2025年大学《应用化学》专业题库- 化学传感器的信号转换机制研究

2025年大学《应用化学》专业题库——化学传感器的信号转换机制研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题干后的括号内）1.在电化学传感器中，利用测量电池电动势的变化来反映被测物质浓度变化的传感器属于（）。A.电流型传感器B.电位型传感器C.电导型传感器D.热电型传感器2.下列哪种信号转换机制主要依赖于物质对特定波长光的吸收或发射强度的变化？（）A.压电转换B.磁电转换C.光学转换D.质量转换3.在酶促电流型生物传感器中，酶催化反应起到了什么关键作用？（）A.直接产生光学信号B.选择性吸附目标分析物C.放大电化学信号D.提高传感器的响应频率4.表面等离激元共振（SPR）传感器主要利用什么物理现象进行信号转换？（）A.金属表面自由电子振荡与入射光相互作用B.酶促反应的放热效应C.电极表面电荷积累引起的电位变化D.目标分析物与配体结合引起的质量变化5.下列哪种效应是石英晶体微天平（QCM）能够用于质量传感的基础？（）A.法拉第电解定律B.能斯特方程C.压电效应D.光的折射定律6.在化学发光免疫分析法中，信号放大主要依赖于（）。A.电极过程动力学B.酶催化二次反应C.金属纳米颗粒的表面等离子体共振D.光学纤维的导光特性7.信号转换过程中，选择性好意味着（）。A.传感器对目标分析物的响应最强B.传感器只对目标分析物产生响应，对干扰物不响应或响应很弱C.传感器的响应时间越短D.传感器的灵敏度越高8.电化学阻抗谱（EIS）可以通过测量什么来研究电极过程和界面状态？（）A.电极的静态电位B.电极的交流阻抗随频率的变化C.电极的瞬时电流D.传感器的热传导率9.分子印迹聚合物（MIP）在信号转换中的主要优势在于（）。A.易于制备B.成本低廉C.具有与模板分子互补的识别位点，选择性好D.稳定性高10.提高化学传感器信号信噪比的方法通常不包括（）。A.增强信号产生强度B.选择更灵敏的换能器C.采用信号平均或锁相放大技术D.降低环境温度二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.化学传感器通常由________单元和________单元两部分组成。2.电化学传感器根据测量原理可分为电位型、________型、电导型和________型传感器。3.在光学传感器中，利用物质与待测物作用后引起荧光强度变化的称为________型传感器。4.磁场变化引起电阻变化的现象称为________效应，利用该效应的传感器称为磁阻传感器。5.石英晶体微天平（QCM）利用石英晶体的________效应，通过测量频率变化来检测质量变化。6.酶催化放大是生物传感器中常见的信号放大机制，其基本原理是利用酶的________特性。7.光纤传感器中，倏逝波场存在于光纤________与________之间的区域，用于传感。8.衡量电化学传感器灵敏度的常用参数是________，其定义为单位浓度变化引起的信号变化量。9.在电位型传感器中，能斯特响应良好意味着传感器输出电位与被测物质活度呈________比例关系。10.噪声的存在会降低传感器的________，因此提高信噪比是传感器设计和应用中的重要问题。三、名词解释（每小题3分，共15分）1.选择性2.响应时间3.法拉第电流4.漫反射光谱5.链式反应放大四、简答题（每小题5分，共20分）1.简述电位型化学传感器的工作原理及其对内阻的要求。2.比较电流型传感器和电位型传感器在检测灵敏度和抗干扰能力方面的主要差异。3.简要说明表面等离激元共振（SPR）传感器的信号转换过程。4.酶催化放大在生物传感器信号转换中起到了什么作用？请简述其基本过程。五、论述题（每小题10分，共20分）1.论述电化学阻抗谱（EIS）在研究化学传感器信号转换机制中的作用和应用。2.以一种具体类型的化学传感器为例（如电化学传感器、光学传感器或生物传感器），详细阐述其信号转换机制，包括敏感单元、换能单元以及信号产生和放大的过程。试卷答案一、选择题1.B2.C3.C4.A5.C6.B7.B8.B9.C10.D二、填空题1.识别/响应；信号转换/换能2.电流；电导3.荧光4.磁阻5.压电6.高效催化7.光纤核心；包层8.灵敏度系数9.线性10.信噪比三、名词解释1.选择性：指传感器对目标分析物产生响应的能力，以及对类似或共存物质产生响应的抑制能力。2.响应时间：指传感器从接触到目标分析物到产生稳定输出信号所需的时间。3.法拉第电流：指在电化学反应中，由目标分析物参与电极反应所产生的电流，其大小遵循法拉第定律。4.漫反射光谱：指光束照射到不透明或粗糙的样品表面后发生散射，通过收集散射光进行分析的技术。5.链式反应放大：指一个初始事件（如酶催化反应）引发一系列后续反应，每个后续反应又产生更多的信号分子或事件，从而实现信号的多级放大。四、简答题1.电位型传感器的工作原理是基于能斯特方程，当传感器膜与被测物质接触时，若膜的选择性良好，其内部电势会发生相应变化，该变化与被测物质活度的对数呈线性关系。通过测量该电势变化，并根据校准曲线可推算出被测物质的浓度。对内阻的要求是高内阻，以减小测量电路中的电流，避免因电流流过膜内而改变被测物质的活度，确保测量的准确性。2.电流型传感器通过测量与目标分析物电化学反应相关的电流信号，通常具有更高的检测灵敏度，尤其是在低浓度区域，因为电流信号更容易放大和处理。此外，电流信号通常具有较快的响应速度。然而，电流信号易受电极过程动力学、背景电流（如电化学噪声、溶液中其他物质的干扰反应）以及电极电位漂移等因素的影响，抗干扰能力相对较弱。电位型传感器测量的是电势差，理论上不受背景电流影响（理想情况下），对干扰物的抗干扰能力较强，但灵敏度通常低于电流型传感器，且响应速度可能较慢。3.SPR传感器的信号转换过程基于金属（通常是金或银）薄膜表面的等离激元共振现象。当一束特定波长的光入射到金属薄膜上时，会在薄膜表面激发出振荡的表面等离激元。如果目标分析物与附着在金属薄膜表面的探针分子（如生物分子）发生相互作用（如结合），会引起金属薄膜表面附近的介电环境发生改变。这种改变会微弱地调制金属薄膜的等离激元共振响应，导致反射光的光强、波长或相位发生变化。通过检测这种光学的变化，并将其转换为电信号，就可以实现对分析物存在及其相互作用的检测。4.酶催化放大在生物传感器中起到了显著提高信号强度的作用。其基本过程是：首先，目标分析物与固定在传感器表面的酶的底物结合位点特异性结合。随后，酶被激活并催化其底物（可能是目标分析物本身，也可能是酶的衍生物）发生反应。该酶催化反应通常会产生大量的信号分子（如产物的荧光、电活性或颜色变化），或者引发一系列级联反应，最终导致产生远超初始目标分析物浓度的信号。通过测量这个放大后的信号，可以实现对痕量目标分析物的灵敏检测。五、论述题1.电化学阻抗谱（EIS）通过测量交流正弦信号施加于电化学体系时，体系的阻抗随频率的变化，能够提供关于电极/溶液界面状态和电荷传输过程的大量信息，因此在研究化学传感器信号转换机制中具有重要作用和应用。首先，EIS可用于表征传感器的识别/敏感膜层，如研究膜层对目标分析物的吸附过程（吸附等温线、吸附动力学）、膜层与分析物之间的相互作用机理。其次，EIS可以揭示信号转换过程中涉及的电荷转移步骤，如法拉第反应的动力学电阻、传质电阻、以及电极/溶液界面的双电层电容等。通过分析不同频率下的阻抗特征，可以区分不同的电荷传输过程，并确定其贡献大小。例如，在电化学传感器中，可以通过EIS中的充电电流半圆评估电极过程的可逆性或准可逆性，通过Warburg阻抗分析传质控制过程。此外，EIS还能用于研究传感器在实际应用条件下的稳定性、抗干扰能力以及老化过程。通过比较目标分析物存在与否时的EIS曲线差异，可以直接评估传感器的选择性和对目标分析物的响应机制。总之，EIS作为一种强大的原位、实时、无损表征技术，为深入理解化学传感器的工作原理、优化传感器设计和提高其性能提供了有力的工具。2.以葡萄糖氧化酶（GOx）固定在铂电极表面的电流型生物传感器为例，其信号转换机制如下：*敏感单元：敏感单元主要包括固定在电极表面的葡萄糖氧化酶（GOx）和作为底物的葡萄糖溶液。GOx是一种具有催化活性的蛋白质，能够特异性地识别并结合葡萄糖分子。*信号产生：当含有葡萄糖的溶液接触到GOx时，若存在氧气（溶解氧），GOx会催化葡萄糖发生氧化反应，生成葡萄糖酸和过氧化氢。该氧化还原反应在酶的活性中心进行。*信号转换：该酶促氧化反应是一个典型的电化学氧化过程。为了将这个化学反应转化为可测量的电信号，通常需要设计一个三电极体系（工作电极、参比电极和对电极），并施加一个合适的电位。在工作电极（如铂电极）上施加电位，使得该电位有利于过氧化氢（H₂O₂）的氧化或葡萄糖的氧化（取决于具体设计和酶活性）。当GOx催化葡萄糖氧化时，产生的电子通过溶液传递到工作电极，或在特定设计下，葡萄糖自身被氧化。这些电子在外电路中流动，形成微电流。这个电流的大小与葡萄糖的浓度在一定范围内成正比。*信号放大：为了提高检测灵敏度，常采用酶催化放大。即，一个葡萄糖分子经过GOx催化氧化后，会产生一个或多个电子。这些电子在工作电极上引发电流。产生的过氧化氢可以被循环利用，或者GOx可以催化产生其他电活性物质（如产生氧气或其他小分子），进一步增加