2025年纳米工程学综合测评考试及答案

2025年纳米工程学综合测评考试及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于纳米尺度的定义，最准确的是（）。A.1-100纳米的一维尺寸B.至少一维处于1-100纳米的三维结构C.所有维度均小于100纳米的颗粒D.1-1000纳米的二维薄膜2.下列纳米材料制备方法中，属于“自下而上”合成的是（）。A.聚焦离子束刻蚀B.分子束外延生长C.球磨法破碎块体材料D.电子束光刻3.表征纳米颗粒晶体结构的最佳技术是（）。A.透射电子显微镜（TEM）高分辨成像B.原子力显微镜（AFM）表面形貌扫描C.X射线衍射（XRD）D.动态光散射（DLS）4.量子尺寸效应显著影响纳米材料性质的临界尺寸通常小于（）。A.100纳米B.50纳米C.10纳米D.1纳米5.碳纳米管的手性指数（n,m）决定其电学性质，当n=m时，碳纳米管表现为（）。A.金属性B.半导体性C.绝缘性D.超导性6.纳米颗粒的表面效应会导致其熔点与块体材料相比（）。A.显著升高B.基本不变C.显著降低D.先升后降7.用于生物医学的纳米载体需满足的关键要求不包括（）。A.良好的生物相容性B.可控的药物释放速率C.超顺磁性（非必须）D.长循环稳定性（避免被免疫系统清除）8.原子层沉积（ALD）技术的核心优势是（）。A.沉积速率快，适合大规模生产B.可在复杂形貌基底上实现原子级厚度控制C.无需真空环境，设备成本低D.适用于制备大尺寸纳米线阵列9.纳米传感器中，表面等离子体共振（SPR）现象主要用于检测（）。A.温度变化B.微小质量变化C.特定分子的结合D.机械应力10.纳米材料的环境风险评估中，“迁移性”主要指（）。A.材料在生物体内的代谢速率B.材料在水、土壤中的扩散能力C.材料对细胞的穿透能力D.材料在制备过程中的挥发程度二、填空题（每空1分，共20分）1.纳米材料的四大基本效应是________、________、________和宏观量子隧道效应。2.化学气相沉积（CVD）制备纳米材料时，关键工艺参数包括________、________和反应气体比例。3.扫描探针显微镜（SPM）包括________和________两种主要类型，分别用于表面形貌和力学/电学性质表征。4.金纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）吸收峰位置与颗粒________、________和周围介质折射率密切相关。5.纳米药物载体的“EPR效应”指________，其利用肿瘤组织的________特性实现被动靶向。6.碳点（CarbonDots）的主要荧光机制包括________和________，因其________优势在生物成像中应用广泛。7.纳米复合材料的界面设计需考虑________匹配和________相互作用，以提升材料的力学或功能性能。三、简答题（每题8分，共40分）1.比较化学气相沉积（CVD）与原子层沉积（ALD）在纳米薄膜制备中的差异，从沉积机理、厚度控制精度、基底适应性三方面展开。2.说明纳米颗粒表面修饰的常用方法（至少3种）及其目的。3.解释为何纳米氧化锌（ZnONPs）在光催化领域具有优势，需结合其能带结构、比表面积和表面活性位点特性分析。4.简述纳米生物传感器中“信号放大”的必要性及两种实现策略（如酶催化、纳米材料增强等）。5.分析纳米材料毒性的主要机制，包括物理损伤、化学毒性和生物反应三个层面。四、综合题（20分）设计一种基于纳米技术的靶向抗肿瘤药物递送系统，需明确以下内容：（1）载体材料的选择及依据（如聚合物、脂质体、金属有机框架等）；（2）靶向修饰策略（主动靶向与被动靶向的结合方式）；（3）药物负载与释放机制（响应性设计，如pH、温度、酶触发）；（4）安全性评价的关键指标（如生物降解性、免疫原性、器官蓄积）。2025年纳米工程学综合测评答案一、单项选择题1.B2.B3.C4.C5.A6.C7.C8.B9.C10.B二、填空题1.表面效应；小尺寸效应；量子尺寸效应2.沉积温度；基底类型（或气体流速）3.原子力显微镜（AFM）；扫描隧道显微镜（STM）4.尺寸；形状（或长径比）5.增强的渗透滞留效应；血管高通透性和淋巴引流缺陷6.量子限域效应；表面态发光；低毒性（或生物相容性）7.物理（如热膨胀系数）；化学（如共价键/氢键）三、简答题1.CVD与ALD的差异：-沉积机理：CVD通过气相反应物在基底表面发生化学反应生成薄膜，反应依赖温度和浓度；ALD基于前驱体与基底表面的自限制反应，分“脉冲-吹扫”循环进行，每循环仅沉积单原子层。-厚度控制精度：CVD通常为纳米级（±1-10nm），ALD可达原子级（±0.1nm）。-基底适应性：CVD对复杂形貌基底（如深孔、多孔材料）覆盖性较差，易出现厚度不均；ALD因自限制反应，可在高纵横比基底上实现保形沉积。2.表面修饰方法及目的：-硅烷化修饰：通过硅烷偶联剂（如APTES）在纳米颗粒表面接枝氨基、巯基等基团，提高在极性溶剂中的分散性或功能化连接生物分子。-聚合物包覆（如聚乙二醇PEG）：形成空间位阻层，减少蛋白吸附和免疫清除，延长体内循环时间。-抗体/多肽偶联：通过共价键（如EDC/NHS交联）连接靶向配体，实现对特定细胞（如肿瘤细胞）的主动靶向。3.纳米ZnO的光催化优势：-能带结构：ZnO禁带宽度约3.2eV（紫外光响应），光激发产生电子-空穴对，可氧化分解有机污染物；通过掺杂（如N、S）可拓展至可见光响应。-比表面积：纳米级ZnO（如纳米颗粒、纳米片）比表面积大（>50m²/g），提供更多吸附位点和反应界面。-表面活性位点：表面羟基（-OH）和氧空位丰富，促进·OH自由基生成（关键氧化物种），提升催化效率。4.信号放大的必要性及策略：必要性：生物分子（如肿瘤标志物）浓度极低（pM-fM级），直接检测信号弱，需放大以提高灵敏度。策略：-酶催化放大：如辣根过氧化物酶（HRP）催化底物（TMB）生成显色产物，信号强度与酶量成正比，间接放大目标分子信号。-纳米材料增强：金纳米颗粒（AuNPs）的LSPR效应可增强表面拉曼散射（SERS）信号；磁性纳米颗粒（MNPs）富集目标分子后，结合荧光标记实现信号富集放大。5.纳米材料毒性机制：-物理损伤：纳米颗粒（如碳纳米管）的高长径比可能刺穿细胞膜，或在细胞器（如溶酶体）内积累导致机械压力，引发膜破裂。-化学毒性：表面未修饰的纳米颗粒（如金属氧化物）可能释放有毒离子（如Zn²⁺、Cu²⁺），或通过Fenton反应产生活性氧（ROS），氧化损伤DNA、蛋白质。-生物反应：纳米颗粒被巨噬细胞吞噬后，激活NLRP3炎症小体，诱导IL-1β等炎症因子释放，引发系统性炎症；长期蓄积可能导致器官纤维化（如肺部）。四、综合题（示例）靶向抗肿瘤药物递送系统设计（1）载体材料选择：选用聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），因其具有良好的生物降解性（降解产物为乳酸和羟基乙酸，可代谢排出）、可控的降解速率（通过调整LA/GA比例），且易于表面修饰（如PEG化）。（2）靶向修饰策略：-被动靶向：利用EPR效应，设计PLGA纳米颗粒尺寸为50-200nm（避免被肾脏清除，同时穿透肿瘤血管间隙）。-主动靶向：表面修饰靶向配体，如RGD多肽（靶向肿瘤血管内皮细胞的整合素αvβ3）或抗HER2抗体（靶向HER2过表达的肿瘤细胞），通过酰胺键（EDC/NHS交联）共价连接至PEG末端。（3）药物负载与释放机制：-负载：将疏水性药物（如阿霉素）包埋于PLGA内核（乳化-溶剂挥发法）；亲水性药物（如顺铂）可通过静电作用吸附于表面修饰的氨基（-NH₂）。-释放：设计pH响应性释放，PLGA在肿瘤微环境（pH6.5）中水解速率加快，同时表面修饰的聚组氨酸（pH敏感聚合物）在酸性条件下质子化，破坏纳米颗粒结构，加速药物释放；或引入二硫键（-S-S-），在肿瘤细胞内高谷胱甘肽（GSH）环境中断裂，触发药物突释。（4）安全性评价指标：-生物降解性：通过体外PBS缓冲液（pH7.4/6.5）降解实验，检测分子量变化及降解产物