2025年大学《化学测量学与技术》专业题库—— 化学传感器在甲醛检测中的应用研究.docxVIP

2025年大学《化学测量学与技术》专业题库——化学传感器在甲醛检测中的应用研究

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述化学传感器的基本组成和主要工作原理。请分别以电化学传感器和光学传感器为例，说明其信号转换的基本方式。

二、

甲醛是一种常见的室内空气污染物，对人体健康有害。简述酶催化型甲醛传感器的工作原理。指出其至少两个主要的优点和相应的局限性。

三、

设计一个基于金属氧化物半导体（MOS）材料的气敏传感器用于甲醛检测。请说明你选择该类材料作为敏感材料的主要依据，并简述该传感器的可能工作机理。

四、

在评价一款甲醛传感器的性能时，灵敏度、选择性、响应时间、检测限（LOD）和稳定性是关键指标。请解释这些指标各自的含义，并说明它们对于实际室内甲醛检测应用的重要性。假设你发现某款传感器灵敏度很高，但选择性较差，你会如何改进其性能？

五、

阅读以下（假设的）文献摘要：“一种新型的基于金纳米颗粒修饰碳纤维电极的甲醛电化学传感器被开发出来。实验表明，该传感器在pH6.0的磷酸盐缓冲溶液中对甲醛表现出良好的线性响应（0.1-50ppm），检测限达到0.05ppm（S/N=3）。与未修饰的电极相比，灵敏度提高了约5倍。该传感器具有制备简单、成本低廉等优点。”

请分析该文献报道的传感器性能，并指出其潜在的局限性或进一步改进的方向。

六、

比较电化学传感器和光学传感器在甲醛检测中的应用各自的优势和劣势。在哪些场景下，你可能更倾向于选择电化学传感器？又有哪些场景更适合使用光学传感器？

七、

为了提高甲醛传感器的选择性和抗干扰能力，研究人员常常采用免疫传感器或催化传感器等方法。请分别简述免疫传感器和催化传感器的基本原理，并说明它们是如何实现对甲醛进行选择性检测的。

八、

随着物联网技术的发展，便携式和可穿戴的气体检测设备越来越受欢迎。请设想一种用于个人甲醛暴露监测的便携式传感器的可能方案。你需要考虑传感器的关键性能参数、可能的封装形式、数据传输方式以及用户界面的基本需求。

试卷答案

一、

化学传感器通常由敏感元件、换能元件和信号处理系统三部分组成。敏感元件直接与被测物质接触发生物理或化学变化，产生与待测物浓度相关的信号；换能元件将敏感元件产生的变化转换为可测量的电信号或其他形式信号；信号处理系统对微弱的信号进行放大、滤波、线性化等处理，最终输出可供显示或记录的结果。

电化学传感器利用电化学反应将化学变化转换为电信号。其基本工作方式包括：待测物质在电极表面发生氧化或还原反应（电解池）或产生电化学反应（原电池），导致电极电位或电流发生变化，该变化与待测物质浓度相关。例如，在燃料电池中，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子通过外电路流动产生电流。

光学传感器利用光学变化（如吸光、荧光、磷光、比色、干涉等）将化学变化转换为光学信号。其基本工作方式包括：待测物质与敏感材料相互作用（如分子识别、化学计量反应导致吸光度变化），引起材料的光学性质发生改变；通过检测器（如光电二极管、光电倍增管）测量光学信号的变化，该变化与待测物质浓度相关。例如，分光光度计通过测量溶液吸光度来定量分析溶质浓度。

二、

酶催化型甲醛传感器利用特定的酶（如甲醛脱氢酶）催化甲醛发生氧化还原反应。酶催化反应的速率与甲醛浓度成正比，该反应产生的产物或电子转移可以通过电化学、光学等方式检测，从而实现甲醛浓度的定量测定。

优点：酶具有极高的催化活性和选择性，对甲醛的检测灵敏度高，且反应条件相对温和（常温常压，中性或近中性pH）。

局限性：酶的稳定性较差，易受温度、pH、有机溶剂等因素影响而失活；酶的获取成本较高，纯化困难；酶通常需要特定的辅酶或底物参与反应，增加了系统的复杂性；传感器的使用寿命通常较短。

三、

选择金属氧化物半导体（MOS）材料作为敏感材料的主要依据包括：

1.气敏特性：某些MOS材料（如SnO?,WO?,ZnO,Fe?O?等）对特定气体（包括甲醛）具有选择性吸附和反应能力，导致其导电性发生显著变化。

2.制备工艺简单、成本低廉：MOS材料易于通过气相沉积、溶胶-凝胶、水热合成等方法制备成纳米颗粒、薄膜或纳米线等敏感层，且制备过程相对成熟。

3.稳定性好：合适的MOS材料在空气和目标气体环境中具有良好的热稳定性和化学稳定性。

4.易于集成：MOS材料易于制备成薄膜或厚膜，可以方便地与电极、加热器等器件部件集成。

可能的传感机理：MOS材料表面的甲醛分子通过物理吸附（范德华力）或化学吸附（发生表面反应，如氧化）被吸附到敏感材料表面。吸附过程改变了材料表面的电荷分布，可能导致表面态的产生或变化，进而影响材料的整体导电性（电导率）。对于n型半导体，吸附通常导致电子被夺取，电导率下降；对于p型半