2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——生物傳感器在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題1.生物傳感器通常由______元件和______元件兩部分組成。2.根據(jù)敏感元件的不同，生物傳感器可以分為酶傳感器、______傳感器、抗體傳感器和______傳感器等。3.將生物識別元件固定在載體上的方法主要有______、______和包埋法等。4.常用于電化學(xué)生物傳感器的換能器有______和______。5.生物傳感器在醫(yī)療診斷中可用于______、______和病原體檢測等。6.半導(dǎo)體材料，如______和______，因其獨特的電學(xué)性質(zhì)，在生物傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。7.微流控技術(shù)在生物傳感器中的應(yīng)用，可以實現(xiàn)______和______。8.貴金屬納米材料，特別是______和______納米粒子，因其優(yōu)異的催化活性、光學(xué)性質(zhì)和生物相容性，在生物傳感器的制備中發(fā)揮著重要作用。二、名詞解釋1.生物識別元件2.換能器3.固定化4.酶傳感器5.光學(xué)傳感器三、簡答題1.簡述生物傳感器的基本工作原理。2.比較酶傳感器和微生物傳感器的優(yōu)缺點。3.簡述生物傳感器在血糖監(jiān)測中的應(yīng)用原理及其優(yōu)勢。4.什么是生物傳感器的固定化？簡述常用的固定化方法及其特點。5.納米材料在生物傳感器中主要起到哪些作用？四、論述題1.論述生物傳感器在疾病早期診斷中的重要作用，并舉例說明。2.結(jié)合資源化學(xué)的知識，論述在生物傳感器制備中選擇關(guān)鍵材料（如貴金屬、半導(dǎo)體）時需要考慮的因素及其原因。3.闡述微流控技術(shù)在發(fā)展新型生物傳感器方面的優(yōu)勢，并展望其未來發(fā)展方向。4.試述生物傳感器技術(shù)未來可能面臨的挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決思路。試卷答案一、填空題1.生物；換能2.微生物；核酸3.物理吸附；化學(xué)交聯(lián)4.碳極；金屬氧化物電極5.疾病診斷；實時監(jiān)測6.石墨烯；碳納米管7.微型化；集成化8.金；鉑二、名詞解釋1.生物識別元件：指能夠特異性識別和結(jié)合目標(biāo)分析物（如酶、抗體、核酸適配體、微生物等）的生物分子或細(xì)胞，是生物傳感器中實現(xiàn)選擇性識別的關(guān)鍵部分。2.換能器：指將生物識別元件產(chǎn)生的微弱信號（通常是化學(xué)能或生物化學(xué)反應(yīng)）轉(zhuǎn)換為可測量信號（如電信號、光信號、壓力信號等）的裝置，是生物傳感器的核心部分。3.固定化：指將生物識別元件（如酶、微生物）通過物理或化學(xué)方法固定在載體上，使其保持活性并能夠重復(fù)使用的技術(shù)。4.酶傳感器：指以酶作為生物識別元件，將目標(biāo)分析物催化分解或與其他試劑反應(yīng)，通過測量反應(yīng)產(chǎn)生的信號（如電流、光強變化）來檢測分析物濃度的生物傳感器。5.光學(xué)傳感器：指利用光學(xué)原理（如吸光、發(fā)光、熒光猝滅、比濁等）來檢測生物識別元件與目標(biāo)分析物相互作用后產(chǎn)生的信號變化的生物傳感器。三、簡答題1.簡述生物傳感器的基本工作原理。*解析思路：生物傳感器的工作原理主要包括兩個關(guān)鍵步驟：首先，生物識別元件（如酶、抗體、核酸等）與待測分析物發(fā)生特異性結(jié)合或發(fā)生催化反應(yīng)；其次，這個生物識別事件引發(fā)的物理化學(xué)變化（如酶促反應(yīng)產(chǎn)物的生成、構(gòu)象變化等）被換能器檢測到，并轉(zhuǎn)換成可定量測量的信號（如電信號、光信號等），最后通過信號處理系統(tǒng)進(jìn)行放大、解調(diào)等，最終顯示出分析物的濃度或存在信息。2.比較酶傳感器和微生物傳感器的優(yōu)缺點。*解析思路：比較兩類傳感器的性能和特點。酶傳感器優(yōu)點：酶的特異性高、反應(yīng)速率快、穩(wěn)定性好（相對）；缺點：酶通常易失活、成本較高、需要優(yōu)化反應(yīng)條件。微生物傳感器優(yōu)點：微生物種類豐富、對環(huán)境適應(yīng)性強、可利用廉價底物、易于固定化、可能具有多重識別能力；缺點：響應(yīng)信號可能較弱、易受環(huán)境因素干擾、生物膜穩(wěn)定性可能不如酶、響應(yīng)時間可能較長。3.簡述生物傳感器在血糖監(jiān)測中的應(yīng)用原理及其優(yōu)勢。*解析思路：原理：以葡萄糖氧化酶（GOx）作為生物識別元件，固定在電極表面。當(dāng)血糖溶液流經(jīng)時，葡萄糖與GOx作用，消耗氧氣并產(chǎn)生過氧化氫（H?O?）。過氧化氫在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生可測量的電流或電位變化，通過校準(zhǔn)曲線可計算出血糖濃度。優(yōu)勢：操作便捷（如無創(chuàng)血糖儀）、響應(yīng)快速、靈敏度高、可實時監(jiān)測、便攜式設(shè)備發(fā)展迅速，為糖尿病患者提供了方便有效的自我管理工具。4.什么是生物傳感器的固定化？簡述常用的固定化方法及其特點。*解析思路：定義：固定化是指將生物大分子（酶、抗體等）或細(xì)胞固定在固相載體上，使其保持生物活性，并能夠重復(fù)使用的技術(shù)。常用方法及特點：物理吸附法：簡單、快速、成本低，但結(jié)合力弱、易脫落；化學(xué)交聯(lián)法：通過化學(xué)鍵將生物分子交聯(lián)在載體上，結(jié)合力強、穩(wěn)定性好，但可能影響酶活性、試劑選擇有限；包埋法：將生物分子包埋在凝膠或聚合物網(wǎng)絡(luò)中，保護(hù)性好、穩(wěn)定性高，但傳質(zhì)可能受限、酶活可能降低。5.納米材料在生物傳感器中主要起到哪些作用？*解析思路：納米材料在生物傳感器中的作用：增強信號檢測：如金納米粒子具有優(yōu)異的催化性和比表面積大，可顯著增強電化學(xué)或光學(xué)信號；改善生物識別元件性能：如石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和生物相容性，可用于構(gòu)建高性能酶電極或固定抗體；提高傳感器的靈敏度和選擇性；促進(jìn)傳感器的微型化和集成化；作為載體或支架固定生物分子。四、論述題1.論述生物傳感器在疾病早期診斷中的重要作用，并舉例說明。*解析思路：闡述生物傳感器如何通過高靈敏度、高選擇性、快速響應(yīng)等優(yōu)勢，在疾病的早期階段檢測到特定的生物標(biāo)志物（如腫瘤標(biāo)志物、病毒核酸、特定代謝物等），從而實現(xiàn)早期診斷。舉例說明：如利用抗體傳感器或核酸適配體傳感器檢測血液或體液中的腫瘤標(biāo)志物（如癌胚抗原CEA、甲胎蛋白AFP）；利用基因芯片或微流控生物傳感器檢測病原體（如病毒、細(xì)菌）的特異性核酸序列（如COVID-19的核酸檢測）；利用酶傳感器或電化學(xué)傳感器實時監(jiān)測體內(nèi)或體表某些疾病相關(guān)指標(biāo)（如糖尿病患者連續(xù)監(jiān)測血糖）。2.結(jié)合資源化學(xué)的知識，論述在生物傳感器制備中選擇關(guān)鍵材料（如貴金屬、半導(dǎo)體）時需要考慮的因素及其原因。*解析思路：從資源化學(xué)角度分析材料選擇：①生物相容性：材料必須對人體無毒或低毒。②信號轉(zhuǎn)換效率：材料應(yīng)能高效地將生物識別事件產(chǎn)生的微弱信號轉(zhuǎn)換為易于測量的信號（如電信號、光信號）。例如，貴金屬（Au,Pt）常用于電化學(xué)生物傳感器，因其良好的導(dǎo)電性、催化活性（特別是Pt）以及易于修飾表面形成活性位點。③穩(wěn)定性：材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性，以確保傳感器的長期穩(wěn)定工作。④資源可獲得性與經(jīng)濟(jì)性：作為資源化學(xué)專業(yè)，需考慮材料的天然豐度、提純方法、成本以及資源的可持續(xù)性。例如，雖然金價格較高，但其優(yōu)異的性能和生物相容性使其在高端傳感器中仍有廣泛應(yīng)用。⑤表面修飾能力：材料表面應(yīng)有合適的化學(xué)性質(zhì)，便于固定生物識別元件（如酶、抗體）或連接信號分子。半導(dǎo)體材料（如石墨烯、碳納米管、金屬氧化物）因其獨特的電學(xué)、光學(xué)和巨大的比表面積，在增強傳感器的靈敏度、選擇性以及實現(xiàn)微型化方面具有重要價值，也是資源化學(xué)關(guān)注的重要領(lǐng)域。3.闡述微流控技術(shù)在發(fā)展新型生物傳感器方面的優(yōu)勢，并展望其未來發(fā)展方向。*解析思路：闡述微流控優(yōu)勢：①微型化與集成化：將樣本處理、反應(yīng)、檢測等步驟集成在微芯片上，體積小、重量輕。②高通量：可同時處理大量樣本，提高檢測效率。③低樣品/試劑消耗：僅需微量樣本和試劑，成本降低，適用于稀有樣本檢測。④快速檢測：反應(yīng)和檢測時間縮短，實現(xiàn)近乎實時的分析。⑤精確控制：精確控制流體流速和混合，提高實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。未來發(fā)展方向：與新材料（如柔性材料、二維材料）、新傳感技術(shù)（如光學(xué)、電化學(xué)、質(zhì)譜）、人工智能（用于數(shù)據(jù)分析和模式識別）深度融合，發(fā)展更智能、更便攜、甚至可穿戴的微流控生物傳感器，應(yīng)用于即時診斷（POCT）、環(huán)境監(jiān)測、生物研究等更廣泛的領(lǐng)域。4.試述生物傳感器技術(shù)未來可能面臨的挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決思路。*解析思路：挑戰(zhàn)與解決思路：①提高靈敏度和選擇性：挑戰(zhàn)在于復(fù)雜生物基質(zhì)（血液、尿液等）的干擾。解決思路：開發(fā)新型高靈敏度換能器、利用納米技術(shù)增強信號、設(shè)計具有更好特異性識別能力的生物識別元件（如噬菌體展示、DNA適配體庫篩選）。②提高穩(wěn)定性和壽命：挑戰(zhàn)在于生物分子（酶、抗體）易失活，傳感器長期工作性能下降。解決思路：改進(jìn)固定化技術(shù)（如仿生固定化）、開發(fā)新型穩(wěn)定劑、利用微流控保持反應(yīng)物新鮮、封裝保護(hù)。③實現(xiàn)現(xiàn)場（原位）和實時監(jiān)測：挑戰(zhàn)在于環(huán)境條件變化、設(shè)備小型化和功耗。