2025年大學(xué)《化學(xué)測(cè)量學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述電位型電化學(xué)傳感器的工作原理及其在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的基本依據(jù)。2.比較電流型電化學(xué)傳感器（如安培傳感器和庫(kù)侖傳感器）在檢測(cè)原理、適用范圍和數(shù)據(jù)處理方面的主要異同點(diǎn)。3.電極表面性質(zhì)對(duì)電化學(xué)傳感器的性能有顯著影響。請(qǐng)列舉至少三種常用的電極修飾方法，并簡(jiǎn)述其目的或原理。4.在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，電化學(xué)傳感器常用于檢測(cè)重金屬離子。請(qǐng)說(shuō)明pH值對(duì)測(cè)量結(jié)果可能產(chǎn)生哪些影響，并解釋原因。5.什么是電化學(xué)阻抗譜（EIS）？簡(jiǎn)述其在電化學(xué)傳感器研究中的應(yīng)用價(jià)值。二、論述題（每題10分，共20分）6.環(huán)境污染物種類繁多，電化學(xué)傳感器的選擇性是關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。請(qǐng)結(jié)合具體實(shí)例，論述提高電化學(xué)傳感器選擇性的常用策略。7.隨著環(huán)境污染問題日益突出，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)的需求日益增長(zhǎng)。電化學(xué)傳感器具有潛在的優(yōu)勢(shì)。請(qǐng)論述電化學(xué)傳感器在實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)化、實(shí)時(shí)化方面面臨的主要挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。三、分析題（每題10分，共20分）8.假設(shè)需要設(shè)計(jì)一個(gè)用于檢測(cè)地下水中痕量硝酸鹽的便攜式電化學(xué)傳感器。請(qǐng)簡(jiǎn)述從傳感器類型選擇、關(guān)鍵材料考慮、信號(hào)響應(yīng)機(jī)制到可能存在的干擾及消除方法，概述設(shè)計(jì)思路。9.某研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于納米金修飾的玻碳電極用于檢測(cè)空氣中的甲醛。請(qǐng)分析該傳感器可能的工作機(jī)制，并探討影響其檢測(cè)性能的關(guān)鍵因素有哪些？試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.答案：電位型電化學(xué)傳感器基于能斯特方程，通過(guò)測(cè)量傳感元件與待測(cè)物質(zhì)在特定條件下構(gòu)成的電化學(xué)電池產(chǎn)生的電位差來(lái)定量分析待測(cè)物質(zhì)。其應(yīng)用依據(jù)在于待測(cè)物質(zhì)能參與電極反應(yīng)并改變電極電位，且該電位變化與待測(cè)物質(zhì)濃度呈確定關(guān)系。解析思路：考察對(duì)電位型傳感器最基本原理（能斯特方程）和應(yīng)用原理的理解。需要學(xué)生知道其測(cè)量的是電位差，并理解其定量分析的基礎(chǔ)是電位與濃度之間的關(guān)系。2.答案：相同點(diǎn)：均基于物質(zhì)的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，可測(cè)量多種物質(zhì)濃度。不同點(diǎn)：安培傳感器測(cè)量的是與反應(yīng)速率成正比的電流信號(hào)（如氧化或還原電流），適用于實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)；庫(kù)侖傳感器測(cè)量的是完成特定化學(xué)反應(yīng)所消耗或產(chǎn)生的總電荷量，適用于定量分析或累積監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)處理上，安培法通常需要扣除背景電流并進(jìn)行校準(zhǔn)，庫(kù)侖法需要精確積分電流-時(shí)間曲線。解析思路：考察對(duì)兩種主要電流型傳感器原理、適用場(chǎng)景和數(shù)據(jù)處理方式的區(qū)分。關(guān)鍵在于區(qū)分安培法測(cè)瞬時(shí)/連續(xù)電流，庫(kù)侖法測(cè)總電荷量，并了解其基本的數(shù)據(jù)處理概念。3.答案：常用修飾方法包括：①化學(xué)修飾，如利用電化學(xué)氧化還原、表面聚合等方法在電極表面固定活性物質(zhì)或形成特定膜層；②物理吸附，如利用離子鍵合、范德華力等吸附生物分子或小分子；③層層自組裝（LLA），通過(guò)交替吸附帶相反電荷的聚合物或分子層構(gòu)建有序結(jié)構(gòu)。目的通常是提高電極的選擇性、靈敏度、穩(wěn)定性或賦予電極新的功能（如生物傳感）。解析思路：考察對(duì)電極修飾技術(shù)的了解，要求學(xué)生能列舉幾種典型方法，并理解其基本原理和目的。重點(diǎn)在于區(qū)分不同方法的操作方式和追求的性能提升。4.答案：pH值會(huì)影響重金屬離子在電極表面的氧化還原電位、電極反應(yīng)速率、以及可能存在的競(jìng)爭(zhēng)性氫離子或氫氧根離子的參與，從而影響測(cè)量結(jié)果。例如，對(duì)于某些金屬離子，pH變化可能改變其價(jià)態(tài)，影響氧化還原電流；對(duì)于另一些，pH可能影響其與電極表面的吸附/解吸行為或參與競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，導(dǎo)致電位偏離線性范圍或產(chǎn)生干擾信號(hào)。解析思路：考察對(duì)環(huán)境因素（pH）干擾電化學(xué)測(cè)量的理解。需要學(xué)生認(rèn)識(shí)到pH不僅影響酸堿平衡，還深刻影響金屬離子的化學(xué)行為和電化學(xué)行為，進(jìn)而影響傳感器信號(hào)。5.答案：電化學(xué)阻抗譜（EIS）是一種在交流正弦小信號(hào)激勵(lì)下，測(cè)量電化學(xué)體系阻抗隨頻率變化的頻域技術(shù)。通過(guò)分析阻抗譜圖（通常是Nyquist圖或Bode圖），可以獲得關(guān)于電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)、電荷轉(zhuǎn)移電阻、擴(kuò)散過(guò)程、界面雙電層電容、以及電極表面狀態(tài)等信息。在傳感器研究中，EIS可用于評(píng)價(jià)電極修飾效果、表征傳質(zhì)阻力、檢測(cè)界面結(jié)構(gòu)變化、評(píng)估傳感器穩(wěn)定性和壽命等。解析思路：考察對(duì)EIS基本概念、測(cè)量方法和應(yīng)用價(jià)值的掌握。需要學(xué)生理解EIS是什么（頻域技術(shù)），如何測(cè)（交流小信號(hào)），以及能說(shuō)明EIS能提供哪些關(guān)于電極/傳感器性質(zhì)的信息。二、論述題6.答案：提高電化學(xué)傳感器選擇性的策略主要包括：①利用特異性識(shí)別位點(diǎn)，如結(jié)合生物分子（酶、抗體、核酸）與目標(biāo)物特異性結(jié)合；②構(gòu)建分子印跡聚合物（MIPs），模擬生物識(shí)別位點(diǎn)形成對(duì)特定分子結(jié)構(gòu)的高效識(shí)別空腔；③利用納米材料（如納米顆粒、碳納米管）的獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)或表面效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定物質(zhì)的吸附或催化響應(yīng)；④采用傳感器陣列結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)，利用不同傳感元件對(duì)同一物質(zhì)響應(yīng)的差異或選擇性響應(yīng)不同物質(zhì)，通過(guò)綜合信息判斷實(shí)現(xiàn)選擇性檢測(cè)。解析思路：考察對(duì)提高傳感器選擇性的綜合性理解和策略儲(chǔ)備。要求學(xué)生能從識(shí)別機(jī)制、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)角度提出有效的解決方案，并結(jié)合實(shí)例或原理進(jìn)行說(shuō)明。7.答案：主要挑戰(zhàn)包括：①環(huán)境條件復(fù)雜性，實(shí)際水體或空氣介質(zhì)成分復(fù)雜，存在大量共存離子和干擾物，易引起信號(hào)漂移和干擾；②信號(hào)微弱，環(huán)境污染物濃度通常很低，需要高靈敏度的檢測(cè)技術(shù)；③長(zhǎng)期穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，傳感器需在戶外或現(xiàn)場(chǎng)條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，并保持良好的批次重現(xiàn)性；④傳感器的小型化、便攜化和低成本，以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求；⑤數(shù)據(jù)處理與標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)處理、可靠存儲(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)化輸出。解決方案可能涉及：采用抗干擾設(shè)計(jì)（如選擇性好、背景電流低）、集成信號(hào)放大與處理電路、選擇穩(wěn)定性好的材料和結(jié)構(gòu)、開發(fā)自校準(zhǔn)或在線標(biāo)定方法、利用微流控芯片和先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)小型化、以及結(jié)合無(wú)線通信和云平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與管理。解析思路：考察對(duì)將電化學(xué)傳感器應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)面臨的核心問題的深刻認(rèn)識(shí)，并能從技術(shù)、材料、結(jié)構(gòu)、成本、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)維度分析挑戰(zhàn)并思考可能的應(yīng)對(duì)策略。三、分析題8.答案：傳感器類型可選電位型（如選擇合適的離子選擇性電極，需考慮響應(yīng)斜率、穩(wěn)定性、抗干擾性）或電流型（如安培法，需設(shè)計(jì)合適的氧化或還原體系）。關(guān)鍵材料考慮：①電極材料，可選玻碳電極，需進(jìn)行打磨拋光和預(yù)處理；②修飾材料，根據(jù)硝酸鹽特性選擇，如導(dǎo)電聚合物（PPy）、金屬氧化物（WO3）、納米材料（石墨烯、MoS2）或酶（硝酸還原酶）等，旨在提高選擇性和靈敏度；③電解質(zhì)溶液，選擇合適的離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑和pH緩沖液，保證響應(yīng)線性范圍和穩(wěn)定性。信號(hào)響應(yīng)機(jī)制可能是硝酸鹽在電極表面被氧化（如MnO??氧化）或通過(guò)酶催化還原產(chǎn)生可測(cè)量的電流或電位變化。可能存在的干擾包括其他陰離子（如Cl?,SO?2?）和有機(jī)物，可通過(guò)選擇性好電極、優(yōu)化pH、加入掩蔽劑或采用差分脈沖伏安法等方法消除。解析思路：考察設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際傳感器的初步思路能力。要求學(xué)生能結(jié)合待測(cè)物（硝酸鹽）的特性，從傳感器類型選擇、關(guān)鍵材料（電極、修飾劑、電解液）的考慮、基本工作原理推斷到潛在干擾及初步的解決方案進(jìn)行系統(tǒng)性的思考。9.答案：可能的工作機(jī)制：甲醛可能通過(guò)擴(kuò)散到電極/修飾層表面，在納米金催化下發(fā)生氧化反應(yīng)（如被溶解氧氧化為甲酸或二氧化碳，或直接氧化），產(chǎn)生氧化電流。納米金的催化作用可能加速了電子轉(zhuǎn)移步驟，降低了過(guò)電位，從而提高了響應(yīng)靈敏度和速度。信號(hào)響應(yīng)可能依賴于甲醛濃度與產(chǎn)生電流大小之間的定量關(guān)系。影響檢測(cè)性能的關(guān)鍵因素：①納米金的性質(zhì)，如尺寸、形貌、分散性、催化活性；②修飾層與電極基體、以及與甲醛之間的相互作用（吸附強(qiáng)度、選擇性