主题：【第二届原创大赛作品】用经典的紫外光度计做创新性成果

多年前，我到清华大学做访问学者，参加了纳米晶胶原基骨材料课题组的研究工作。当时，该课题组已经完成了材料的合成，动物试验，并申请了多项国内外专利，但合成人工骨的生物矿化机制的研究一直没有进展。我进课题组后，与一位博士生合作开始做生物矿化机制的研究。我们查阅了一个德国学者用紫外光谱动力学方法研究生物矿化过程的文献，该实验是将生物矿化的反应液（胶原溶液＋氯化钙＋pH7.2磷酸盐缓冲溶液＋pH7.2Tris缓冲溶液）混合后立即置于紫外光度计中，按5分钟测一次的频率自动测量反应体系的浊度，得到了一条平滑的阶梯形曲线（与碱滴定酸的滴定曲线相似），对生物矿化过程进行了讨论。我们很受启示，设计了一个获取不同反应状态的材料，用电镜研究反应进程中材料结构变化的方案：即同时平行做4－7个样，反应开始后，一份用紫外光度计来监视过程中的浊度变化（从显示器上观察曲线变化），在阶梯形的下平台、突跃中部、上平台等若干个反应状态（时刻）下，及时地依次将一份份平行的反应液投入到现场的液氮中，它们立即被冷冻固化，从而保持了各自反应状态时的固体微观形貌，测定完毕后，将被冻结固化的几个试样置于冷冻干燥机中升华去水，得到保持了原貌的各状态样品。再做扫描电镜，分析其形貌变化规律。
　　　然而，实验时我们却发现了一个异常的现象：紫外光谱动力学曲线虽然也呈阶梯形，但在阶梯突跃的一瞬间（约1min完成突跃），陡峭的曲线上突然出现一个向下的小负峰（见附图1），我们又重复做了多次，改变各种条件再试验，这个现象均出现。我们既惊讶又兴奋，因为规律性的异常并不是坏事，说明我们发现了一个值得研究的“新大陆”，我们再考查文献的曲线和实验条件，我们发现，德国学者实验时的数据采样的时间间隔较大，而我们则是1min读一次数，而阶梯形曲线的阶梯突跃时间就只有1min，这个阶梯上的负峰的出现只有几十秒，因而德国学者未捕捉到这一特异的现象。



　　生物矿化中的负峰现象，引导我们去提出各种设想，设计更多实验来验证设想，拓展了生物矿化机制研究的思路。后来，我们用定时的全波长扫描来进行紫外光度的动力学研究，得到了更丰富的光谱信息（见附图2），又改用圆二色光谱进行生物矿化动力学研究（见附图3），发现了游离钙离子及羟基磷灰石（HPA）的生成过程对胶原蛋白的二级结构变化的影响（按相反规律变化），并采用激光散射仪研究了生物矿化的动力学曲线。最后，我们提出了胶原生物矿化过程中发生了胶原的凝胶化和相分离过程，通过载钙胶原（络合作用结合）的板框式组装，羟基磷灰石矿化形成了有序的胶原－HAP复合材料（与天然骨相似）。并根据红外光谱数据，提出了矿化时第二类成核位点的理论观点，这些设想得到了红外光谱、过程样品电镜图及圆二色光谱和激光散射光谱数据的支持。发表了几篇质量较高的论文（均被SCI收录）。
　　　这次科研经历，我体会颇深：传统的仪器分析如果不局限于成分的测定与鉴定，操作人员不局限于“来料加工”，而是结合课题研究来设计测定的方法和项目，是能够做出一些创新性的成果的（含新的分析方法研究）。