6月底，那是一个炎热的夏日，伴随着外面行人的喧哗，兰州大学学生活动中心的一间会议室里气氛紧张而严肃。由兰州大学主办的第二届全国大学生化学实验创新设计大赛“魏锐-Xi安天盾杯”西北赛区比赛正在这里举行。在提前上传了实验视频讲解和论文后，所有参赛团队现在都在做最后的答辩。
胸前佩戴号码牌，参赛队伍依次上台表演，一名演讲者和另外两名准备回答评委的问题。“紧张是肯定有的，但上台后，我们只想把自己的作品以最好的方式呈现给大家。”来自兰州大学的“华银未来”团队队长吴昊表示，他的团队和来自兰州大学的另一个团队“硫磺闪耀辉煌”团队表现出色，都获得了西北赛区化学创新实验设计一等奖。
两个月后，同样的一幕再次上演。由2018级化学精英班、刘哲、余组成的“硫磺辉煌”团队，以精湛的实验设计和完美的数据书写闯入全国总决赛。不同的是，由于疫情原因，全国总决赛采取了网上答辩的方式。
接到通知后，他们在化学学院老师和项目指导老师的帮助下，借用了学生活动中心的一间教室进行设备调试。空宽敞的教室里，三个人有条不紊地向镜头讲述着自己的实验设计和过程。“虽然不能去现场，但我比以前更紧张，因为我不能和评委进行眼神交流，我有点担心我的回答是否让老师满意，”入选参加总决赛的“硫磺光灿烂”组合成员刘哲说。“竞争也很激烈，来自全国各地的90支队伍争夺最后的奖项。”
经过三天的激烈角逐，在第二届天线闭幕式上，当评委们宣布“硫磺灿烂之光”团队获得新化学实验设计特等奖、兰州大学获得大赛优秀组织单位时，成员们几乎兴奋地跳了起来。“我很兴奋，也很感谢学校给了我们这个难得的机会，”领队卓凡说。
与其他竞赛不同，全国大学生化学实验创新设计大赛主要面向全国高校化学专业本科生，允许学生自行设计实验。结果会应用到本科教学过程中，相当于自己写实验课讲义。基于课时的特殊要求，大赛从立项到答辩只需要三个多月。“平时在榆中校区上课，只有空周末来城关做实验。通常我周五下午来，周日下午回去。“华音未来”团队成员赵鹏博回忆说:“如果我休息，我就住在地下公寓里。”。这样时间就更紧了，成员们需要付出更多的努力和心血，才能在这有限的时间内保质保量的完成这项任务。
点击“丁”显示视频的开始按钮，简洁的PPT版面，专业精炼的步骤讲解，伴随舒缓的背景音乐。就像上了一堂生动有趣的化学实验课。“为了达到最好的视频显示效果，我们每个人都把实验的每一步都做了很多遍，手的动作一定不能有太大的抖动。摇动意味着加入过多或过少的样品，严重影响实验结果的可重复性。而且节奏要适中，不能太快也不能太慢。”负责视频拍摄和后期制作任务的“华音未来”团队成员柴海龙说。
“硫磺光辉”团队——“硫磺”与“荧光”同行
蛋白质的样品制备和变性处理、细胞培养箱中的孵育和培养、显微镜下直接观察细胞生长……在化学化工学院，方建国老师教的化学生物课生动有趣，吸引了很多本科生的兴趣。“我们团队的所有成员都上过方建国老师的这门课，并对这一领域有着浓厚的兴趣，”团队队长卓凡说。“这个课题——蛋白质中总巯基的测定和标记，也是方老师科研成果转化的一个普及性实验。”
从象征地域特色的“西部雄鹰”，到契合实验主题的“硫磺灿烂之光”，团队的队名也一直被热议。“一开始觉得名字要给点气势，雄鹰展翅。后来经过讨论，我觉得还是要彰显自己的特色。我们的实验主要是通过巯基与探针分子结合来标记细胞内蛋白质巯基即硫的存在。想着想着，四个‘硫磺’灯突然出现在我们的脑海里。”余宸熙说。
蛋白质的结构和化学修饰一直是生化研究的重点，二硫键的存在是蛋白质二级和三级结构的重要组成部分，即三维空结构。本实验使用了生化实验中常用的试剂牛血清白蛋白细胞。通过测量和标记细胞中的巯基来分析蛋白质的含量和结构。
另外，因为显微镜下只能看到一个细胞，所以无法得到其中活性基团的具体分布。加入荧光探针分子后，可以与细胞的某些部分特异性结合，从而发出荧光。就像城市夜晚的灯光，很容易让人识别定位。卓凡队长说，“我们选择的探针含有荧光猝灭基团马来酰亚胺，它可以与蛋白质细胞中的巯基结合并释放荧光，使其在荧光显微镜下呈现绿色，实现巯基的标记和原位检测。”
“因为一开始没有做过相关实验，对基本操作和流程也不熟悉，后来在老师和实验室师兄师姐的帮助下，结合相关文献开始自己做实验，”刘哲回忆道。实验主要包括三个步骤:Ellman法测定巯基含量、巯基荧光标记和细胞荧光成像实验。每一步都需要包括蛋白质样品的制备和变性还原处理，即破坏蛋白质的空结构，使更多的二硫键暴露出来，还原成巯基，供后续实验使用。这个过程主要由团队成员刘哲承担。同时，大家齐心协力完成实验任务。组长负责第一步紫外分光光度法定量检测巯基和蛋白质，于负责第二步荧光标记后的凝胶电泳分离实验和凝胶染色强度测定蛋白质含量。
“我们的实验结果主要是通过颜色变化来显示的，”说。“加入考马斯亮蓝后，含有蛋白质的溶液变成蓝色，可用于蛋白质的定量检测。巯基可与5，5’二硫代双试剂反应，变黄检测其含量。蛋白质细胞中的巯基被荧光标记，使其在荧光显微镜下呈现清晰的绿色。"
实验设计成功的同时，也要注意成果展示的过程。从实验操作拍摄到后期论文写作和演示，PPT制作和讲解都是获奖的重要环节。“从6月份的初赛到8月份的决赛，我们的PPT演示和视频部分都在不断修改，也吸收了很多评委和导师的意见，试图最大限度地展现项目的特色和优势，”成员刘哲回忆道。"这是一次难得的锻炼机会，可以让我们积累一些比赛经验和技巧."提到收获，卓凡开心地笑了。“通过这个实验，我们可以熟悉综合性生化实验的操作，将日常知识与实验设计结合起来，对以后的学习和研究很有帮助。”
“打印未来”团队-3D打印走向未来
“我们队是周四聚餐过来的，”队长吴昊回忆道。看到新设计实验大赛的通知，三个志同道合的朋友一拍即合，成功组队。基于之前的高分子实验课程，他们与导师郭金山沟通后，选择了“光敏树脂的合成与3D打印”这一课题。经过几个小伙伴的讨论，这个团队被命名为‘打印未来’。“这个名字一语双关，既有化学发展的前景，又突出了我们学科的优势和特色——3D打印。”赵鹏博委员解释道。
本实验主要分为三个步骤:光固化预聚物的合成与结构表征——光敏树脂的配置——3D建模与立体打印。这三个步骤看似简单，但具体过程并没有想象中那么顺利。在新华大厦一楼的一个实验室里，三个戴眼镜的男生正聚精会神地盯着实验台上的颜色变化，这是第一步的滴定分析过程。加入指示剂后，将锥形瓶在手中均匀摇动，看到烧瓶中的溶液由浅蓝色变为绿色，30秒内不变色，即达到反应终点。“由于滴定分析非常敏感，多滴或少滴甚至半滴溶液都会导致过量滴定或达不到终点。为了准确捕捉这一变色的瞬间，我们轮流尝试，直到控制住终点附近每一滴溶液的加入量。”吴昊回忆道。
成功制备光固化预聚物后，需要与不同种类的活性单体混合，为下一步光固化3D打印准备胶液，但这些试剂的配比成为困扰他们的问题。从开始，光固化预聚物∶丙烯酰吗啉∶1，6-己二醇二丙烯酸酯的比例是5∶4∶1，到最终调整到5.2∶3.8∶1。这个微小的数字变化之后是他们多次的实验尝试，就像用同样的积木，不同的排列方式搭建一个模型，最终的产品也是千差万别。“配置的胶液太粘稠或太稀，都会影响打印效果和模型相应的力学性能。这个点胶过程已经进行了一个月左右。每个周末我都会来城关校区做五六次实验测试，加起来一共十几次。”赵鹏博说，“最终的比例不是一个具体的数值，而是有一个浮动的范围，这也是这个实验的魅力所在。用量稍有变化，结构性能就可能发生很大变化。”
由于肉眼无法准确判断胶液的浓度，点胶的过程离不开3D打印产品的性能测试。但在3D打印成品之前，电脑模型绘图必不可少。就像做月饼总是需要一个模具，你必须有一个模型告诉电脑你要画的形状。经过三个小伙伴的讨论，由团队中的技术官柴海龙负责这项重任。“结合网上的一些视频，我先自学了Blender软件进行3D建模，”柴海龙说。“起初，我想打印出具有化学特征的三维结构，像由正六边形和五边形组成的足球烯。后来，我加入了平面石墨烯和碳纳米管。”
看着3D打印机里通过切片一层层打印出来的模型，成员们的脸上都露出了兴奋的笑容。“每次打印都要七八个小时，中间还会出现一些意想不到的问题。我记得4月31日晚上，打印机突然停了”，柴海龙回忆道。“过了好几天，它接连失败。整个五一假期我们都在重复这个过程，直到最后发现打印机的屏幕坏了。”可用的颜色和形状，加上漂亮规整的模型，就是他们最近几个月探索实验的实物展示——“纳米碳家族”。提到这个名字的由来，队长吴昊说，“这些结构都是由碳元素构成的纳米材料。看到它们整齐地排列在展示台上，大家就心血来潮给它们起了这个名字。”
现在，比赛已经落下帷幕，但两个团队还在完善实验流程，试图让每一步都尽善尽美。两个新创建的实验设计也在化学化工学院进行了试点，并将与其他获奖的设计实验一起引入全国高校和化学专业本科生的实验教学。
内容|兰州大学新闻第1004期
文|梁月
编辑|吴
