2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 生物分子在光电器件设计中的应用

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——生物分子在光电器件设计中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.下列哪种生物分子通常具有优异的光吸收特性，常被用作太阳能电池的光敏材料？A.蛋白质B.核酸C.叶绿素D.糖类2.在有机光伏器件（OPV）中，利用生物分子作为电子给体材料的主要目的是？A.提供高可见光区域的光吸收B.促进空穴的传输C.作为催化剂促进电荷分离D.增强器件的热稳定性3.荧光蛋白（如GFP）在生物光电器件设计中主要利用其什么特性？A.强的光吸收和可调的发射光谱B.高电荷迁移率C.酶催化活性D.生物相容性4.DNA分子因其独特的结构和可编程性，在构建光电器件结构中扮演的角色主要是？A.光敏剂B.电荷传输通道C.纳米模板或支架D.催化剂5.下列哪项不是生物分子光电器件面临的主要挑战？A.生物分子的光稳定性差B.缺乏有效的规模化制备方法C.与无机材料的界面相容性问题D.器件效率普遍低于传统无机光电器件6.生物太阳能电池模拟自然光合作用，其核心过程不涉及？A.光能吸收B.水的分解C.电子-质子对生成D.有机材料的电荷传输7.在利用酶作为生物分子设计光电器件时，酶的哪个特性是关键？A.分子量大小B.等电点C.特异性催化活性D.色素含量8.下列哪种器件类型最不直接依赖于生物分子的光电特性？A.生物传感器B.生物发光二极管（Bi-OLED）C.光电化学电池D.传统硅基晶体管9.提高生物分子光电器件电荷分离效率的一个有效策略是？A.增加生物分子在器件中的浓度B.优化生物分子与电极材料之间的能级匹配C.降低器件工作温度D.使用更复杂的生物分子10.结合生物分子与无机半导体材料构建杂化光电器件，其主要优势在于？A.完全继承无机材料的所有优点B.完全继承生物分子的所有优点C.实现性能互补和提升D.降低制造成本二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.蛋白质分子中的________和________常常是重要的光敏基团。2.有机光伏器件的效能通常用________效率和________效率来衡量。3.利用DNA的________特性，可以精确构筑纳米尺度的光电器件结构。4.在生物传感器中，生物分子（如酶、抗体）与目标物结合会引起________的变化，进而被光电器件检测。5.生物太阳能电池中，将光能转化为化学能的关键媒介通常是________或________。6.为了提高生物分子在光电器件中的稳定性，常用的方法包括________和________修饰。7.某种光敏蛋白在可见光区域有强吸收，并将其能量高效传递给电荷受体分子，这一过程体现了生物分子的________功能。三、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述利用光敏蛋白构建太阳能电池的基本原理。2.简要说明生物分子（如蛋白质）在光电器件中可能扮演的角色。3.为什么生物分子与无机材料的界面工程在构建杂化光电器件中至关重要？4.简述生物传感器中，光电器件如何将生物分子与目标物结合产生的信号转换为可测量的电信号或光信号。四、论述题（每题10分，共30分。请结合具体实例或原理，深入阐述下列问题）1.论述生物分子的哪些特性使其在光电器件设计中具有独特的优势。2.分析生物分子光电器件（如生物太阳能电池）目前面临的主要挑战，并提出可能的解决方案。3.选择一种具体的生物分子（如叶绿素、荧光蛋白、某种酶），详细阐述其结构特点以及如何将其应用于特定的光电器件设计中，并分析其性能表现和潜在应用前景。---试卷答案一、选择题1.C2.A3.A4.C5.D6.D7.C8.D9.B10.C二、填空题1.吸收光谱基团，能量转移基团2.光电流，能量转换3.特异性识别，自组装4.光学信号（如荧光强度，吸收光谱）5.电子，质子6.化学修饰，物理包覆7.能量转换或能量传递三、简答题1.解析思路：首先指出光敏蛋白具有光吸收能力，能捕获光能。然后说明其吸收的光能可以用于激发电子，产生电子-空穴对。接着强调生物分子设计要确保电子能被有效地传递到合适的电荷受体（可能是另一个生物分子或无机材料），形成分离的载流子。最后，简述这些分离的载流子可以被外电路收集，产生光电流或参与后续的化学反应（如水分解），从而实现光能向电能或化学能的转换。2.解析思路：从多个角度回答。首先是光敏作用，某些生物分子（如叶绿素、藻蓝蛋白）本身是很好的光吸收体。其次是电荷传输作用，一些蛋白质或分子具有导电性或能促进电荷转移。再次是催化作用，酶可以催化电荷产生、传输或复合等关键步骤。此外，生物分子（如DNA、蛋白质）具有良好的自组装能力，可用于构建有序的纳米结构。最后，生物分子具有高度的特异性，可用于设计选择性检测的生物传感器。3.解析思路：强调界面是电荷产生、传输和收集的关键区域。指出生物分子（通常是绝缘体或介电常数不同）与无机材料（如半导体、金属）之间存在能级失配和界面势垒。这些因素会导致电荷在界面处被陷阱或复合，极大地降低器件的效率和稳定性。因此，通过界面工程（如使用界面层、修饰表面能级、优化接触方式）来改善能级匹配、降低界面电阻、钝化界面缺陷、提高生物分子稳定性，对于实现高效稳定的杂化光电器件至关重要。4.解析思路：描述生物传感器的典型工作模式。首先，生物分子（如酶、抗体、核酸适配体）固定在传感器表面，并对其目标分析物具有特异性识别能力。其次，当目标物与生物分子结合时，会引起其结构、构象或活性发生改变。这种改变可以影响邻近的电子云分布或光学特性，进而产生可测量的信号。最后，光电器件负责探测这种信号，如荧光强度的变化、吸光度变化、共振光散射变化等，通过测量这些光学信号的变化量，即可推知目标物的浓度或存在。四、论述题1.解析思路：从多个维度论述生物分子的优势。首先，自然界经过亿万年进化，许多生物分子（如光合作用相关蛋白）具有优异的光吸收特性（宽光谱、高效率）、高效的能量转移/转换效率、优异的催化活性（电荷产生/转移）。其次，生物分子具有高度的特异性识别能力，可用于设计高灵敏度和高选择性的生物传感器或靶向光电器件。再次，许多生物分子具有良好的水溶性、生物相容性，易于在生物体内或与水基环境兼容的器件中应用。此外，一些生物分子（如DNA、蛋白质）具有自组装能力，可以方便地构建有序的纳米结构，为器件设计提供了新的手段。最后，相对于复杂的无机合成，某些生物分子的获取和修饰可能更易于实现或成本更低。2.解析思路：首先明确指出主要挑战包括：光稳定性差（易降解失活），导致器件寿命短；规模化制备困难，难以满足工业化需求；生物分子与无机材料的界面相容性差，影响电荷传输效率和稳定性；器件性能（如效率、稳定性）与理论计算值有较大差距；部分器件结构复杂，难以优化和控制。接着，针对这些挑战提出解决方案：通过化学修饰（如接枝稳定基团）或物理包覆（如嵌入聚合物、无机壳层）提高生物分子的光化学和热稳定性；探索基于细胞、生物膜或生物合成的方法进行规模化制备；精心设计界面层或通过表面改性改善生物分子与无机材料的相互作用，降低界面势垒，促进电荷传输；利用计算模拟和原位表征技术研究器件工作机制，优化器件结构（如活性层厚度、形貌、界面修饰）。3.解析思路：选择一个具体实例，例如叶绿素。首先介绍叶绿素的结构特点，特别是其卟啉环核心和长的偶极取代基，使其具有非常宽的光吸收光谱（覆盖可见光和近红外区）和高效的电荷分离能力（在天然光合系统中，光激发产生的电子能快速传递）。其次，阐述其应用：可以将其作为光敏剂直接应用于有机太阳能电池（OPV）或染料敏化太阳能电池（DSSC）中，利用其强光吸收捕获太阳光，并通过设计合适的电荷受体（如有机半导