2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子科学与工程的生物分子传感技术

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子科学与工程的生物分子传感技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列选项中，只有一项是符合题目要求的。）1.下列哪一项不属于生物分子传感器的敏感元件类型？A.酶B.抗体C.金属氧化物纳米颗粒D.核酸适配体2.在电化学生物传感器中，利用酶催化反应产生或消耗氧化还原物质，从而在电极上产生电流变化，这种信号转换方式属于：A.光学转换B.电化学转换C.压电转换D.磁性转换3.下列哪种技术常用于制备具有特定识别位点的分子印迹聚合物（MIP）作为传感器的敏感材料？A.聚合酶链式反应（PCR）B.限制性内切酶消化C.分子印迹技术D.电泳分离4.在设计抗体传感器（免疫传感器）时，如果目标分析物是游离抗原，通常采用哪种基本类型的设计？A.直接竞争法B.间接竞争法C.酶联免疫吸附测定（ELISA）法D.免疫层析法5.核酸适配体（Aptamer）传感器的主要优势之一是：A.可在高温条件下稳定存在B.可识别小分子和大型生物分子C.制备过程简单，成本较低D.信号响应通常具有极高的特异性6.下列哪种现象或技术可用于提高生物传感器检测的灵敏度？A.降低传感器的响应时间B.增加敏感材料的用量C.利用酶的多重催化或抗体链式放大效应D.选择检测范围更宽的换能器7.将生物识别元件（如酶、抗体）固定在载体上，以保持其活性并实现重复使用的常用方法包括：A.仅仅物理吸附B.共价键合和交联剂固定C.仅使用固定化载体法D.仅通过封装技术8.生物分子传感技术在食品安全检测方面的主要应用不包括：A.快速检测食品中的病原微生物B.定量分析食品添加剂含量C.识别转基因成分D.直接评估食品的感官品质（如鲜度）9.微流控芯片技术应用于生物传感器的主要优点是：A.可同时检测多种目标分析物B.可显著降低样品和试剂的消耗量C.可实现传感器的自动化操作D.以上都是10.下列哪一项不是生物分子传感技术面临的挑战？A.提高检测的特异性和选择性B.降低设备的成本和复杂度C.扩大检测的线性范围D.实现现场（in-situ）和实时（real-time）监测二、填空题（每空2分，共20分。）1.生物分子传感器通常由______、______和信号处理系统三部分组成。2.基于抗体-抗原特异性结合原理的传感器称为______传感器。3.利用核酸链置换反应原理设计的核酸适配体传感器被称为______。4.电化学传感器根据其信号转换形式可分为______传感器、______传感器和______传感器。5.分子印迹技术模拟生物体中______识别______的特性，制备具有特定识别位点的材料。三、名词解释（每题4分，共16分。）1.生物识别元件2.换能器3.信号放大4.检测限（LOD）四、简答题（每题6分，共18分。）1.简述酶传感器的工作原理及其主要特点。2.简要比较核酸适配体（Aptamer）传感器与抗体传感器在识别分子种类和设计上的主要区别。3.简述生物分子传感器在环境监测中可能面临的主要挑战。五、论述题（12分。）试述生物分子传感技术在现代生物医学诊断中的重要作用，并举例说明其如何克服传统诊断方法的某些局限性。试卷答案一、选择题（每小题2分，共20分。下列选项中，只有一项是符合题目要求的。）1.C2.B3.C4.A5.D6.C7.B8.D9.D10.D二、填空题（每空2分，共20分。）1.生物识别元件，换能器2.免疫3.基于链置换的适配体（或strand-displacement-basedaptasensor）4.氧化还原，压电，质量型5.酶-底物，抗体-抗原三、名词解释（每题4分，共16分。）1.生物识别元件：指能够特异性识别和结合目标分析物（如特定蛋白质、核酸、小分子等）的生物分子或其衍生物，是传感器的“识别核心”，如酶、抗体、抗原、核酸适配体、分子印迹聚合物等。2.换能器：指将生物识别元件与目标分析物相互作用所产生的可测信号（通常是物理化学信号）转换为可定量检测的输出信号（如光信号、电信号、压电信号等）的部件。3.信号放大：指利用生物化学反应（如酶的催化循环、抗原抗体反应链）或物理化学过程，使得检测到的信号强度显著超过目标分析物的初始浓度，从而提高传感器灵敏度的一种策略。4.检测限（LOD）：指传感器能够可靠地检测出最低浓度目标分析物的能力。通常定义为信号响应等于空白噪声信号（或空白信号加上三倍标准偏差）时对应的分析物浓度。四、简答题（每题6分，共18分。）1.简述酶传感器的工作原理及其主要特点。*原理：酶传感器利用固定在传感界面上的酶作为生物识别元件。当目标分析物（底物）与酶结合并被催化转化为产物时，会引起产物浓度、pH值、氧化还原状态等理化性质的变化。这些变化可以被相应的换能器（如电化学电极、光学检测器）检测，从而转换为可测信号。有时也利用酶的催化放大效应来提高灵敏度。*特点：原理成熟，选择性好（针对特定底物），灵敏度高（酶催化放大），生物相容性好，成本低廉。但酶的稳定性（易失活）、固定化方法、环境影响（温度、pH）等是设计和应用中需要考虑的问题。2.简要比较核酸适配体（Aptamer）传感器与抗体传感器在识别分子种类和设计上的主要区别。*识别分子种类：抗体主要识别大分子（如蛋白质、多肽、多糖），特别是具有复杂三维结构的抗原。核酸适配体（Aptamer）则具有更广泛的识别能力，可以识别小分子（药物、代谢物）、蛋白质、核酸甚至整个细胞。*设计方法：抗体传感器的设计依赖于已知的抗体或需要通过免疫学方法制备。核酸适配体传感器则通过指数富集扩增配体系统（SELEX）体外筛选获得能够特异性结合目标分子的短链核酸序列。3.简述生物分子传感器在环境监测中可能面临的主要挑战。*复杂基质干扰：环境样品（水、土壤、空气）通常成分复杂，存在大量无关物质，可能对传感器的选择性产生严重影响。*稳定性问题：传感器在恶劣的野外环境（如极端温度、pH、氧化还原条件）下的长期稳定性和抗干扰能力是巨大挑战。*现场实时检测需求：许多环境监测需要在现场快速完成，要求传感器具有响应速度快、操作简便、无需复杂仪器等特性。*成本与便携性：开发低成本、小型化、便携式的环境检测传感器，以适应大规模、常规监测的需求。五、论述题（12分。）试述生物分子传感技术在现代生物医学诊断中的重要作用，并举例说明其如何克服传统诊断方法的某些局限性。生物分子传感技术在现代生物医学诊断中扮演着日益重要的角色，其核心优势在于能够快速、灵敏、特异地检测体内的各种生物标志物，为疾病的早期发现、精准诊断、疗效监测和预后评估提供了有力工具。重要作用体现在：1.提高灵敏度和速度：许多生物分子传感器，特别是基于纳米材料、酶放大或微流控技术的传感器，能够达到极高的检测灵敏度，甚至能够检测到极低浓度的早期疾病标志物（如循环肿瘤DNA、特定酶活性）。同时，传感器的响应时间通常比传统方法（如培养、生化分析）快得多，可实现近乎实时的检测。2.增强特异性和选择性：利用高度特异性的生物识别元件（如单克隆抗体、特异性核酸适配体），生物传感器能够从复杂的生物样品（如血液、组织液）中精确识别目标分子，避免传统方法中可能出现的交叉反应和干扰，显著提高诊断的准确性。3.实现无创或微创检测：随着技术的发展，基于体液（如唾液、泪液、汗液、尿液）或甚至呼出气体中生物标志物的无创/微创传感技术逐渐成熟，为患者提供了更舒适、便捷的检测选择，尤其适用于需要长期监测或人群筛查的场景。4.促进个性化医疗：生物传感器能够检测个体化的生物标志物水平，有助于医生根据患者的具体情况制定个性化的治疗方案和预测疾病风险。5.推动便携化和即时检测（POCT）：许多生物传感器被设计成小型化、便携式的设备，可以在床旁、诊所甚至家庭环境中进行检测，极大地便利了患者的即时诊断需求，尤其是在资源匮乏地区或紧急医疗场景下。克服传统诊断方法局限性的例子：1.克服传统培养法速度慢、耗时长的问题：对于病原微生物感染，如细菌或病毒感染，传统诊断依赖培养法，通常需要24-72小时甚至更长时间才能获得结果。而基于抗体或核酸适配体的电化学、光学或压电传感器，可以在数小时内快速检测样本中是否存在目标病原体的特异性标志物（如抗原、核酸序列），大大缩短了诊断时间，有助于及时治疗。例如，快速检测呼吸道病毒的传感器可以在症状出现后几小时内提供结果，而无需等待病毒培养。2.克服生化检测特异性不足的问题：血糖检测是糖尿病管理的重要环节，传统的生化方法（如葡萄糖氧化酶法）虽然应用广泛，但在某些情况下可能受其他物质干扰。基于葡萄糖氧化酶和高灵敏度电化学或光学换能器的传感器，能够更特异地检测血糖浓度，并提供连续或频繁的读数，帮助糖尿病患者更精确地掌握血糖波动情况。3.克服影像学检查成本高、依赖设备或解读经验的问题：虽然影像学（如X光、CT、MRI）是重要的诊断手段，但设备昂贵，检查成本高，且需要专业医师进行判读。对于某些特定标志物的检测，生物传感器可以提供更直接、量化的指标。例如，在肿瘤诊断中