“逐光氮秘”团队
许鹏飞教授指导“逐光氮秘”团队
“精仪有曼”团队成员在做实验
“精仪有曼”团队
原创·首发·独家
全国大学生化学实验创新设计大赛是由中国化学会和教育部高等学校国家级实验教学示范中心联席会主办的全国性大学生学科竞赛。大赛旨在夯实大学生的化学基础知识、基本理论和基本技能，提高大学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养大学生的创新意识和实践能力，建立一个大学生创新能力的展示与交流平台，推动我国高等学校实践教学改革。
兰州大学由2019级化学专业马科星、杨俊杰、陈柏丞同学组成的“逐光氮秘”队（指导教师：沈永雯、胡秀琴）所完成的“新创实验”在第三届全国大学生化学实验创新设计大赛总决赛中获得特等奖，这是兰大学子在该赛事中连续三届荣获特等奖。由徐鑫鑫、马萌萌、王然同学组成的“精仪有曼”队（指导教师：叶为春、曾智聪）完成的“改进实验”在第三届全国大学生化学实验创新设计大赛西北赛区荣获一等奖。
“新创实验就是一个全新的方法或东西的创造，改进实验大部分是在原来一些实验的基础上进行一些改进，二者有很大的不同。”马科星对两个赛道差异性的认识如是谈到。创新与改进，“逐光氮秘”与“精仪有曼”，是六位队员在化学实验室里近六个月辛勤付出的成果，也是六位兰大青年在逐梦科研的道路上给予自己和母校最精彩的答卷。
“逐光氮秘”，
为本科实验注入新鲜活力
“逐光氮秘”队的参赛作品“光催化[2+2+1]串联反应构筑二氢咪唑化合物及其机理探究”来自许鹏飞教授课题组的工作。在许鹏飞教授团队的大力支持下，三位同学经过百余次的实验优化和改进，将课题组发展的系列科研成果转化为适合本科实验教学的实验项目。
该实验将前沿的光催化领域科学研究———可见光氧化还原催化引入到有机化学实验教学中，利用多组分催化串联的策略，以苯乙烯与N-胺基吡啶盐为底物，合成咪唑啉类化合物，并可发散合成氮杂环丙烷类、噁唑啉类等含氮杂环化合物，将最新的科研成果转化为人才培养的内容。
实验主要由咪唑啉类化合物的制备、机理探究及实验拓展三部分组成，包含无水无氧等多种有机实验操作，涉及反应监测、分析纯化、产物表征等多个重要环节，实验整体时长为18小时，安全性高，非常适合于本科实验教学，以提高学生的科研创新与实践能力。
对于实验竞赛来说，基础知识的掌握是十分重要的实验基础素质。该新创实验主要涉及光化学反应、多组分催化串联反应以及自由基化学，本科阶段化学专业主要学习了自由基化学，对于另外两部分的知识较为陌生，尤其是对于研究方向差异较大的陈柏丞来说更是一个巨大的挑战，为了很好地完成任务，他主要通过自己搜索文献、钻研许鹏飞教授课题组的科研文献以及请教师兄师姐的方式，一步步深入了解相关专业知识。
“逐光氮秘”的新创实验是涉及光照的一个反应实验，在现有的本科实验室中还未涉及。实验的一个重要部分是光和金属协同催化的自由基串联反应。
光与金属协同催化在近些年的科学研究领域非常火热，随着环境污染问题及能源短缺问题的日益凸显，已有科学家提出利用光能实现化学转化。可控自由基反应与光催化剂发展得愈来愈成熟，太阳光可以作为一种绿色高效可持续的可见光源应用于有机合成中。可见光催化反应具有广阔的应用前景，同时具有绿色环保高效等特点。
因此，将相关的最新研究进展及时转化为人才培养的内容意义重大。该实验通过一种可见光促进氮自由基对苯乙烯的加成反应，利用多组分串联环化的策略，温和、高效地合成咪唑啉类化合物，并可发散合成出噁唑啉类，氮杂环丙烷类化合物[15-17]，从而实现了新型的[2+2+1]与[2+1]反应。将可见光氧化还原催化的知识引入到有机化学实验教学中，是他们进行实验的初心和目标任务。
将科研工作转化为本科教学实验需要更完备的改进与完善。在原文献中，该实验的反应时间较长，实验条件苛刻，实验材料昂贵，因此降低成本、提高效率在转化为本科生实验的过程中显得极为重要。“我们需要做很多条件的优化，大概历经了一百多次实验才完成了这样一个改进。”马科星回忆道。在刚开始的前两三周，队员们甚至不能完整重复文献中的实验操作。顶着巨大的压力，团队终于在一个月后重复出了原文献中的实验操作，接着再慢慢往下优化。这个过程是马科星认为最艰难的部分。
他们不断对反应条件、反应时间以及操作步骤进行优化，最终经过层层筛选，得出最优的反应条件：三乙胺作碱，二氯甲烷作溶剂，反应物比例1:1，反应时间10小时，无需柱层析分离，产率能达到90%。与已有文献报道相比，缩短了反应时间，简化了操作步骤，提高了反应产率。
现在回忆起那段几乎一整天都在实验室里的日子，团队成员语气中多了几分轻松。但一项成果的背后，一定是一次次实验条件的改变，一次次实验室里的默然思考，一定是独属于他们的沉寂与挣扎。
实验的过程并不完全顺利，在近一个月的时间里，实验进程都因为无法得出准确、正确的数据而停滞不前。因此课余时间，马科星和伙伴们经常泡在实验室里，通过一次次实验，他们对光化学反应、多组分催化串联反应、自由基化学等知识的储备量增加，也加深了对反应机理和离子型中间体的了解，进一步熟练掌握了有机常量、微量实验操作，自行设计组装简易光反应器，学习低温无水无氧实验技术。
“我当时每次去实验室都说‘这次一定能成功！’”经常给予自己积极心理暗示的马科星笑着说，他甚至因此得到了同学们戏称的“成功学大师”称号。在这个调侃中又不乏辛酸的称号加持下，团队也终于在一番披荆斩棘后凭借其前沿性、综合性及拓展性摘取了大赛的桂冠。
同时，该实验经过对反应物比例、光强、反应时间的优化，发现光强越强、产率越高，最终结果与已有文献报道相比，降低了反应物中氨基吡啶四氟硼酸盐的用量，增大光强减少了反应时间，降低了溶剂处理要求与光催化剂成本，获得了较高的反应产率，使之更适合本科生教学实验。
为期一个学期，三位队员相互协作、各自发挥自己的长处完成了这项比赛。比赛主要需要三个部分的材料，分别是所做实验相关的论文、答辩所用的PPT以及一个视频。由于该项目需要在实验中不断优化一些实验条件，因此在做实验的过程中，整理文稿也成为重点内容。这个过程中同步准备PPT的制作，最后再完成视频的制作。队员杨俊杰主要负责PPT的准备和制作，他认为其连贯与衔接为重中之重。“西北赛区的演示文稿就做了21版。”老师的要求往往严格到近乎严苛，会从PPT的美观程度、展示内容甚至是颜色的细节对他们提出要求，一次次的打磨、一遍遍的修改，才有了优秀结果的最终呈现。而在老师的建议与指导下，三位同学的个人能力也得到了有效锻炼与提高。
团队成员间有时候会产生对一些知识理解或是实验条件方面的分岐，主要解决办法即为：经常讨论。“和老师还有师兄师姐讨论，统一一下意见和想法，集思广益。”团队合作是充满艰辛与支持的过程，马科星认为这个竞赛就像是完整地做了一个科研项目，不仅对原文献里的实验重复了一遍，还将其优化成一个本科生实验项目，时间跨度也很长。“我认为学到了很多，它也是本科生到研究生一个很好的过渡。”
学科交叉作为一个重要的方向，马科星认为化学竞赛中更为重要的是不断扩充个人的知识面，同时拥有一定其他学科的知识储备。曾背负着“薪火相传”重任的马科星笑着对“后浪”们“委以重任”，“希望学弟学妹们继往开来，延续我们连续三届获奖的成绩。”
“精仪有曼”，
在自建仪器中领悟科研魅力
“精仪有曼”队的参赛作品“拉曼光谱仪的搭建及柔性SERS基底的分析检测应用”来自叶为春副教授和曾智聪青年研究员课题组的科研工作。
在该项目中，学生自主组装和调试仪器部件，将SERS前沿技术应用于实际检测，加深了对仪器部件功能和原理的理解，强化了分析仪器国产化的强烈使命，学习了材料组成结构进行设计与制备的研究思路。
表面增强拉曼散射光谱是目前的科研热点，团队成员基于叶为春副教授课题组在新型嵌入式柔性SERS基底上取得的科研成果，即是从基底的制备方面进行改进，简化制备过程，降低制备成本。该研究通过考察CCD相机制冷温度对噪音的影响，分析制冷对仪器灵敏度的重要性。通过对同一探针分子的普通拉曼光谱与SERS光谱检测结果的对比，掌握它们的光谱分析特性。鉴于柔性SERS基底的特殊应用前景，开发了嵌入式柔性SERS基底，展现出抗拉伸性与抗超声破坏特性，可对果皮残留的擦拭检测，拓展了在食品安全领域中的应用前景。
“精仪有曼”团队主要开发的是一种新型的SERS光谱技术，它有非常高的灵敏度和良好的特异性。由于其是一个分子光谱，所以在分析检测方面有很大的优势，在国内外发展十分迅速。
但开展拉曼检测需要使用价格高达百万元的拉曼光谱仪，这极大限制了拉曼实验在本科教学中的开展。“我们要思考的问题就是如何将它引进到我们的本科教学实验中来。”叶为春介绍道。
在教学中，团队的主要实验内容是自己动手搭建仪器，一方面能让学生更加直观地感受到仪器的部件构造，另一方面可以提升学生的动手操作能力。对此实验老师和队员们不仅有了技术上的改进，也很大程度上节约了成本，在实验中，团队使用了曾智聪研究员自主开发的仪器，仪器的体积小、成本低、性能优良，并且国产化程度高。
同时，由于自制仪器的成本远低于商品化仪器，使得拉曼实验在本科教学中的推广成为可能。它的应用前景主要聚焦于物质检测，并在提高检测效率的同时降低检测成本。叶为春用一个事例来加以说明：“比如用实验室常见的试剂，做一个一平方厘米的试纸，在测试有害物质时，将它在被检测的物体上擦拭一下，之后也可以重复利用，像这样的一次检测，一两毛钱就够了。”
一个从零到一的过程，更是一次全新的尝试。
三位队员此前自制组装和调试仪器部件方面的经历与经验相对较少，因此这个比赛对于他们也是一次很大的挑战。回忆起第一次进入曾智聪老师的实验室，马萌萌的第一印象是“科技感”：“在我的印象中，大多数实验室都是一些不可视化的仪器，还有瓶瓶罐罐。而这里基本都是进行一些仪器和部件的改进和组装，发现很多我没有见过的东西。”曾智聪老师别具一格的实验室不仅为队员们提供了良好的实验环境，也打开了他们的另一种视野。
仪器这一部分内容主要由曾智聪老师和其研究生指导，团队成员也逐步熟悉了仪器原理以及组装和调试的操作。他们在组装的同时，一边发现问题，一边解决问题。整个实验的侧重点在于对整个仪器的工作原理，包括其中的每一个部件、部件的功能、成像的原理等细节的掌握。
团队将通过对拉曼仪器所需的核心部件如显微系统、激光器、谱仪分光系统和光电探测器（电荷耦合器件，CCD）等的组装、光路和电路调试，初步训练光路等设计和调试的能力，掌握拉曼测试所需的知识与技能。诸如此类十分精细化的内容在有限的时间里对于队员们来说很难完成，他们私下会在B站或知乎等平台上学习来精进能力，老师们提供的学习资料也使他们的学习事半功倍。
显微拉曼光谱仪主要由激光器、显微系统、滤光片、谱仪分光系统和CCD（Charge0CoupledDevice，电荷耦合器件）相机组成。窄线宽的532nm激光，经过激光快门和功率衰减转盘，再经反射镜以小角度作用于0°的Edgefilter滤光片并反射进入显微物镜激发样品的拉曼信号。激发的拉曼信号原路返回穿过Edgefilter滤光片，经透镜聚焦进入谱仪狭缝，拉曼信号经谱仪分光系统后，分开的不同波长再次聚焦在采谱CCD相机上完成光电转换，经数据采集传送给电脑。
为了对样品进行显微观测，显微拉曼系统通常集成白光照明系统，以及XYZ位移台。为了方便开展溶液样品的拉曼测试，可通过转接的反射镜，使光路水平作用于物镜上并聚焦于比色皿中。为便于自制仪器在本科实验中的推广，在保证仪器性能的前提下，对整个仪器的成本进行最大程度的降低。其中Edgefilter滤光片经切割大幅降低了成本，仪器的总成本为15261元，控制在2万元以内。
团队通过探究拉曼光谱仪的组装和使用、CCD相机的温度对仪器的影响、普通拉曼光谱测试、普通拉曼和SERS光谱的比较、柔性SERS基底的性能测试等六个步骤，最终得出SERS技术对于普通拉曼技术而言，具有更低的检出限和更高的灵敏度，以及柔性SERS基底在食品安全监测领域可以得到很好的应用。该实验通过自主组装仪器部件，有助于科研训练的同时成本较低，适合本科教学推广。
比赛取得佳绩，离不开两位老师给予队员们的帮助和影响。在备赛期间，两位老师经常挑选合适的时间进行线上或线下会议将所遇到的问题及时解答，设备调试、试剂补充等需求，老师们也都是有求必应。西北赛区初赛前一晚，指导老师带领团队进行模拟面试，那天晚上的“头脑风暴”，为队员们第二天的答辩提供了更多底气与力量。
两位老师对待科研的热情和精益求精的精神、聊天时表露出的想法、做实验时专注的神情，触动着王然内心深处科研的种子，“无论如何都要保持这样的专注和热爱，才有可能获得一些东西。”他谈起老师们对自己的启迪，这样说道。教师与学生之间，传递的不仅仅是积累多年的知识，更是坚韧探索的科学精神。
“尤其是曾智聪老师，他真的是一位非常优秀而且勤奋的老师。”队员们很感谢曾老师提供的帮助，也很佩服老师的能力和品质，正是因为曾老师提供的实验思路和有关条件，队员们的项目才得以顺利地进行。“曾老师作为一名青年研究员，本身是不需要参与指导学生竞赛的任务的，”在组队之初，叶为春老师找到曾老师，也得到了对方主动的全力配合，“曾老师切实把科研应用在了学生的教学实践里，这是很有裨益的。”备赛期间，两位老师一起陪同队员进行准备工作，忙到“深夜一两点都是常事”，遇到如此具有“职业精神”的老师言传身教，队员们都受益匪浅。
近年来，国家十分注重将科研工作与教学相结合，促使高校学生更多地了解前沿知识、前沿技术，将此与本科教学紧密结合，对学生的发展很有益处。叶为春老师也鼓励学生们积极参加这样的比赛和训练，参赛体验不仅可以有效锻炼学生的学术素养和动手能力，更是一个“教学相长的过程”，“不仅学生在提高，老师也能够提高。谈及三位同学的表现，叶老师欣慰而满足，他在比赛中不仅感受到队员们扎实的基础知识储备，也感受到了他们在科研中不断和自己较劲的劲头，“这是做科研工作十分需要的”。
“和自己较劲”，既是在探索未知时对自己的高标准，亦是面对科学研究时的坚定决心。“这次我觉得最值得骄傲的一点就是让外界看到了我们兰大不仅化学强，我们的化学和仪器结合起来也很强。希望能够让大家看到不一样的兰大。”马萌萌谈到：“希望学弟学妹们可以继续加油，在探索的道路上越走越远。”
学院对于本科生参加类似化学能力竞赛也是格外鼓励，每年竞赛报名开启时，总会有极大力度的支持，据徐鑫鑫介绍，项目费用最高报销可达一万元，学院更是提供大学化学中心实验室作为试验场地，提供大学生活动中心教室用于答辩，力求提供最好的环境和条件。
斩获如此佳绩，对于辛勤备赛的老师和队员来讲，既是“意料之内，情理之中”的自信收获，又是充满挑战和非凡意义的旅程，这次本科期间的参赛经历，很好地“衔接了本科与研究生之间的学术训练”，也让他们更加“坚定了在学术道路走下去的决心”，做好了日后面对挑战的准备。
关关难过，前路灿灿，化学赛道上的兰大“追光者”，脚步从未停下。