【创新引领“十四五” 实干成就“倍增+”】本科生自主设计实验 编入实验教学课程
——记第二届全国大学生化学实验创新设计竞赛兰州大学获奖队伍

日期: 2021-10-22 阅读: 来源: 关键词:

6月底,正值烈日炎炎的夏日,伴随着外面行人的熙攘声,兰州大学学生活动中心的一间会议室里氛围紧张而严肃,这里正在举行由兰大主办的第二届全国大学生化学实验创新设计竞赛“微瑞-西安天盾杯”西北赛区大赛,在提前上传完实验视频讲解和论文后,此刻所有的参赛队伍正在进行最终的答辩环节。

胸前佩戴号码牌,参赛队依次上台展示,由一人主讲,其他两人随时准备回答评委的提问,“紧张肯定是有的,但是上台之后就只想把我们的作品以最好的方式呈现给大家”,来自兰大 “化印未来”参赛队的队长吴昊(队员:赵鹏博、柴海龙,指导老师:郭金山、刘兴妤)说,他的队伍和另一支兰大参赛队“硫光异彩”队表现优异,均荣获化学新创实验设计西北赛区一等奖。

两个月后,同样的场景再次上演,由2018级化学萃英班范卓、刘喆、于晨昕同学组成的“硫光异彩”参赛队(指导老师:房建国、张保新)凭借着精巧的实验设计和完善的资料撰写闯进全国总决赛。不同的是由于疫情原因,此次全国总决赛采取线上答辩的方式。

接到通知后,在化学院老师和项目指导老师的帮助下,他们借用了学生活动中心的一间教室进行设备调试。空旷的教室里,三个人对着镜头有条不紊地讲述自己的实验设计和过程。“虽然不能去到现场,但是比之前线下答辩时更紧张,因为无法和评委进行眼神交流,有些忐忑自己的回答是否令老师满意,”被推选参加决赛的“硫光异彩”队的队员刘喆说,“竞争也很激烈,共有来自全国各地90支队伍参与最终奖项的角逐。”

经过持续三天的激烈比拼,在第二天线上闭幕式上,当评委宣布 “硫光异彩”队荣获化学新创实验设计特等奖、兰州大学荣获竞赛优秀组织单位的那一刻,成员们差点激动地跳起来,“心情很激动也很兴奋,很感激学校给我们这个难得的机会,”队长范卓说。

与其他比赛不同,全国大学生化学实验创新设计竞赛主要面向全国高校化学专业本科生,让学生动手自己设计实验,成果将应用于本科生教学过程中,相当于自己给自己编写实验课程讲义。基于课时的特殊要求,该比赛从立项到答辩只有3个多月的时间。“平时都在榆中校区上课,只有周末有空来城关做实验,一般都是周五下午来,周日下午再回去,休息的话就住在地下公寓”,“化印未来”队的成员赵鹏博回忆说。这样算下来时间更紧,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地完成这一任务。

“叮”地一声点击展示视频的开始按钮,简洁明了的PPT排版,专业精炼的步骤讲解,配上舒缓的背景音乐,简直像在上一堂生动有趣的化学实验课。“为达到最佳的视频展示效果,实验每一步我们每个人都做了很多遍,手上的动作千万不能有大幅度的抖动,一抖就是加入样品过量或者少量,严重影响实验结果的重复性。且要节奏适中,不能过快也不能太慢。”负责视频拍摄和后期制作任务的“化印未来”队的成员柴海龙说。

“硫光异彩”队——“硫”与“荧光”同行

蛋白质样品的制备和变性处理,细胞培养箱中进行孵育和培养,显微镜下直接观察细胞的生长状态……在化学化工学院,房建国老师讲授的化学生物课生动有趣,吸引了许多本科生的兴趣。“我们队的成员都是上过房建国老师的这门课,对这一领域有着浓厚的兴趣”,队长范卓介绍说,“这一课题——蛋白质中总巯基的测定和标记,也是房老师科研成果转化的推广实验。”

从象征地域特色的“西部雄鹰”到贴合实验主题的“硫光异彩”,队伍的队名也经过一番激烈的讨论。“刚开始觉得名字要起得有气势一些,雄鹰展翅,后来商量之后认为还是需要展现自身特色,我们的实验主要是通过巯基和探针分子结合释放荧光进而标记细胞内蛋白巯基也就是硫元素的存在,想着想着,‘硫’光异彩这四个就突然出现在我们的脑海中。”于晨昕说。

蛋白质结构和化学修饰一直都是生物化学研究的重点,而二硫键的存在是蛋白质二、三级结构即三维空间结构的重要组成部分。该实验所使用的是生化实验中常用的试剂——牛血清白蛋白细胞,通过测定和标记其中的巯基(两个巯基氧化形成二硫键),实现对蛋白质含量和结构的分析。

此外,由于显微镜下仅能看到一个个细胞,无法得到其中活性基团的具体分布。在加入荧光探针分子后,可使其与细胞中的某些部位特异性结合,从而发出荧光。就像是夜晚城市中亮起的灯光,便于人们识别和定位。队长范卓说,“我们所选的探针含有马来酰亚胺这一荧光淬灭基团,它可与蛋白质细胞中的巯基结合后释放荧光,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。”

“由于刚开始未做过相关实验,对基本的操作和流程不熟悉,后来在老师和实验室师兄师姐的帮助下,我们结合相关文献开始自己动手做实验,”刘喆回忆说。实验过程主要包括三大步骤——Ellman法测定巯基含量、巯基荧光标记和细胞荧光成像实验。其中每个步骤都需要包含蛋白质样品的制备和变性还原处理,即破环蛋白质的空间结构使更多的二硫键裸露从而被还原为巯基用于后续实验,这一过程主要由队员刘喆负责。同时,大家分工合作完成实验任务,队长范卓负责第一步中通过紫外分光光度法对巯基和蛋白质的定量检测,于晨昕负责第二步中荧光标记后的凝胶电泳分离实验和通过凝胶染色强度确定蛋白含量。

“我们的实验结果主要是通过颜色变化展示出来的”,于晨昕说,“加入考马斯亮蓝后含蛋白的溶液变蓝可用于定量检测蛋白质,巯基可与5, 5'二硫代双-(2-硝基苯甲酸)试剂作用后变黄(Ellman法)从而检测其含量,蛋白质细胞中巯基通过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重成果展示过程,从实验操作拍摄到后期论文撰写和展示PPT制作和讲解都是能否获奖的重要环节。“从6月份的初赛到8月份的决赛,我们的PPT展示和视频部分不断进行修改,也吸取了很多评委和指导老师的意见,力求最大化地展现出项目的特色和优点”,成员刘喆回忆说。“这是一次难得的锻炼机会,能够让我们积累一些大赛经验和技巧”,提到收获,范卓开心地笑道,“通过这一实验,能让我们熟悉生物化学综合实验的操作,将日常所学知识和实验设计结合起来,这些对日后的学习和做科研都是很有帮助的。”

“化印未来”队——3D打印向未来进发

“我们的组队源于一次周四的聚餐,”队长吴昊回忆说。当看到新创设计实验大赛的通知时,三个志同道合的小伙伴一拍即合,成功组队。基于之前高分子实验课程的基础,在和指导老师郭金山沟通交流后他们选择了“光敏树脂的合成及3D打印”这一课题。经过几个小伙伴的讨论,为这支队伍起名 ‘化印未来’,“这个名字一语双关,既有对化学发展前景的展望,又突出我们课题的优势和特色——3D立体打印。”成员赵鹏博解释说。

这一实验主要分为三步:光固化预聚体的合成和结构表征——光敏树脂的配置——3D建模和立体打印。这三步看着简单,但是具体的过程并没有想象中的顺利。新化学楼一楼的一间实验室里,三个带眼镜的小伙子正在聚精会神地盯着实验台上的颜色变化,这是第一步中的滴定分析过程。当加入指示剂后,随着手中均匀摇晃的锥形瓶,需看到瓶中的溶液由浅蓝色变成绿色,且持续30s不变色,即到达反应终点。“因为滴定分析很灵敏,多一滴或者少一滴甚至半滴溶液都会导致滴定过量或还未到达终点,为精准捕捉这一变色瞬间,我们轮流尝试,直至控制好终点附近每一滴溶液的加入。”吴昊回忆说。

在成功制备出光固化预聚体后,需要和不同种类的活性单体混合配置胶液用于下一步光固化3D打印,但是这几种试剂的配比成了困扰他们的一个问题。从刚开始的光固化预聚体:丙烯酰吗啉:1,6-己二醇二丙烯酸酯三者的比例为5:4:1到最后调整为5.2:3.8:1,这一微小的数字变化后面是他们许多次的实验尝试,就像是用相同的积木搭建模型,不同的排列方式,最终的成品也是千差万别。“配置的胶液太粘稠或太稀,都会影响模型的打印效果和对应的力学性质,这一配胶过程大概进行了一个多月,每周周末来城关校区做实验试五六次,加起来一共试了十几次。”赵鹏博说,“最终的这个比例也不是一个具体的值,而是存在一个浮动区间,这也是这个实验的魅力所在,用量稍一变化,结构性能可能就会有较大的改变。”

由于肉眼无法精准判断胶液的浓度,因此配胶的过程离不开对3D打印成品的性能测试。但在3D打印成品之前,电脑模型绘制是必不可少的,就像做月饼总是需要模具,必须要有模型才能告诉电脑你想要绘制的形状。在三个小伙伴讨论之后,这一重任就由队里的技术担当柴海龙负责。“结合网上的一些视频,先自学Blender软件进行3D建模,”柴海龙介绍说,“刚开始是想打印有化学特色的立体结构,像由正六边形和五边形组成的足球烯,后来还加入了平面的石墨烯和碳纳米管。”

看着3D打印机中通过截面逐层打印出的模型,成员们的脸上都露出激动的笑容。“每次打印需要耗时七八个小时,中间还会出现一些预想不到的问题,记得在4月31日的晚上,打印机突然不工作了”,柴海龙回忆说,“之后几天都在接连失败,整个五一假期我们都在重复这个过程,直到最后发现是打印机的屏坏了。”可供选择的颜色和形状,配上漂亮规整的模型,这是他们这几个月探索实验的实物展示——“纳米碳家族”。提及这一名称的来源,队长吴昊介绍说,“这些结构都是由碳元素组成的纳米材料,看着它们排列整齐地放在展示台上,大家突发奇想赋予了它们这个名字。”

如今,竞赛已经落下帷幕,但两支队伍还在不断完善实验过程,力求每个步骤都能够尽善尽美。两项新创实验设计也已经在化学化工学院进行试点教学,很快将和其他获奖的设计实验一起陆续走进全国高校,走进化学专业本科生的实验教学中。

学生记者:梁悦

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编辑:万雨
责任编辑:彭倩

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