2025年大学《化学测量学与技术》专业题库- 表面等离子体共振技术的研究进展

2025年大学《化学测量学与技术》专业题库——表面等离子体共振技术的研究进展考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简答题（每题10分，共50分）1.请简述表面等离子体共振（SPR）现象的物理基础及其在传感器中的应用原理。2.在SPR传感器的构建过程中，表面固定生物分子（如抗原或抗体）的常用方法有哪些？并简述其中一种方法的原理。3.动力学分析方法在SPR研究中有何重要性？请解释如何通过分析共振曲线的变化来获得生物分子结合亲和力（KD）和结合/解离速率常数（ka,kd）等信息。4.与传统比色法或荧光法相比，SPR技术在检测生物分子相互作用方面有哪些独特的优势？5.列举三种近年来表面等离子体共振技术的研究热点或新兴应用领域，并简要说明其研究意义或应用前景。二、论述题（每题20分，共40分）6.试论述将表面等离子体共振技术与纳米材料（如金纳米颗粒、石墨烯）结合所带来的潜在优势及其在提高传感性能方面的可能机制。7.结合你所学知识，论述表面等离子体共振技术在药物研发（如基于细胞表面受体的药物筛选）中的应用潜力，并分析该技术在应用中可能面临的技术挑战及相应的解决方案。试卷答案一、简答题1.答案：表面等离子体共振（SPR）现象是指当一束特定波长的光照射到金属（通常为Au或Ag）薄膜的表面时，如果薄膜下方是介电常数较小的介质（如空气），会在金属-介质界面附近激励出沿金属表面传播的电磁波，即表面等离子体波（SPW）。当入射光波长与SPW的谐振波长匹配时，会发生共振吸收，导致从金属表面反射的光强度发生急剧下降，形成共振峰。SPR传感器利用这一现象，通过实时监测共振曲线（即共振峰波长或强度随时间的变化）来检测发生在金属表面发生的分子吸附或解吸过程，进而实现对目标分析物浓度的定量分析或分子相互作用参数的测定。解析思路：首先要回答SPR的物理本质是金属表面等离激元共振。需要说明共振产生的条件（特定波长光、金属-介质界面）。其次要阐述共振现象的具体表现（反射光强度急剧下降，形成共振峰）。最后要明确SPR传感器的应用原理，即利用表面发生的吸附/解吸导致共振状态的变化，从而监测分析物。2.答案：常用的表面固定方法包括：①自组装单分子层（SAMs）技术：利用硫醇基团等官能团与金表面之间的强烈相互作用，自发性地在金属表面形成有序的分子层，可用于固定带相反电荷或特定官能团的分子；②共价偶联法：通过在分析物分子或其载体上引入活性基团（如氨基、羧基），与固定在表面的活性基团（如环氧基、琥珀酸酐）发生化学反应，形成稳定的共价键；③蛋白质A/G亲和层析法：利用固定在表面的蛋白质A或G可以特异性地结合抗体或免疫球蛋白，间接捕获目标生物分子；④非共价相互作用固定：利用疏水作用、静电作用、范德华力等非共价键相互作用将分子固定在表面，该方法通常具有更快的结合动力学。解析思路：列举至少三种常用的固定方法，并对每种方法进行简要原理说明。SAMs要强调自组装和金-硫键。共价偶联要强调化学反应和活性基团。蛋白质A/G要强调其特异性结合抗体/免疫球蛋白。非共价固定要提及几种主要的相互作用力类型。3.答案：动力学分析对于研究生物分子相互作用的速率、平衡和性质至关重要，是SPR技术的核心优势之一。通过监测共振曲线随时间的变化，可以实时获取分析物与配体在传感器表面结合和脱离的动态信息。结合/解离过程会导致传感器表面质量变化和折射率改变，进而引起共振峰的偏移和强度变化。通过建立合适的数学模型（如1:1Langmuir模型）对这些时间序列数据进行拟合，可以精确计算出解离常数（KD），并进一步推导出结合速率常数（ka）和解离速率常数（kd），从而获得关于分子间相互作用强度的定量化信息，如结合半衰期（t½=ln(2)/kd）和解离半衰期（t½=ln(2)/ka）。解析思路：首先强调动力学分析的重要性。然后解释通过监测共振曲线随时间变化可以获取结合/解离动态信息，并说明其背后的物理基础（表面质量/折射率变化）。最后阐述如何通过数学模型拟合时间数据来计算关键动力学参数（KD,ka,kd）及其意义（相互作用强度、速率）。4.答案：SPR技术在检测生物分子相互作用方面具有以下独特优势：①实时、原位监测：能够直接在固相表面实时监测分子相互作用的整个过程，无需分离产物或分析物；②高灵敏度：可检测pmol/L甚至fmol/L级别的分析物，对微量化生物分子相互作用敏感；③高特异性：通过精心设计的传感器表面，可以实现针对特定分析物的选择性检测；④定量分析：结合动力学分析，可以精确测定解离常数（KD）、结合速率和结合容量等相互作用参数；⑤微量样品消耗：仅需少量样品即可完成分析；⑥稳定性：传感器芯片可重复使用或长期稳定监测。解析思路：从SPR技术的特性出发，列举其相比传统方法的优势。重点突出实时原位监测、高灵敏度、高特异性、定量分析这几个核心优势。可以适当补充微量样品、稳定性等辅助优势。5.答案：近年来的研究热点或新兴应用领域包括：①SPR与纳米材料结合：利用金、银、碳纳米管、石墨烯等纳米材料的表面增强拉曼散射（SERS）、表面等离激元共振增强（SPRE）等效应，显著提高传感器的灵敏度、选择性和检测范围；②多模态传感集成：将SPR与电化学、荧光、质谱等技术结合，实现信息互补，提供更全面的分子信息，用于更复杂的生物分析；③基于微流控的SPR芯片：将SPR与微流控技术结合，实现样品处理、反应和检测一体化，提高分析通量、自动化程度和便携性；④人工智能与大数据分析：利用机器学习、深度学习等方法处理复杂的SPR信号和海量数据，进行模式识别、构效关系预测、异常检测等。解析思路：列举至少三个具体领域，并简要说明其研究意义或应用前景。要紧扣“研究进展”，体现交叉学科和新技术应用的特点。例如，纳米材料要关联其增强效应；微流控要关联其高通量、自动化优势；AI要关联其数据处理和智能化能力。二、论述题6.答案：将表面等离子体共振（SPR）技术与纳米材料结合，可以显著提升传感器的性能和应用范围。其潜在优势主要体现在：①显著提高灵敏度：利用纳米材料（如金纳米颗粒、银纳米颗粒、石墨烯等）的表面等离激元共振效应或其独特的物理化学性质，如表面增强拉曼散射（SERS）、表面增强荧光（SEF）等，可以放大生物分子相互作用信号，检测限可达亚纳摩尔甚至皮摩尔级别；②拓宽检测光谱范围：一些纳米材料（如磁性纳米颗粒）或二维材料（如石墨烯）可以在可见光甚至近红外区域产生共振，为SPR传感器提供更多选择，避免生物样品自发荧光的干扰；③增强生物分子固定能力：纳米材料表面可以修饰多种基团，提供更多样化的固定方式，或形成更稳定、更有序的固定层，提高结合效率和特异性；④开发新型传感机制：例如，利用纳米颗粒的尺寸效应、等离子体耦合效应或特殊催化活性，开发基于纳米材料参与的化学反应或生物催化过程的SPR传感器；⑤制备多功能传感器阵列：纳米材料易于集成到微流控芯片或阵列平台上，实现多目标同时检测。其提高传感性能的可能机制涉及纳米材料的表面等离子体共振增强信号、纳米结构对光散射/吸收的调控、纳米材料与目标分子的特殊相互作用、以及纳米材料本身的其他物理化学特性（如导电性、磁性）的应用等。解析思路：首先点明结合的优势在于提升性能和扩展应用。分点论述具体优势，如提高灵敏度（关联SERS/SEF）、拓宽光谱（关联可见光/近红外材料）、增强固定能力（关联表面修饰）、开发新机制（关联尺寸效应/催化活性）、制备多功能阵列（关联微流控/阵列技术）。在解释机制时，要结合纳米材料的特性（如SPR、SERS、催化等）与SPR传感原理（表面质量/折射率变化）联系起来。7.答案：SPR技术在药物研发中具有巨大的应用潜力，特别是在基于细胞表面受体的药物筛选方面。其应用潜力体现在：①高通量筛选药物小分子：通过将细胞表面受体固定在SPR传感器表面，可以实时、高通量地筛选大量化合物库，快速识别能与受体特异性结合并具有合适亲和力和动力学特征的小分子药物候选物，大大提高药物发现的效率；②研究药物-靶点相互作用动力学：SPR能够精确测定药物小分子与细胞表面受体的结合速率、解离速率和解离常数（KD），为评估药物与靶点的结合强度和动力学特性提供关键信息，有助于理解药物作用机制和优化药物设计；③药物构效关系研究：通过SPR监测不同结构类似物与受体的相互作用，可以研究药物分子结构与活性之间的关系，指导药物结构优化；④抗体药物研发与表征：SPR可用于研究抗体与抗原或其他靶点的相互作用，测定抗体药物的非竞争性结合亲和力，评估抗体药物的有效性；⑤药物递送系统研究：可以研究药物载体（如纳米粒子、脂质体）与细胞表面受体的相互作用，评估递送系统的靶向性和细胞摄取效率。解析思路：首先明确SPR在药物研发中的核心作用是研究分子相互作