2025年大學《化學測量學與技術》專業(yè)題庫——織物化學傳感器在化學測量中的應用研究考試時間：______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在題后的括號內）1.在織物化學傳感器中，用于提供柔性、可拉伸基底的材料通常不包括：(A)聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)(B)聚丙烯腈(PAN)(C)聚氨酯(PU)(D)棉纖維2.下列哪種材料通常不作為織物化學傳感器的電活性識別材料？(A)金屬氧化物納米顆粒(B)金屬離子(C)金屬(D)高分子聚合物3.當織物化學傳感器用于檢測環(huán)境中的氨氣時，若選擇酶作為識別材料，常用的酶是：(A)葡萄糖氧化酶(B)尿酸氧化酶(C)腺苷脫氨酶(ADA)(D)過氧化氫酶4.織物化學傳感器信號輸出的主要形式不包括：(A)電流(B)電壓(C)光強(D)頻率5.為了提高織物化學傳感器的靈敏度和選擇性，常采用的技術手段是：(A)增大傳感面積(B)降低識別材料的負載量(C)使用惰性電極材料(D)增加傳感器的響應時間6.下列哪項不是制約織物化學傳感器實際應用的主要因素？(A)長期穩(wěn)定性差(B)成本過高(C)缺乏統(tǒng)一的性能標準(D)信號采集設備復雜度低7.在醫(yī)療健康監(jiān)測領域，織物化學傳感器的主要優(yōu)勢在于：(A)只能進行離線檢測(B)無法實現(xiàn)無創(chuàng)監(jiān)測(C)可實現(xiàn)連續(xù)、便捷的生理信號監(jiān)測(D)對環(huán)境干擾非常敏感8.用于制造柔性導電纖維的化學材料通常具有：(A)高熔點(B)良好的化學惰性(C)優(yōu)異的導電性和柔韌性(D)高密度9.將化學傳感器固定在織物上時，需要考慮的關鍵問題是：(A)傳感器的防水性能(B)傳感器的機械穩(wěn)定性和耐磨損性(C)傳感器的美觀度(D)傳感器的顏色10.織物化學傳感器用于食品安全檢測時，可能檢測的污染物類型不包括：(A)重金屬離子(B)霉菌毒素(C)防腐劑(D)氮氣二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.織物化學傳感器通常由__________、__________、__________和信號處理與傳輸部分組成。2.提高織物化學傳感器識別材料選擇性的常用策略包括__________和__________。3.織物化學傳感器在實際應用中，其__________和__________是其重要的性能指標。4.將酶固定在織物纖維上常用的方法有__________、__________和包埋法。5.基于導電聚合物纖維的織物化學傳感器，其傳感性能通常會受到__________和__________等因素的影響。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述電化學織物化學傳感器的基本工作原理。2.與傳統(tǒng)的平面化學傳感器相比，織物化學傳感器在結構設計上有哪些特殊性？3.簡述將抗體用作織物化學傳感器識別材料的原理及其應用。4.闡述織物化學傳感器在環(huán)境監(jiān)測中可能面臨的主要挑戰(zhàn)。四、論述題（每題10分，共30分）1.設計一個用于檢測水中甲醛濃度的柔性織物化學傳感器，請簡述其設計思路，包括關鍵材料選擇、傳感機理設想以及性能初步評價的指標。2.分析將織物化學傳感器應用于長期、無創(chuàng)血糖監(jiān)測所面臨的科學和工程挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案。3.試論述織物化學傳感器相比其他類型便攜式或可穿戴化學傳感器，在應用方面具有哪些獨特的優(yōu)勢和潛在的應用前景。試卷答案一、選擇題1.(A)2.(C)3.(C)4.(D)5.(A)6.(D)7.(C)8.(C)9.(B)10.(D)二、填空題1.柔性基底，電活性識別材料，信號轉換與傳輸裝置2.分子印跡技術，選擇合適的識別材料與載體3.靈敏度，選擇性4.共價偶聯(lián)，物理吸附，包埋法5.溫度，濕度三、簡答題1.解析思路：電化學織物化學傳感器利用電化學反應來檢測目標分析物。當目標物質與固定在織物上的電活性識別材料接觸并發(fā)生氧化或還原反應時，會引起電化學信號（如電流、電壓或電化學阻抗）的變化。通過測量這種信號的變化，可以定性或定量地分析目標物質的濃度?？椢锘椎娜嵝允沟脗鞲衅骺梢耘c被測介質（如汗液、空氣或水）充分接觸，實現(xiàn)連續(xù)或原位監(jiān)測。2.解析思路：織物化學傳感器的設計必須考慮其柔性、可拉伸、透氣等特性。與剛性基底相比，其結構設計需保證在形變下仍能保持功能和穩(wěn)定性。通常采用纖維或紗線作為基本單元，將識別材料固定在纖維表面或內部，并確保信號傳輸路徑的暢通和可靠。同時，需要考慮傳感器的封裝，以保護其免受環(huán)境影響，并實現(xiàn)與外部設備的連接。3.解析思路：抗體具有高度的特異性，即一種抗體通常只識別一種特定的抗原（目標分析物）。在織物化學傳感器中，可以將抗體固定在柔性基底（如導電纖維）上，當目標抗原存在于周圍環(huán)境（如汗液或空氣）中時，會與固定在織物上的抗體特異性結合。這種結合事件通常會引發(fā)某種可測量的信號變化（如顏色變化、電信號變化等），從而實現(xiàn)對目標抗原的檢測。這種方法廣泛應用于生物醫(yī)學和環(huán)境監(jiān)測等領域。4.解析思路：織物化學傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應用面臨多重挑戰(zhàn)。首先，環(huán)境樣品（如空氣、水）的復雜性可能導致傳感器選擇性差，易受干擾物質影響。其次，實際環(huán)境條件（如溫度、濕度、光照）的變化會影響傳感器的性能和穩(wěn)定性。此外，如何將傳感器可靠地固定在織物上，并實現(xiàn)信號的穩(wěn)定采集和傳輸，也是重要的工程問題。成本效益、長期使用的耐久性以及缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范也是制約其廣泛應用的因素。四、論述題1.解析思路：設計用于檢測水中甲醛濃度的柔性織物化學傳感器，需考慮以下方面：*關鍵材料選擇：基底材料需柔性和導電（如導電聚合物纖維，如聚苯胺、聚吡咯）。識別材料可選擇對甲醛敏感的酶（如甲醛脫氫酶）或分子印跡聚合物，或選擇能與甲醛發(fā)生選擇性反應并產生可測信號的物質（如某些金屬氧化物納米顆粒，如氧化鋅）。導電基底材料還需與識別材料有效結合（如通過化學修飾或物理吸附）。*傳感機理設想：若選用酶，則甲醛與酶作用產生還原型輔酶I（NADH），NADH在特定波長下有特征吸收峰，或其氧化過程可在外電路中產生電流或電壓信號。若選用分子印跡聚合物，則目標甲醛分子與印跡位點結合可能導致聚合物結構變化，進而影響其電學或光學性質。若選用納米顆粒，甲醛可能與顆粒表面發(fā)生反應，改變其表面態(tài)或催化活性，導致電流或光譜信號變化。*性能初步評價指標：靈敏度（檢測限LOD）、選擇性（對乙醛、甲醇等類似物的交叉響應）、響應時間（達到穩(wěn)定信號所需時間）、重復性和穩(wěn)定性（多次使用或存放一段時間后性能變化）、重現(xiàn)性（不同傳感器間性能的一致性）?？梢允褂脴藴始兹┤芤哼M行校準，測量其響應信號，并計算相關參數(shù)。2.解析思路：將織物化學傳感器用于長期、無創(chuàng)血糖監(jiān)測面臨巨大挑戰(zhàn)，主要在于：*科學挑戰(zhàn)：*生物相容性與安全性：長期接觸皮膚，材料需無毒、無刺激、生物相容性好。*血糖濃度范圍與精度：血液中的葡萄糖濃度范圍較窄（約0.5-6mmol/L），傳感器需在寬體溫度、濕度、pH變化下仍能準確測量。*干擾物質：汗液和皮膚組織中的其他物質（如尿素、乳酸、電解質、皮膚分泌物）可能干擾測量。*傳感機理與信號穩(wěn)定性：需要開發(fā)對血糖變化敏感且信號穩(wěn)定、可重復的傳感機理。酶基傳感器易失活，氧化還原酶基傳感器易受氧氣影響。*工程挑戰(zhàn)：*傳感器的長期穩(wěn)定性和耐久性：傳感器需能在穿戴條件下穩(wěn)定工作數(shù)周或數(shù)月，材料需耐磨損、耐彎曲。*信號采集與傳輸：如何設計微型化、低功耗的信號采集系統(tǒng)，可靠地采集微弱信號，并通過無線方式傳輸。*織物整合與封裝：如何將傳感器無創(chuàng)、舒適地整合到織物中，實現(xiàn)與人體皮膚的穩(wěn)定接觸，同時保護傳感器免受環(huán)境影響。*校準與算法：如何實現(xiàn)便捷、自動的校準，并開發(fā)算法去除干擾，提高測量準確性。*可能的解決方案：開發(fā)新型長壽命、高選擇性識別材料（如納米材料、新型酶固定技術、電化學傳感器改進）；采用柔性、耐磨的封裝材料和結構設計；集成微型化、低功耗的無線傳感節(jié)點；利用機器學習算法進行信號處理和校準；進行長期人體臨床試驗以驗證性能。3.解析思路：織物化學傳感器相比其他類型化學傳感器，在應用方面具有獨特的優(yōu)勢和潛在的應用前景：*可穿戴性與舒適性：織物形態(tài)柔軟、透氣，可以直接穿著在身上，與人體皮膚接觸面積大，便于實現(xiàn)長時間、無創(chuàng)、連續(xù)的生理或環(huán)境監(jiān)測，舒適度高，用戶體驗好。這是其最核心的優(yōu)勢。*集成與便攜性：可以將多個傳感器單元集成到一件衣物中，形成一個傳感網絡，實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測。由于是織物形態(tài)，整體體積小、重量輕，易于攜帶。*環(huán)境適應性：可以直接暴露在目標環(huán)境中（如空氣、汗水），無需復雜的采樣和預處理步驟，實現(xiàn)實時、原位監(jiān)測。*多模態(tài)傳感潛力：織物結構本身可以承載多種類型的傳感器（電化學、光學、熱學、壓力等），實現(xiàn)多功能集成。*潛在應用前景：*醫(yī)療健康監(jiān)測：連續(xù)監(jiān)測心率和呼吸、體溫、汗液成分（血糖、乳酸、尿素等）、壓力、運動狀態(tài)，用于疾病預警、慢病管理、運動科學。*環(huán)境與職業(yè)安全：實時監(jiān)測周圍環(huán)境中的有毒氣體、顆粒物、水質，或監(jiān)測工人的生理狀態(tài)和環(huán)境暴露情況。*人機交互：通過監(jiān)測用戶的生理