2025年大学《化学》专业题库- 碳纳米管在传感器中的应用

2025年大学《化学》专业题库——碳纳米管在传感器中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪种材料不属于碳纳米管的基本分类？A.单壁碳纳米管B.双壁碳纳米管C.多壁碳纳米管D.石墨烯2.电弧放电法制备碳纳米管的主要原料是？A.甲烷B.铝粉C.碳棒D.镍粉3.碳纳米管的导电性主要与其哪种结构有关？A.管径B.手性C.碳碳键长D.以上都是4.下列哪种现象不是碳纳米管独特的力学性质？A.高强度B.高弹性C.超导性D.轻质5.碳纳米管传感器中，利用其导电性变化来检测气体的是？A.光学传感器B.电化学传感器C.压电传感器D.生物传感器6.下列哪种气体不适合用碳纳米管传感器进行检测？A.一氧化碳B.甲醛C.氧气D.臭氧7.碳纳米管场效应晶体管（FET）传感器主要用于检测？A.气体B.液体C.固体D.生物分子8.碳纳米管在生物传感器中的应用主要利用其？A.导电性B.光学性质C.力学性质D.吸附性9.下列哪种方法不属于碳纳米管传感器的表面功能化？A.化学修饰B.物理吸附C.离子交换D.热氧化10.碳纳米管传感器目前面临的主要挑战是？A.成本过高B.灵敏度不足C.选择性差D.以上都是二、填空题（每空1分，共15分）1.碳纳米管是由碳原子组成的______________结构。2.化学气相沉积法（CVD）制备碳纳米管的关键反应物是______________。3.碳纳米管传感器的工作原理基于碳纳米管与待测物之间的______________相互作用。4.碳纳米管场效应晶体管（FET）传感器中，沟道导电性的变化取决于______________。5.碳纳米管气体传感器通常需要经过______________处理以提高其灵敏度和选择性。6.碳纳米管在生物传感器中可以作为______________或______________。7.碳纳米管传感器在环境监测中的应用主要包括______________和______________。8.碳纳米管传感器在生物医学检测中的应用主要包括______________和______________。9.为了提高碳纳米管传感器的稳定性，通常需要对其进行______________处理。10.碳纳米管传感器未来的发展方向包括提高______________、______________和______________。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述碳纳米管的分类及其结构特点。2.简述电弧放电法制备碳纳米管的原理及其优缺点。3.简述碳纳米管在电学传感器中的应用原理。4.简述碳纳米管传感器在环境监测中的应用实例。四、计算题（10分）假设一个碳纳米管场效应晶体管（FET）的沟道长度为10纳米，宽度为100纳米。当gate电压为0伏时，沟道电流为0.1微安；当gate电压为1伏时，沟道电流为1微安。请计算该碳纳米管FET的conductance求解该碳纳米管FET的conductance。五、论述题（25分）论述碳纳米管传感器在生物医学检测中的应用前景，并分析其面临的挑战和未来的发展方向。试卷答案一、选择题1.D2.C3.D4.C5.B6.C7.A8.A9.D10.D二、填空题1.圆柱2.碳源3.物理/化学4.样本浓度5.功能化6.识别元件；载流子7.气体检测；水质检测8.疾病诊断；药物输送9.稳定化10.灵敏度；选择性；稳定性三、简答题1.答：碳纳米管主要分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。SWCNT由单层碳原子构成，具有空心的圆柱形结构；MWCNT由多层同轴的碳原子层构成，类似于石墨的层状结构。碳纳米管的管径、手性等结构参数对其物理化学性质有显著影响。解析思路：考察对碳纳米管基本分类和结构的掌握。回答需要包含SWCNT和MWCNT的定义和结构特点。2.答：电弧放电法是在碳电极之间产生电弧放电，高温使碳蒸发并沉积在阴极附近形成碳纳米管。该方法的优点是产率较高，可以得到较纯净的单壁碳纳米管；缺点是设备复杂，操作难度大，且产物纯化困难。解析思路：考察对电弧放电法制备原理及优缺点的理解。回答需要包含基本原理和主要优缺点。3.答：碳纳米管具有优异的导电性，其导电性对环境变化敏感。在电学传感器中，碳纳米管作为敏感元件，当待测物与碳纳米管接触或吸附在其表面时，会引起碳纳米管导电性的改变（如电阻增大或减小），通过测量这种电学信号的变化，可以实现对待测物的检测。解析思路：考察对碳纳米管电学传感器工作原理的理解。回答需要解释碳纳米管导电性与待测物相互作用的关系，以及如何通过电学信号检测待测物。4.答：实例包括：利用碳纳米管传感器检测空气中的有毒气体（如一氧化碳、甲醛、氨气等）；利用碳纳米管传感器检测水体中的污染物（如重金属离子、农药、有机污染物等）。这些传感器通常通过碳纳米管的电导率变化来响应目标污染物。解析思路：考察对碳纳米管传感器在环境监测中应用实例的了解。回答需要给出具体的气体或水体污染物例子，并简述检测原理。四、计算题答：conductanceG=ΔI/ΔV=(1μA-0.1μA)/(1V-0V)=0.9μA/V=0.9×10^-6A/V=0.9μS解析思路：conductanceG定义为电流I与电压V的比值。根据题目给出的数据，当gate电压从0V变化到1V时，电流从0.1μA变化到1μA。因此，ΔI=1μA-0.1μA=0.9μA，ΔV=1V-0V=1V。将这两个值代入conductance的公式即可得到结果。五、论述题答：碳纳米管传感器在生物医学检测中具有广阔的应用前景，例如可用于疾病诊断（如癌细胞检测、病原体检测）、药物输送、生物标志物检测等。碳纳米管的小尺寸、高表面面积、优异的导电性和生物兼容性使其成为构建高灵敏度、高选择性生物传感器的理想材料。例如，碳纳米管可以与生物分子（如DNA、抗体、酶）结合，形成生物传感器，用于检测特定的生物标志物。此外，碳纳米管还可以通过功能化修饰，提高其与生物分子的相互作用能力，并增强传感器的信号响应。面临的挑战主要包括：如何提高碳纳米管传感器的生物兼容性和稳定性，如何降低其制备成本，如何实现多参数、高通量检测等。未来的发展方向包括开发新型碳纳米管材料（如杂化碳纳米管、磁性碳纳米管等），优化传感器设计，提高传感器的灵敏度和选择