B)防止特定官能團在不需要的步驟中發(fā)生反應(C)增加目標分子的溶解度(D)增強產(chǎn)物的熒光強度5.下列哪種熒光團通常被認為具有較長的熒光壽命，常用于熒光壽命成像？(A)芘(Pyrene)(B)菲(Fluorene)(C)碳量子點(CarbonDot)(D)錐束堿(EosinB)6.設計一種選擇性識別生物堿的熒光探針時，識別單元（識別位點）的設計應重點關注什么？(A)熒光團的光物理性質(zhì)(B)與生物堿分子間特定的非共價相互作用（如氫鍵、疏水作用、π-π堆積）(C)探針分子的合成難度(D)探針的熒光量子產(chǎn)率7.在評價一種用于活細胞成像的熒光探針時，哪個參數(shù)最能反映其能夠檢測到目標分析物的最低濃度？(A)熒光壽命(B)激發(fā)/發(fā)射波長(C)檢測限(LimitofDetection,LOD)(D)斯托克斯位移8.合成具有良好生物相容性的熒光探針時，常選用以下哪種材料作為熒光信號單元？(A)有機重原子熒光染料(B)稀土配合物(C)CdSe量子點(D)碳納米管9.假設設計了一種熒光探針，其分子結(jié)構(gòu)中包含一個對pH敏感的官能團和一個熒光團。當環(huán)境pH發(fā)生變化時，探針的熒光強度也隨之改變。這種探針屬于哪種類型？(A)非響應性探針(B)光穩(wěn)定性探針(C)響應性探針(D)生物探針10.下列哪種方法通常不用于熒光探針選擇性識別機理的研究？(A)位移比法(DisplacementRatioMethod)(B)競爭性結(jié)合實驗(CompetitiveBindingAssay)(C)紫外-可見光譜滴定(D)X射線單晶衍射分析二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線處）1.熒光探針的設計通常需要考慮兩個主要部分：______和______。2.熒光量子產(chǎn)率是衡量熒光材料發(fā)光效率的物理量，其定義為熒光強度與______之比。3.斯托克斯位移是指熒光發(fā)射光譜的最大波長與紫外-可見吸收光譜的最大波長之______。4.利用熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)原理設計的探針，通常包含一個供體和一個受體熒光團，當兩者距離足夠近且滿足能量轉(zhuǎn)移條件時，供體熒光強度會______，而受體熒光強度會______。5.在熒光探針的合成路線設計中，進行逆合成分析有助于確定關鍵的反應步驟和______。6.選擇合適的熒光探針時，除了性能指標外，還需考慮其______、______和潛在的生物學效應。7.基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)機制設計的探針，通常在非共軛體系或弱共軛體系時熒光較強，而在共軛體系時熒光較弱。8.對于檢測生物樣品中特定離子的小型熒光探針，通常需要通過______或______方法對其進行純化。9.上轉(zhuǎn)換納米材料作為熒光探針的優(yōu)點之一是可以在近紅外光激發(fā)下發(fā)出可見光，這有助于克服生物組織對______的吸收。10.熒光探針的響應時間是指探針與目標分析物結(jié)合后，熒光信號發(fā)生顯著變化所需的時間，它反映了探針識別過程的______。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述光誘導電子轉(zhuǎn)移(PET)機制在熒光探針設計中的應用原理及其適用條件。2.比較熒光光譜和吸收光譜在表征熒光探針時各自提供的信息。3.簡述設計一種用于活細胞成像的熒光探針時，需要考慮的主要因素。四、論述題（每題10分，共20分）1.以一種你熟悉的熒光探針為例（例如檢測pH、鈣離子、葡萄糖等的探針），詳細闡述其設計思路、合成路線（關鍵步驟）以及主要的性能特點和應用場景。2.闡述熒光探針設計從傳統(tǒng)方法向計算機輔助設計發(fā)展的趨勢，并討論計算機輔助設計在熒光探針開發(fā)中的優(yōu)勢和局限性。---試卷答案一、選擇題1.(C)2.(B)3.(D)4.(B)5.(D)6.(B)7.(C)8.(B)9.(C)10.(D)二、填空題1.識別單元，信號單元2.吸收光子能量3.差4.降低，增強5.立體化學構(gòu)型6.穩(wěn)定性，生物相容性7.共軛程度8.重結(jié)晶，柱層色譜9.近紅外光10.敏捷性/速度三、簡答題1.解析思路：PET機制利用電子從熒光團（電子供體）通過非輻射躍遷過程轉(zhuǎn)移到目標分析物（電子受體）上，從而將激發(fā)能轉(zhuǎn)化為熱能，阻止了熒光的發(fā)生。當目標分析物不存在時，PET過程不發(fā)生或效率低，熒光可以發(fā)生；當目標分析物存在且能與熒光團有效相互作用時，PET過程高效發(fā)生，熒光被猝滅。適用條件通常要求供體（熒光團）和受體（分析物或其識別單元）之間能夠有效形成復合物，并且具有合適的能級匹配，使得電子轉(zhuǎn)移能壘較低。常用于設計對氧化劑、陽離子（如H+）、陰離子（如F-）等的識別探針。2.解析思路：吸收光譜反映的是物質(zhì)吸收光的能力，可用于確定探針的激發(fā)波長、判斷分子結(jié)構(gòu)和共軛程度的變化、檢測雜質(zhì)等。熒光光譜反映的是物質(zhì)發(fā)射光的能力，可用于確定探針的發(fā)射波長、熒光量子產(chǎn)率、斯托克斯位移、判斷熒光類型（如FRET）等。兩者結(jié)合可以全面了解探針的光物理性質(zhì)及其在溶液或體系中的變化。3.解析思路：主要因素包括：①高熒光量子產(chǎn)率和適當?shù)墓庾V特性（合適的激發(fā)/發(fā)射波長，避免光漂白）；②良好的細胞通透性和膜滲透性，以及細胞內(nèi)靶向定位能力；③對目標分析物具有高選擇性（避免與其他生物分子或內(nèi)源性物質(zhì)反應）和足夠的靈敏度；④良好的生物相容性（低細胞毒性）；⑤合適的響應時間和動力學穩(wěn)定性；⑥易于合成和修飾。四、論述題1.解析思路：（示例：設計一種pH敏感的熒光探針）*設計思路：選擇一個對pH敏感的官能團（如硼酸酯、氨基、羧基等）作為識別單元，將其與熒光團連接。利用該官能團在不同pH下存在不同質(zhì)子化狀態(tài)，導致熒光團所處微環(huán)境（如電子云密度、共軛性）發(fā)生改變，進而引起熒光強度的顯著變化。例如，設計一個包含硼酸酯的探針，在酸性條件下硼酸酯質(zhì)子化，熒光增強；在堿性條件下硼酸酯去質(zhì)子化形成共軛體系，熒光減弱。*合成路線（關鍵步驟）：可能包括熒光團與帶有識別單元前體的片段的偶聯(lián)反應（如酰胺鍵、酯鍵的形成），可能涉及保護-去保護步驟（如對氨基的保護），以及最終的純化步驟（如重結(jié)晶或柱層色譜）。*主要性能特點：具有pH依賴性的熒光變化（如pKa值），在特定pH范圍內(nèi)具有高靈敏度和選擇性，熒光變化可逆。*應用場景：活細胞內(nèi)pH變化成像，細胞器（如細胞核、線粒體）pH環(huán)境研究，生物樣本（如血液、尿液）酸堿度檢測。2.解析思路：發(fā)展趨勢：隨著計算機化學、人工智能和機器學習的發(fā)展，計算機輔助設計（CAD）在熒光探針開發(fā)中扮演越來越重要的角色。通過構(gòu)建量子化學計算平臺，可以預測分子的電子結(jié)構(gòu)、光物理性質(zhì)（如熒光量子產(chǎn)率、激發(fā)/發(fā)射波長）、與目標分析物的相互作用能等，從而指導探針分子的設計。利用機器學習模型，可以分析大量已知探針的結(jié)構(gòu)-性能關系，預測新分子的性質(zhì)，加速篩選過程。*優(yōu)勢：①大大縮短設計周期，提高效率；②能夠探索傳統(tǒng)合成方法難以實現(xiàn)的