2025年大學(xué)《化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——DNA電化學(xué)生物傳感技術(shù)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。請將正確選項前的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.在DNA電化學(xué)生物傳感中，利用DNA雙鏈雜交后結(jié)構(gòu)變化引起電化學(xué)信號改變的傳感機制，主要依賴于（）。A.電極與DNA堿基的直接電子轉(zhuǎn)移B.DNA鏈的構(gòu)象變化影響電極修飾物與基底間的電子傳遞電阻C.雜交過程伴隨的離子強度變化直接調(diào)制電極電位D.氫鍵斷裂釋放被共價連接在一條鏈上的電活性物質(zhì)2.下列哪種材料常被用作DNA電化學(xué)生物傳感器的電極修飾材料，以增強電極的導(dǎo)電性和生物相容性？（）A.二氧化硅（SiO?）B.金屬氧化物（如Fe?O?）C.聚苯胺（PANI）D.氮化鎵（GaN）3.在構(gòu)建基于DNA雜交的生物傳感器時，下列哪項技術(shù)常用于將目標(biāo)DNA分子固定在電極表面？（）A.電化學(xué)聚合B.固相測序C.親和吸附D.化學(xué)交聯(lián)4.測量DNA雜交引起電化學(xué)信號變化時，若信號與雜交量在初始階段呈線性關(guān)系，最可能使用的電化學(xué)方法是（）。A.循環(huán)伏安法（CV）B.線性掃描伏安法（LSV）C.計時電流法（CC）D.電化學(xué)阻抗譜（EIS）5.提高DNA電化學(xué)生物傳感器檢測限（LOD）的關(guān)鍵途徑之一是（）。A.降低電極表面粗糙度B.采用高背景電流的信號檢測模式C.設(shè)計具有信號放大功能的傳感策略D.選擇檢測靈敏度最低的電化學(xué)分析方法6.下列哪項指標(biāo)主要用于評價DNA電化學(xué)生物傳感器對特定目標(biāo)DNA的識別能力，即避免與其他非目標(biāo)分子發(fā)生交叉響應(yīng)？（）A.穩(wěn)定性B.選擇性C.響應(yīng)時間D.檢測限7.在DNA電化學(xué)生物傳感中，利用納米材料（如金納米顆粒、碳納米管）作為信號增強劑，其主要作用通常體現(xiàn)在（）。A.降低DNA探針的解鏈溫度（Tm）B.增強電化學(xué)信號的幅度或靈敏度C.改變DNA探針的序列特異性D.提高傳感器的操作溫度要求8.電化學(xué)阻抗譜（EIS）在DNA電化學(xué)生物傳感中的應(yīng)用主要基于（）。A.測量電流隨電位變化的關(guān)系B.分析生物分子結(jié)合前后電極表面電荷轉(zhuǎn)移過程的電阻變化C.測量溶液中電活性物質(zhì)的擴散系數(shù)D.監(jiān)測電極表面的腐蝕行為9.將適配體（通常是RNA或DNA鏈）固定在電極表面，用于識別特定目標(biāo)分子（如蛋白質(zhì)、小分子）的技術(shù)，通常被稱為（）。A.基于抗體免疫傳感B.基于核酸適配體生物傳感C.基于分子印跡技術(shù)D.基于納米粒子增強傳感10.DNA電化學(xué)生物傳感器相比傳統(tǒng)生物傳感器（如酶免疫分析法），其主要優(yōu)勢之一在于（）。A.操作更為復(fù)雜，需要特殊樣本處理B.通常需要昂貴的光學(xué)儀器進行信號檢測C.具有更高的靈敏度和更快的響應(yīng)速度D.對樣本的緩沖條件要求更為苛刻二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.DNA電化學(xué)生物傳感器的核心傳感元件通常包括______、______和______三部分。2.在DNA電化學(xué)傳感中，若使用的是氧化還原電對作為信號分子，生物分子（DNA）的識別通常伴隨著該電對在電極表面的______或______過程。3.影響DNA電化學(xué)生物傳感器靈敏度的因素包括電極材料、信號分子設(shè)計、生物分子固定方式以及______等。4.電化學(xué)分析方法如循環(huán)伏安法、線性掃描伏安法主要用于通過測量______隨______的變化來獲取信息。5.為了提高DNA電化學(xué)生物傳感器的選擇性，可以采用______策略，如利用適配體對目標(biāo)物進行特異性識別，或通過設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的探針來增強對目標(biāo)序列的識別能力。6.評價DNA電化學(xué)生物傳感器性能的常用指標(biāo)除靈敏度、選擇性外，還包括______、______和重現(xiàn)性等。7.利用納米材料（如碳納米管）的______和______特性，可以顯著增強DNA電化學(xué)生物傳感器的信號響應(yīng)。8.DNA電化學(xué)生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域可用于檢測水體中的______、______等污染物。9.基于分子印跡技術(shù)的電化學(xué)傳感器具有______的特點，即對特定模板分子具有高度的識別選擇性。10.隨著微流控技術(shù)和便攜式電化學(xué)設(shè)備的發(fā)展，DNA電化學(xué)生物傳感器正朝著______、______的方向發(fā)展。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述DNA電化學(xué)生物傳感的基本工作原理。2.比較循環(huán)伏安法（CV）和計時電流法（CC）在DNA雜交檢測中的應(yīng)用特點。3.簡述一種常用的信號放大策略在DNA電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用原理。4.簡述DNA電化學(xué)生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的至少兩個具體應(yīng)用實例。四、論述題（每小題10分，共30分）1.設(shè)計一個用于檢測特定目標(biāo)DNA序列（例如，某基因的片段）的電化學(xué)生物傳感器。請簡述其傳感器的構(gòu)建思路，包括電極材料選擇、DNA探針設(shè)計、信號識別方式以及預(yù)期性能評價指標(biāo)。2.論述納米材料在提升DNA電化學(xué)生物傳感器性能方面的作用機制和潛在應(yīng)用。3.結(jié)合當(dāng)前研究熱點，論述DNA電化學(xué)生物傳感器在未來可能的發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.D4.C5.C6.B7.B8.B9.B10.C二、填空題1.電極材料，信號分子，生物分子固定層2.氧化，還原3.電極修飾4.電流，電位5.選擇性6.穩(wěn)定性，檢測限（LOD）7.高導(dǎo)電性，大比表面積8.重金屬離子，抗生素9.高選擇性10.檢測微型化，便攜化三、簡答題1.答案要點：DNA電化學(xué)生物傳感器通常由電活性物質(zhì)（信號分子）、生物識別元件（DNA探針）和電化學(xué)電極構(gòu)成。當(dāng)目標(biāo)DNA與固定在電極表面的DNA探針發(fā)生特異性雜交時，會引起探針構(gòu)象或電化學(xué)活性位點的變化，進而導(dǎo)致電化學(xué)信號（如電流、電位、阻抗等）發(fā)生可測量的改變。通過檢測這種信號變化，即可實現(xiàn)對目標(biāo)DNA的識別和定量。解析思路：問題要求闡述基本工作原理。核心是抓住“電化學(xué)”和“生物識別（DNA）”的結(jié)合點，即目標(biāo)DNA與探針雜交導(dǎo)致“結(jié)構(gòu)/電化學(xué)活性變化”，進而引起“電信號變化”，最終實現(xiàn)“識別與檢測”。2.答案要點：CV通過掃描電極電位，測量電流隨電位的變化，可以獲得峰電流、峰電位等信息，適用于檢測小分子或表面電子轉(zhuǎn)移過程，可用于初步篩選或檢測雜交動力學(xué)。CC在恒定電位下測量電流隨時間的變化，適用于檢測可逆的電極過程或表面覆蓋/解覆蓋過程，如DNA雜交導(dǎo)致的電流變化，可方便地計算結(jié)合常數(shù)或結(jié)合量。CV更偏向于信息獲取，CC更直接地反映表面狀態(tài)變化。解析思路：問題要求比較兩種方法的“應(yīng)用特點”。需分別說明兩種方法的基本原理，并指出它們在DNA雜交檢測這種特定應(yīng)用場景下的優(yōu)勢和適用性差異。3.答案要點：一種常用的信號放大策略是酶催化放大。在DNA探針的3'或5'端連接酶（如辣根過氧化物酶HRP、堿性磷酸酶AP），當(dāng)目標(biāo)DNA與探針雜交后，酶被固定在電極表面。隨后加入酶的底物，酶催化底物發(fā)生顯色或電化學(xué)活性物質(zhì)生成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生大量信號分子，從而實現(xiàn)信號放大。另一種是納米材料放大，利用納米顆粒（如金納米粒子）的聚集或表面效應(yīng)放大電信號。解析思路：問題要求簡述一種策略的“應(yīng)用原理”。選擇一種具體策略（如酶催化），描述其如何在DNA雜交后被激活，以及如何通過催化反應(yīng)產(chǎn)生大量信號，從而達到放大的目的。4.答案要點：實例一：用于癌癥早期診斷，檢測血液或組織樣本中特定癌基因的DNA片段，實現(xiàn)無創(chuàng)或微創(chuàng)診斷。實例二：用于病原體檢測，如檢測新冠病毒的核酸，用于快速篩查或流行病學(xué)調(diào)查。解析思路：問題要求列舉至少兩個具體應(yīng)用實例。需結(jié)合“生物醫(yī)學(xué)”領(lǐng)域，想到DNA傳感器的典型應(yīng)用方向，如疾病診斷（基因突變、腫瘤標(biāo)志物、病原體檢測等）。四、論述題1.答案要點：構(gòu)建思路：1.電極材料選擇：選擇導(dǎo)電性好、生物相容性佳且易于功能化的材料，如玻碳電極（GCE），可對其進行打磨拋光，并修飾導(dǎo)電聚合物（如PANI）或納米材料（如AuNPs）以增強導(dǎo)電性和活性位點。2.DNA探針設(shè)計：設(shè)計一條DNA探針，其序列包含與目標(biāo)DNA序列互補的區(qū)域，并在其3'端連接一個電活性物質(zhì)（如Reportingmolecule1,RM1，其氧化還原電位適中）和一個連接臂（Linker），連接臂的另一端用于后續(xù)的電極固定。例如，探針序列可以是：寡核苷酸序列-Linker-RM1。3.生物分子固定：將修飾好的電極（如GCE/PANI/AuNPs）經(jīng)過清洗，然后利用靜電吸附、化學(xué)交聯(lián)（如使用戊二醛）或自組裝（如利用ssDNA鏈修飾）等方法，將上述DNA探針固定在電極表面，確保探針分子具有適宜的取向和密度。4.信號識別：將含有目標(biāo)DNA的樣本溶液加入反應(yīng)體系。如果目標(biāo)DNA存在，將與電極表面的探針發(fā)生雜交，形成雙鏈DNA復(fù)合物。雜交導(dǎo)致探針構(gòu)象變化，且RM1可能被拉近電極表面或其電子環(huán)境改變，易于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。5.電化學(xué)檢測：選擇合適的電化學(xué)方法（如LSV或CV）在特定電位下進行測量。測量到的電流或電位變化反映了目標(biāo)DNA的濃度。6.性能評價：評估傳感器的靈敏度（S）、選擇性（Sx，抗干擾能力）、檢測限（LOD）、穩(wěn)定性（Sb，重復(fù)使用或儲存后的性能保持）、重現(xiàn)性（Sc，不同電極或不同制備批次間的性能一致性）等。解析思路：問題要求設(shè)計一個傳感器的“構(gòu)建思路”。需要按照傳感器構(gòu)建的一般步驟來組織答案：選材->探針設(shè)計（含信號分子）->固定->識別（雜交）->檢測方法->性能評價。每個步驟都需要給出具體的操作或考慮因素，體現(xiàn)設(shè)計的邏輯性和可行性。2.答案要點：納米材料在提升DNA電化學(xué)生物傳感器性能方面的作用機制和潛在應(yīng)用：1.增強導(dǎo)電性：導(dǎo)電納米材料（如碳納米管CNTs、石墨烯Graphene、金納米顆粒AuNPs、鉑納米顆粒PtNPs）可以作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)連接電極和生物分子，或直接作為電極材料，顯著提高電極的整體導(dǎo)電性，降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，從而提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。2.增大比表面積：多孔或大比表面積的納米材料（如金屬有機框架MOFs、多孔碳材料）可以提供更多的附著位點，用于固定更多的DNA探針或電活性物質(zhì)，增加傳感器的有效檢測面積和負載量，提高靈敏度。3.光學(xué)信號放大：具有表面等離激元效應(yīng)的納米材料（如AuNPs）在特定波長光照下會產(chǎn)生強烈的局域表面等離子體共振（LSPR）信號。將這類納米材料與電化學(xué)傳感器結(jié)合，可以通過電化學(xué)誘導(dǎo)的LSPR信號變化或利用LSPR增強電化學(xué)信號，實現(xiàn)雙重信號放大。4.催化信號放大：具有催化活性的納米材料（如PtNPs）可以直接參與電化學(xué)反應(yīng)，催化電活性物質(zhì)的產(chǎn)生或消耗，或在電化學(xué)測量過程中催化某些副反應(yīng)，從而放大檢測信號。5.改善生物分子固定和識別：納米材料可以提供獨特的表面化學(xué)環(huán)境，有助于生物分子（DNA、酶等）以更合適的構(gòu)象固定，或通過納米材料與生物分子的相互作用（如AuNPs與硫醇基團之間的Au-S鍵）實現(xiàn)穩(wěn)定、定向的固定，提高傳感器的穩(wěn)定性和選擇性。潛在應(yīng)用：利用納米材料構(gòu)建超高靈敏度、高選擇性、快速響應(yīng)的DNA傳感器，用于生物醫(yī)學(xué)診斷（癌癥、傳染?。?、環(huán)境監(jiān)測（水體污染物）、食品安全等領(lǐng)域。解析思路：問題要求論述納米材料的作用機制和潛在應(yīng)用。需要分類闡述納米材料的不同物理化學(xué)性質(zhì)（導(dǎo)電性、比表面積、光學(xué)效應(yīng)、催化活性、表面化學(xué)）如何分別對應(yīng)地提升傳感器在靈敏度、選擇性、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等方面的性能。最后總結(jié)其潛在的應(yīng)用價值。3.答案要點：DNA電化學(xué)生物傳感器未來可能的發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)：1.更高靈敏度和選擇性：發(fā)展新型信號放大策略（如納米酶、DNA酶鏈置換反應(yīng)DALE、分子印跡技術(shù)）和特異性識別元件（如跨鏈交聯(lián)探針、適配體庫篩選），以檢測更低濃度、更強干擾背景下的目標(biāo)DNA，實現(xiàn)對復(fù)雜生物樣本中痕量目標(biāo)的精準(zhǔn)檢測。2.微型化、集成化和便攜化：結(jié)合微流控技術(shù)、片上實驗室（Lab-on-a-chip）技術(shù)，將傳感器系統(tǒng)集成在小型化、自動化的平臺上，甚至開發(fā)成手持式、可穿戴或現(xiàn)場快速檢測設(shè)備，實現(xiàn)即時檢測（Point-of-CareTesting,POCT）。3.智能化和自動化：集成生物識別、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示功能，實現(xiàn)從樣本處理到結(jié)果判讀的全流程自動化，降低操作復(fù)雜度，提高檢測效率和準(zhǔn)確性。4.多重檢測能力：開發(fā)能夠同時檢測多種目標(biāo)DNA序列或多種生物分子的傳感器陣列或芯片，滿足復(fù)雜疾病