《生物物理技术修订版》期末考试试题与答案.docx
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《生物物理技术修订版》期末考试试题与答案
《生物物理技术(修订版)》期末考试试题与答案
第一章总论
1.什么是生物物理学?
答:
从物理学的角度来研究生命过程,即主要应用物理学方法研究生物的基本结构和性能、物理过程和物化过程的本质,以及物理因素对机体的作用等的学科。
2.生物物理学包含的分支学科(主要内容)有哪些?
答:
分子生物物理、膜与细胞生物物理、感官与神经生物物理、生物控制论与生物信息论、理论生物物理、光生物物理、辐射生物物理、生物力学与生物流变学、生物物理仪器与技术。
3.什么是生物物理技术?
答:
技术的革新和应用对于推动生物学发展的重要作用是众所周知的(有时甚至带来革命性的、根本的改变)。
生物物理技术作为生物物理学中不可缺少的重要组成部分,包括X射线衍射晶体分析、同步辐射
核磁共振波谱技术、时间分辨的波谱技术和光谱技术(如纳秒到飞秒级荧光)、新型显微技术(如原子力显微术、共聚焦显微术、近场光学显微术及分子激发显微术等)、测定弱磁信号、检测微量成分的无损伤技术
成像技术等。
4.什么叫电磁波?
答:
电磁波(电磁辐射)指传播着的交变电磁场。
5.什么叫波谱学(spectroscopy)和波谱技术?
答:
研究各种不同频率(或波长)电磁波性质的科学,所采用的研究技术称为波谱技术。
6.波谱学的物理基础是什么?
答:
根据波长或频率的不同,可将电磁波区分为许多不同的波段,并分别给予不同的名称。
每个波段,其所涉及的能量几乎都和分子或其组成(电子与原子核)的某一种运动方式有关,因而在和物质相互作用时,不同的波段都在不同程度上影响整个分子的能量状态,根据其不同性质就可找到不同波段的电磁波在研究分子结构及其运动中的应用。
一个分子的总能量包括平动、核取向、电子自旋、转动、振动以及价电子能量等几部分,分成了不同的能级。
物质吸收能量后,低能态跃迁至高能态,其发射指高能态向低能态跃迁将多余能量以量子形式发射出来。
不同的物质,其吸收和发射的状况不同,人们根据各种波谱技术测量的直接结果得到波谱图。
波谱图反应了物质的结构信息。
这就是波谱学的物理基础。
7.波谱是如何产生的?
答:
假定外来辐射在各种波长下的强度都相等,则以强度为纵轴,频率为横轴可得吸收曲线(通常做法:
以被吸收量对波长作图)。
由于环境条件的不同,或者相邻吸收基团之间的相互作用,使同一种吸收基团的能级差略有差异。
两个分子能级之间还存在着一系列不同的振动与转动能级,在仪器分辨能力不高的情况下将只能观察到其包迹。
波谱的获得是各种波谱技术测量的直接结果。
8.波谱有哪些参数反映物质信息?
答:
波谱的位置代表某种吸收或发射基团的特征跃迁,可以据此辨认基团或化合物的存在;强度反映产生吸收和发射的基团数;宽度由激发态寿命决定,随环境、物理状态和运动状况而改变,反映运动、动力学和相互作用的情况;结构提供关于基团间相互作用的信息;偏振表征分子的取向;弛豫时间说明物理状态与相互作用。
9.波谱仪有哪些主要部件?
答:
电磁波发生器、分光装置、样品池、探测器、显示记录、打印装置。
第二章紫外-可见吸收光谱术
1.简单分子的能级是如何构成的?
答:
对于一个简单分子,其能量状态主要包括价电子能级、振动能级与转动能级三部分。
2.紫外-可见吸收光谱是怎样形成的?
答:
吸收一般都从基态的最低振动能级发生,在吸收不同能量的量子后,可以跃迁到不同电子能级的不同振动能级上(还可以到不同的转动能级)。
由于不同物质分子对紫外或可见光有特征吸收,因而形成紫外-可见吸收光谱,可以用于鉴别物质、测量其含量;根据吸收程度随时间的变化,可进行某些化学反应及动力学研究;根据环境因素对吸收的影响可以了解生物分子的结构与构象。
3.紫外-可见吸收分光仪的基本构成是怎样的?
答:
紫外-可见光光源、分光装置、样品杯、探测器、记录与显示装置。
(注意:
紫外线吸收分光仪对应的样品杯是石英杯;为了得到准确的吸收谱,溶液中应不含固态物质,否则光在这些物质上的散射效应将影响光谱的形状)
4.紫外-可见吸收光谱术有什么基本应用?
(只须回答四点即可)
答:
根据吸收光谱确定物质、根据谱线高低测定浓度、化学反应的检测、分光光度滴定测定蛋白质的结构、利用构象改变时吸收谱的变化可以作为一种研究大分子在不同条件下的溶液构象的手段、结合研究、差光谱应用(研究生物大分子溶液时,光谱对环境条件的依赖性常常很小,但这种微小差别却能说明大分子的构象变化)。
第三章荧光光谱术
1.荧光是怎样产生的?
答:
从第一电子激发态的最低振动能级向基态的不同振动能级跃迁时,能量可以光子形式释放,这被称为荧光,常发生在10-9秒内。
与吸收相似,荧光不只是一种波长而包含有一个频带,即荧光谱都包含有不同的波长范围。
如果激发态和基态有相同或接近的振动能级分布,则发射光谱也有峰。
峰位附近的发射强度逐渐减弱,由于吸收后消耗部分能量,只从S1的零振动能级发射,因此荧光发射谱与吸收谱比较,其峰位产生红移,即向长波方向移动。
此外由于处于不同振动能级的几率相近,使同一物质的吸收谱与荧光发射谱具有镜像对称的性质。
2.荧光测量装置如何?
(特点:
90度角)
答:
3.荧光测量中有哪些主要参量?
各反映什么信息?
答:
荧光强度:
反映物质的浓度。
荧光量子产率ϕ:
说明发光的几率,和物质本身的性质、溶剂、激发波长与温度等有关。
荧光光谱:
包括荧光激发谱(excitationspectrum)与荧光发射谱(emissionspectrum)。
荧光寿命:
荧光寿命不仅取决于分子本身,还和荧光分子所处的环境以及和其它分子相互作用有关。
荧光偏振:
可观察荧光的偏振情况(荧光偏振度、荧光各向异性),有助于研究分子的运动。
4.荧光光谱的特点是什么:
答:
包括荧光激发谱(表示一种荧光物质在不同波长的激发光作用下所得到的同一波长下荧光强度的关系,也就是不同激发波长的相对效率)与荧光发射谱(在一定波长激发光作用下荧光强度与荧光波长的关系,即荧光中不同波长幅射的相对强度)。
有激发和发射两种光谱可以利用。
当两种不同物质在同一波段都有吸收,但发射谱不同,则可以根据发射谱加以区别,故反映了更多关于物质的信息。
5.荧光光谱术的具体技术有哪些?
答:
荧光漂白恢复技术(可以测定膜分子的扩散系数)、光度尺(通过测定转化能量的效率,获知分子间的距离)、激光扫描共聚焦显微术(共聚焦——点光源——照射光源和探测光源共轭——除去其它散乱光——获得清晰的物像)、探针技术。
6.荧光光谱术的基本应用有哪些?
答:
(1)在分子生物学中的应用:
普通的荧光光谱技术、荧光标记技术
(2)在细胞生物学中的应用:
荧光漂白恢复技术、流式细胞仪、激光扫描共聚焦显微术
7.荧光光谱术和紫外-可见吸收光谱术有哪些异同?
答:
相同点:
都能通过特定的光谱探测物质是否存在;都能通过谱线的高低探测物质的浓度;测定化学反应的原理相同(物质浓度变化)。
不同点:
荧光光谱术在细胞生物学中有更广泛的应用,可以测定膜分子的扩散速率,膜的流动性,膜电位,核DNA的分布,细胞分选(激光扫描共聚焦技术、流式细胞仪、密度梯度离心)。
第四章红外与拉曼光谱术
1.什么是红外吸收光谱?
答:
红外吸收光谱指分子吸收中红外线区(2.5~50μm)的电磁辐射后,产生振动能级与转动能级的跃迁,描述化合物透光率T随波数σ变化的谱图称为红外吸收光谱。
红外吸收光谱又称为振动-转动光谱。
2.拉曼光谱是怎样形成的?
答:
拉曼散射是由于能量不足以产生电子激发态的光子和被照射分子的电子相互作用产生的。
虽然它也涉及振动能级的变化,但不是一种直接的方式,而是除振动能级变化外,入射光子还有另一部分被散射。
3.红外与拉曼光谱的特点是什么?
答:
拉曼光谱是散射过程,红外光谱是吸收过程。
他们具有互补性,只有既获得红外光谱又得到拉曼光谱才能较完整地分析分子中的各种振动状态。
4.红外吸收光谱仪的构成是什么?
答:
光源、样品池、扇形镜、减光器、参比池、单色器、检测器、放大器、记录器。
5.红外吸收光谱术的特点是什么?
答:
被测样品可以是固体、液体、气体。
谱线分为官能团区或征区(000~1500/cm,是基团伸缩振动出现的区域,对鉴别官能团最有价值,也称基频区)和指纹区(1500~600/cm,是单键的伸缩振动和弯曲振动产生的复杂光谱区,当分子结构稍有不同时,该区的吸收就有细微的差异,对于区别结构类似的化合物很有帮助)。
6.红外与拉曼光谱术的基本应用有哪些?
答:
红外吸收在生物大分子研究中的主要用途是构象及其变化的研究。
拉曼谱在研究核酸与蛋白质相互作用时特别有用,它可分辨出许多谱带,甚至象噬菌体这样复杂的样品,也可辨认出其蛋白质中特定的肽或侧链的振动,以及核酸中特定的碱基或磷酸的振动,而且其中有些带对构象变化很敏感。
可用此技术可明显分辨α、β与无规卷曲。
第五章旋光色散与圆二色技术
(不考)
第六章核磁共振波谱技术
1.什么叫核磁共振?
答:
核磁共振是具有磁矩的原子核(自旋核)在静磁场中与电磁辐射相互作用的一种现象。
2.核磁共振的微观机制和宏观描述分别是什么?
答:
(1)微观机制:
RF电磁波能等于核能级劈裂间距时,原子核强烈吸收电磁波能量,从低能级向高能级跃迁。
当电磁辐射的能量hν0正好等于原子核二能级的能级差∆E时,则处于低能级的原子核就有可能吸收能量跃迁到高能级,这就是核磁共振的微观机制。
(2)宏观描述:
当处于磁场B0中的自旋核系统,受到垂直于B0的旋转磁场B1(交变射频场为
0)的激励时,部分核就将发生跃迁,核的分布就不再遵循玻尔兹曼分布。
就整个系统而言,核分布的改变必然导致宏观磁化强度矢量M的改变,这时核磁化强度M不但要绕B0进动,而且要绕B1进动,使得Mz≠M0,Mx’y’≠0.,这时一个吸收能量的过程。
如果旋转磁场B1的强度和持续时间使M绕B0绕过角度
,称之为
角射频脉冲,如果M正好转到xy平面上,
=90°,则成为90°脉冲。
3.什么叫弛豫过程?
答:
核系统在平衡状态时,系统达到热平衡,磁化强度矢量M在B0方向的分量Mz’=M0,在x’y’平面上的横向磁化强度矢量分量Mx’y’=0.在与B0垂直的方向施加B1射频激发脉冲后,M0偏离平衡位置一个角度,处于不平衡状态.此时Mz’≠M0,Mx’y’≠0.当激励脉冲停止后,系统将以一定时间释放在核磁共振时吸收的射频能量而恢复到平衡状态,这个恢复过程就称为核磁共振的弛豫过程。
纵向弛豫:
;横向弛豫:
。
弛豫有两种形式:
一是自旋核与周围物质(晶格)进行热交换,最后达到热平衡,使高低能态的核数恢复到受激前的水平,这个过程叫做自旋——晶格弛豫,T1表征这一过程的快慢,称纵向弛豫时间;二是同类自旋核之间能量的交换,叫做自旋——自旋弛豫过程,T2是表征这一过程的时间常数,称为横向弛豫时间。
横向弛豫时间比纵向弛豫时间短。
4.如何进行核磁共振的信息测量?
什么是自由感应衰减(FID)信号?
答:
从宏观上看,M继续围绕B0以ω=γB0的频率进动,但它在x’y’平面上的投影逐渐减小为零.当在x’或y’轴方向设置一接收线圈,由于Mx’y’在线圈轴线上转动,相当于线圈内磁场方向在改变,于是在线圈两端产生感应电动势,这就是线圈接收到的核磁共振信号,由于Mx’y’随时间衰减,因此该信号为衰减的正弦振荡,称为自由感应衰减(freeinductiondecay,FID)信号。
这也是核磁共振信息测量的方法。
5.为什么同一种原子核共振吸收峰的频率并不相同?
答:
这是因为原子核不是孤立存在的,而是被核外带磁性的电子层所包围.也就是说,这些原子核具有不同的电子环境,围绕着原子核旋转的电子不同程度地削弱了施加在自旋或进动着的原子核上的磁场感应强度。
6.什么叫化学位移?
答:
所谓化学位移是指在不同环境中的相同原子和在外磁场作用下表现出稍有不同的共振频率的现象。
化学位移是核磁共振波谱分析的主要对象。
7.什么叫谱线分裂?
其产生原因是什么?
答:
核磁共振谱的各个吸收峰在一定条件下常常分裂为几个峰,这种现象称为谱线分裂。
谱线分裂是由于一个基团上的氢与另一个基团氢的磁矩之间的相互作用所造成。
(谱线的高低反映基团含量的多少;谱线的分裂数,反映氢质子的数目)
第七章核磁共振波谱技术
1.什么是电子自旋共振技术?
答:
电子自旋共振是由于分子中具有不成对的电子,电子的自旋使其具有磁矩,在外加恒定磁场中能级分裂,因而能对频率合适的电磁波产生共振吸收的现象。
电子自旋共振是磁共振技术的一种。
(电子的磁共振包括电子自旋磁矩的磁共振和电子轨道磁矩的磁共振)
2.电子自旋共振和核磁共振的异同是什么?
答:
相同点:
都需有外加磁场才能造成能级分裂,从而与合适电磁波共振.。
不同点:
(1)ESR是研究电子磁矩与外磁场的相互作用,即通常认为的电子塞曼效应引起的,而NMR是研究核在外磁场中核塞曼能级间的跃迁。
换言之,ESR和NMR是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。
(2)ESR的共振频率在微波波段,NMR的共振频率在射频波段。
(3)NMR中涉及的是原子核在自旋时具有的磁矩,因此NMR技术探测的是样品中的某种选定的原子核。
ESR中涉及的是不成对的电子(研究对象的特点)。
(4)ESR的灵敏度比NMR的灵敏度高,ESR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M数量级。
(5)ESR和NMR仪器结构上的差别:
前者是恒定频率,采取扫场法,后者是恒定磁场,采取扫频法。
3.电子自旋共振波谱的特点是什么?
答:
(1)峰的高低反映了含不成对电子体系中物质的含量;
(2)峰的分裂反映了物质的结构;
(3)ESR谱的独特之处在于,在许多情况下谱线的位置与分裂(g值与分裂常数a)与磁场和分子轴的取向有关,即所谓谱的各向异性(anisotropy)。
在自由基的情况下很少碰到这种情况,因为自由电子在很大范围内非定域化,以致各向异性很小,同时自由基在溶液中能快速地无规则转动,使各向异性的分裂和位移平均化;但各向异性在解释过渡金属离子的谱时很重要,同时它也是应用自旋标记的基础。
4.电子自旋共振波谱的应用有哪些?
答:
ESR是专门检测具有不成对电子的基团的一种技术,自由基和含有过渡元素的生物化合物就是这类具有不成对电子的分子。
因此在生物医学研究中,它们最适于用ESR来进行观察。
在某些药物的作用过程中,在许多病理过程中自由基也以中间体的形式在起作用。
自由基起显著作用的另一个重要领域是放射生物医学。
射线与物质的相互作用,不论是通过溶剂的间接作用还是对大分子的直接作用,都与自由基有关.因此ESR对研究分子与细胞的辐射损伤是一项重要手段,并己作出了重要贡献。
应用自旋标记的方法探测通常不具有不成对电子的正常结构与功能也获得了成功,这种技术对于研究大分子以及生物膜一类分子聚集态的构型的细微变化起到了重要作用。
应用实例:
人心肌缺血/再灌注期间冠状窦血中红、细胞流变性、褐藻硫酸多糖清除活性氧自由基作用及动力学的ESR研究、体外循环中心肌细胞膜流动性变化的、自旋标记研究、应用自旋标记—顺磁共振研究严重烧伤、大鼠早期心肌细胞膜变化。
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