宦雙燕，李珂，張曉兵，羅偉平，王玉枝，尹霞，任天兵，高紅霞，梁志武

1湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082

2 中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

分子影像學(xué)(molecular imaging，MI)近年來(lái)發(fā)展迅速，借助特定的分子探針與成像技術(shù)可以探查細(xì)胞或分子水平的化學(xué)信息差異，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分子水平上的無(wú)損、實(shí)時(shí)成像和定性、定量研究[1,2]。醫(yī)學(xué)上借助電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、核磁共振成像等技術(shù)只能觀測(cè)到發(fā)生結(jié)構(gòu)解剖學(xué)改變的圖像，而借助分子成像技術(shù)能夠獲取尚無(wú)結(jié)構(gòu)解剖學(xué)改變之前的異?；瘜W(xué)信息，為生命和疾病過(guò)程研究、早期診斷和療效評(píng)價(jià)提供新的研究手段[3,4]。

其中，基于熒光成像技術(shù)的有機(jī)小分子探針具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性強(qiáng)、響應(yīng)迅速、易代謝、樣本損傷小等優(yōu)勢(shì)，是細(xì)胞和活體水平生化信息獲取的強(qiáng)有力手段。然而，現(xiàn)有的熒光分子探針大多是基于水溶性或脂溶性的熒光染料構(gòu)建而成，其在生理應(yīng)用過(guò)程中因溶解性較大而容易從反應(yīng)位點(diǎn)擴(kuò)散開(kāi)，難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的原位檢測(cè)以及真實(shí)反映目標(biāo)物局部濃度的變化[5,6]。此外，基于該類(lèi)染料構(gòu)建的小分子探針在活體腫瘤等重大疾病的精準(zhǔn)成像上存在明顯缺陷，無(wú)法明確區(qū)分正常組織和病變組織的界限，難以為此類(lèi)疾病的手術(shù)切除提供可靠指導(dǎo)。本研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展的固態(tài)發(fā)光熒光探針能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞膜上靶標(biāo)分子的長(zhǎng)時(shí)間原位熒光標(biāo)記[7]，該技術(shù)還能進(jìn)一步用于腫瘤的原位精準(zhǔn)成像和成像指導(dǎo)的手術(shù)切除。

該科研成果屬于化學(xué)與生物學(xué)交叉前沿領(lǐng)域，即發(fā)展新型化學(xué)研究工具，解決生物學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究。將具有原創(chuàng)性的重要科研成果轉(zhuǎn)化為本科教學(xué)項(xiàng)目，服務(wù)“知識(shí)、素質(zhì)、能力”培養(yǎng)，促進(jìn)科研思維和創(chuàng)新能力提升，也契合新時(shí)代對(duì)高校本科人才培養(yǎng)的新要求[8]。但該科研實(shí)驗(yàn)存在周期長(zhǎng)、成本高、消耗大的困難，需要系列昂貴儀器設(shè)備，涉及大量細(xì)胞和活體操作以及生物成像實(shí)驗(yàn)，并且需要豐富的分子設(shè)計(jì)、合成和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，屬于大型綜合訓(xùn)練，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下難以引入本科教學(xué)。

基于U3D三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺(tái)，將固態(tài)發(fā)光原位熒光成像機(jī)理、標(biāo)記探針的設(shè)計(jì)與合成、結(jié)構(gòu)表征與多參數(shù)性能測(cè)試、細(xì)胞原位熒光成像、小鼠和模擬人體腫瘤原位成像與切除等過(guò)程采用可視化的虛擬仿真手段展現(xiàn)，開(kāi)發(fā)了“腫瘤原位熒光標(biāo)記技術(shù)設(shè)計(jì)和探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，該實(shí)驗(yàn)包含三個(gè)模塊：(1) 腫瘤原位熒光標(biāo)記探針的設(shè)計(jì)；(2) 腫瘤原位熒光標(biāo)記探針的合成及性質(zhì)測(cè)試；(3) 原位熒光成像與導(dǎo)航手術(shù)切除腫瘤。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了17個(gè)步驟、37步交互操作，幫助學(xué)生深入理解分子結(jié)構(gòu)與光譜性質(zhì)、成像性能的關(guān)系，通過(guò)探究理解如何獲得一個(gè)高性能分子成像工具。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目解決了上述科研引入本科教學(xué)的難題，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)上體現(xiàn)了科學(xué)思維訓(xùn)練的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，為“互聯(lián)網(wǎng)+”化學(xué)化工本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了有力平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

通過(guò)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，希望學(xué)生能夠理解原位熒光標(biāo)記技術(shù)及腫瘤原位精準(zhǔn)成像基本原理，掌握有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)基本技能與操作，探究基于構(gòu)效關(guān)系的抗擴(kuò)散固態(tài)發(fā)光染料分子設(shè)計(jì)與優(yōu)化的原理與方法，理解探針響應(yīng)性能研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和性能評(píng)價(jià)，了解細(xì)胞、活體水平原位熒光成像及成像指導(dǎo)手術(shù)切除的基本操作，在探究基礎(chǔ)上初步形成高性能化學(xué)分子工具設(shè)計(jì)與應(yīng)用的創(chuàng)新研究思路。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是理解分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路，學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)與光譜性質(zhì)、成像性能之間關(guān)系的分析，能夠從實(shí)驗(yàn)探索中總結(jié)規(guī)律。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)儀器試劑和功能設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)涉及的儀器有旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、通風(fēng)櫥、無(wú)菌操作臺(tái)、細(xì)胞培養(yǎng)箱、激光共聚焦顯微鏡、紫外分光光度計(jì)、熒光光譜儀、X射線單晶衍射儀、基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、核磁共振波譜儀、小動(dòng)物多模式成像系統(tǒng)等。使用到的耗材包括離心管、移液槍、比色皿、細(xì)胞培養(yǎng)瓶、96孔板、共聚焦培養(yǎng)皿，以及稱(chēng)量、取液、有機(jī)合成與分離的玻璃儀器。使用的虛擬試劑除了常見(jiàn)有機(jī)溶劑、緩沖溶液、培養(yǎng)基、有機(jī)試劑外，還有毒性較強(qiáng)的三光氣、細(xì)胞膜和細(xì)胞核定位試劑，以及肝癌、卵巢癌等細(xì)胞系。

該虛擬實(shí)驗(yàn)采用全三維建模，虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)中所需要的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，如實(shí)驗(yàn)室、虛擬儀器設(shè)備以及仿真室內(nèi)工作場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景室內(nèi)自由漫游。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用B/S構(gòu)架設(shè)計(jì)，基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中心管理系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)層、支撐層、仿真層和應(yīng)用層的四層架構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)采用Win7以上操作系統(tǒng)的電腦，只使用鍵盤(pán)鼠標(biāo)操作，無(wú)需外加設(shè)備、無(wú)需安裝客戶端的情況下，可以通過(guò)瀏覽器順利打開(kāi)該虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有效鏈接網(wǎng)址為：http://hnuygbj.dlvrtec.com。學(xué)生用手機(jī)外網(wǎng)登錄該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用瀏覽器可以打開(kāi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無(wú)需安裝客戶端，從校外互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)鏈接地址可直接指向?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目。

虛擬實(shí)驗(yàn)軟件提供虛擬實(shí)驗(yàn)的演示、學(xué)習(xí)和考核等不同模式，并且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以在不同模式之間無(wú)縫自由切換。在演示模式中，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行虛擬實(shí)驗(yàn)演示操作方法。在學(xué)習(xí)模式中，通過(guò)打開(kāi)提示，可以根據(jù)詳細(xì)的步驟提示、3D物體上的紅光閃爍引導(dǎo)對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行學(xué)習(xí)，在引導(dǎo)下完成虛擬實(shí)驗(yàn)。在考核模式下，操作者在沒(méi)有提示的情況下獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)W、A、S、D控制前進(jìn)、后退、左移和右移，Z、X控制放大、縮小，鼠標(biāo)右鍵控制角度，鼠標(biāo)左鍵控制選取物品。實(shí)驗(yàn)配備了語(yǔ)音系統(tǒng)，操作過(guò)程通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)，朗讀操作步驟提示，操作過(guò)程中可以聽(tīng)到操作步驟說(shuō)明。朗讀內(nèi)容可以通過(guò)平臺(tái)自由修改，并且與實(shí)驗(yàn)中所顯示的文字提示內(nèi)容可以分別獨(dú)立修改。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以在不同的大步驟之間自由切換，可以隨時(shí)跳轉(zhuǎn)到其他大步驟。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)思路

腫瘤原位熒光標(biāo)記技術(shù)設(shè)計(jì)和探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三大模塊17個(gè)步驟，包含37步學(xué)生可交互操作的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

3.1 模塊一：腫瘤原位熒光標(biāo)記探針的設(shè)計(jì)

結(jié)合開(kāi)場(chǎng)動(dòng)畫(huà)演示，首先引入兩個(gè)問(wèn)題，為什么傳統(tǒng)膜靶向探針難以實(shí)現(xiàn)原位分析？已報(bào)道固態(tài)熒光探針可以釋放疏水熒光染料，用于活細(xì)胞中原位成像生物標(biāo)記物，但它們難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間原位分析，為什么？由此引入本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)(圖1)，基于傳統(tǒng)的固態(tài)熒光染料HPQ (2-(2-羥苯基)-4(3氫)-喹唑啉酮)，設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)疏水性和低親脂性的熒光染料，并將其發(fā)射波長(zhǎng)從遠(yuǎn)紅外延長(zhǎng)到近紅外區(qū)域。

圖1 模塊一腫瘤原位熒光標(biāo)記探針的設(shè)計(jì)操作界面

通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示和互動(dòng)操作，能夠初步理解傳統(tǒng)易擴(kuò)散熒光探針和本實(shí)驗(yàn)擬合成的沉淀型固態(tài)發(fā)光熒光探針的本質(zhì)區(qū)別，了解HPQ類(lèi)染料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和ESIPT (激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移)的固態(tài)發(fā)光機(jī)理，理解探針設(shè)計(jì)時(shí)為什么要降低親脂性和提高疏水性，以實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞膜上長(zhǎng)時(shí)間的原位成像，以及為什么要將波長(zhǎng)移動(dòng)到近紅外區(qū)，增加探針的組織穿透深度，以實(shí)現(xiàn)活體應(yīng)用。

通過(guò)在HPQ分子的R位置引入不同的取代基團(tuán)(圖2)，學(xué)生可以鍵盤(pán)操作拖拽19個(gè)不同的取代基到R取代基位置，獲得相應(yīng)化合物結(jié)構(gòu)，選定某化合物后可以進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析。可以獲得每個(gè)化合物溶解和過(guò)濾后的熒光光譜對(duì)比，熒光比色皿中過(guò)濾前后肉眼可見(jiàn)的顏色變化對(duì)比，以及結(jié)構(gòu)分析的說(shuō)明。如果過(guò)濾前是強(qiáng)熒光，而過(guò)濾后幾乎無(wú)熒光，則說(shuō)明化合物幾乎完全不溶，而過(guò)濾后依然保持熒光則說(shuō)明化合物溶解性很好。從熒光光譜的發(fā)射波長(zhǎng)可以看出化合物是否接近近紅外區(qū)。學(xué)生需要通過(guò)不同化合物之間熒光光譜的比較，具有強(qiáng)疏水性、低親脂性和近紅外發(fā)射的沉淀型熒光染料HYPQ，同時(shí)了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些竅門(mén)，如通過(guò)給電子基團(tuán)(D)-吸電子基團(tuán)(A)相互作用和π-共軛體系的組合，使熒光發(fā)射波長(zhǎng)有效紅移；良好的平面性可以促進(jìn)分子間π-π堆疊相互作用，從而降低溶解度并實(shí)現(xiàn)抗擴(kuò)散成像。進(jìn)一步在HYPQ染料中引入水溶性的谷氨酸基團(tuán)，提高其生物相容性，設(shè)計(jì)GGT (γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶)激活型原位成像熒光探針，同時(shí)可以點(diǎn)擊查看其余對(duì)比分析探針的結(jié)構(gòu)。

圖2 R位不同取代基化合物結(jié)構(gòu)及光譜性質(zhì)示意圖

模塊一設(shè)計(jì)了交互操作(1)-(3)，完成相應(yīng)的分步實(shí)驗(yàn)操作，獲得相應(yīng)的賦分，模塊一的總賦分為20分，側(cè)重于對(duì)固態(tài)發(fā)光原位熒光探針基本原理的理解和探針的設(shè)計(jì)。

保存試驗(yàn)時(shí)間2014年9月9日至2015年1月14日。保存試驗(yàn)材料，按D配方生產(chǎn)羊全混合顆粒飼料D1～D3，D1、D2在湖北天越牧業(yè)有限公司羊場(chǎng)采用平模制粒，D1直接冷制粒（KL-150型顆粒機(jī)，壓縮比6∶1）；D2冷制粒（KL-150型顆粒機(jī)，壓縮比4.7∶1），適當(dāng)加水調(diào)質(zhì)（由少到多逐漸增加水分）到成型效果良好，眼觀不到明顯粉料。D3委托羊場(chǎng)周邊某規(guī)模飼料廠制粒（年單班產(chǎn)量10萬(wàn)噸以上，420型環(huán)模制粒機(jī)，蒸汽調(diào)質(zhì)）。選擇育肥豬商品料D4(與D3加工方式相同)和某公司送場(chǎng)試用的全混合顆粒飼料D5(加工方式不清楚)作對(duì)照。

3.2 模塊二：腫瘤原位熒光標(biāo)記探針的合成及性質(zhì)測(cè)試

學(xué)生可根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握情況，自主選擇進(jìn)行腫瘤原位熒光標(biāo)記探針的合成或性質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊選擇不同的近紅外(NIR)沉淀型熒光染料或探針，然后進(jìn)入合成路線界面(圖3)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中提供了8種探針的合成步驟，其中HYPQ和抗擴(kuò)散的GGT原位成像探針HYPQG兩個(gè)探針可以進(jìn)一步進(jìn)入實(shí)驗(yàn)合成操作步驟。

圖3 模塊二實(shí)驗(yàn)流程界面及8種探針結(jié)構(gòu)示意圖

合成步驟中首先對(duì)實(shí)驗(yàn)用到的試劑耗材和反應(yīng)裝置有一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，操作界面提供了多種視角，如初始視角、實(shí)驗(yàn)視角、儀器視角和輔助視角等，學(xué)生可以操縱鼠標(biāo)進(jìn)行360度的漫游觀察整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景，如通風(fēng)櫥、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、所有儀器設(shè)備等(圖4)，增加沉浸式實(shí)驗(yàn)感受。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景及功能鍵界面示意圖

實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的試劑即可加入反應(yīng)瓶，搭建反應(yīng)裝置，進(jìn)行化合物的合成。儀器設(shè)備完全復(fù)原了探針合成的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，反應(yīng)時(shí)間可以加速。反應(yīng)完成后，對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行后處理和純化，然后測(cè)試核磁共振氫譜、碳譜和質(zhì)譜(圖5)。合成HYPQ后可進(jìn)一步合成HYPQG探針。合成步驟設(shè)計(jì)了交互操作(4)-(7)，賦分19分。

圖5 HYPQ的質(zhì)譜解析界面及HPQ單晶衍射分析界面示意圖

完成HYPQG的合成和結(jié)構(gòu)表征后，進(jìn)一步對(duì)單晶衍射、親脂性、抗擴(kuò)散性、化學(xué)穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性、探針對(duì)GGT的熒光響應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行分析。以親脂性研究為例，又分5個(gè)小步驟，對(duì)比HPQ、HTPQ、HYPQ在二氯甲烷中的熒光顏色差異，對(duì)比三者在薄層色譜板上展開(kāi)后的熒光差異，用熒光光譜儀測(cè)試在溶劑中和過(guò)濾后的熒光差異，用紫外光譜儀比較三者在不同溶劑中、過(guò)濾前后的紫外光譜差異，通過(guò)紫外吸收法測(cè)定三者在不同溶劑中濃度與吸光度的曲線。再如在探針對(duì)GGT響應(yīng)的熒光性質(zhì)測(cè)試中，包括HYPQ和HYPQG在不同溶劑中的紫外光譜測(cè)試(圖6)，HYPQG隨GGT濃度增加的熒光發(fā)射光譜變化，反應(yīng)后基質(zhì)輔助激光解析-飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF/MS)的譜圖變化，在不同濃度GGT抑制劑作用下HYPQG的熒光響應(yīng)變化，實(shí)時(shí)測(cè)定650 nm處熒光隨時(shí)間變化的情況，測(cè)試不同活性物種對(duì)反應(yīng)的影響，對(duì)HYPQG與GGT反應(yīng)轉(zhuǎn)化的沉淀顆粒進(jìn)行激光粒度、透射電鏡、掃描電鏡等分析(圖7)。全部完成后，也可根據(jù)掌握程度選擇性地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)再次學(xué)習(xí)。性能表征部分設(shè)計(jì)了交互操作(8)-(28)，賦分31分。

圖7 質(zhì)譜儀、激光粒度分析儀、透射電鏡和掃描電鏡等高端儀器實(shí)驗(yàn)界面

模塊二共設(shè)計(jì)25步交互操作，總賦分為50分，側(cè)重于對(duì)有機(jī)合成步驟與操作的掌握，以及對(duì)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的理解，通過(guò)模塊二的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)如何合成、表征一個(gè)原位熒光成像探針，研究其響應(yīng)性能并驗(yàn)證其內(nèi)在響應(yīng)機(jī)理，從而對(duì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究有了更深層次的理解，該模塊也是本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心部分。

3.3 模塊三：原位熒光成像與導(dǎo)航手術(shù)切除腫瘤

獲得性能優(yōu)異的熒光成像探針HYPQG后，還要進(jìn)一步研究其在細(xì)胞和活體層面的熒光成像性能，以及在腫瘤切除手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用(圖8)。該模塊細(xì)胞層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涉及到細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞活性測(cè)試、共聚焦熒光成像、細(xì)胞共定位實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞Z-軸掃描和3D重建、細(xì)胞膜長(zhǎng)時(shí)間原位成像等研究?；铙w層次的實(shí)驗(yàn)涉及小鼠腫瘤的長(zhǎng)時(shí)間原位GGT成像、小鼠體內(nèi)腫瘤切除和模擬人體內(nèi)腫瘤切除實(shí)驗(yàn)。該模塊設(shè)計(jì)了交互操作(29)-(37)，賦分30分。

圖8 模塊三原位熒光成像與活體導(dǎo)航手術(shù)切除腫瘤實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)完成后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果、成績(jī)能夠自動(dòng)上傳至平臺(tái)，學(xué)生可以根據(jù)課程要求在線填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

本實(shí)驗(yàn)采用三維虛擬仿真方式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程全景漫游與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互設(shè)計(jì)，學(xué)生通過(guò)授權(quán)ID登錄使用本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不受時(shí)間空間限制，實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)模式與考核模式可以無(wú)縫切換，為多樣化的教學(xué)方式提供了可行性。

課中通過(guò)互動(dòng)了解學(xué)生對(duì)課前布置的調(diào)研問(wèn)題的思考，針對(duì)實(shí)驗(yàn)的核心原理邊演示邊講解，先引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有一個(gè)整體思路的理解，認(rèn)識(shí)到固態(tài)發(fā)光熒光探針設(shè)計(jì)在活體原位精準(zhǔn)成像和手術(shù)導(dǎo)航應(yīng)用中的重要科學(xué)意義。再結(jié)合三大模塊的重難點(diǎn)問(wèn)題，如HPQ染料固態(tài)發(fā)光和沉淀的機(jī)理是什么？分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的官能團(tuán)效應(yīng)影響，結(jié)構(gòu)表征與性能表征中譜圖如何分析？探針具備好的光譜性能后如何走向細(xì)胞和活體應(yīng)用？同時(shí)對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)過(guò)程涉及的實(shí)驗(yàn)操作問(wèn)題進(jìn)行答疑。線下課堂在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心機(jī)房進(jìn)行，講解答疑完畢再進(jìn)行線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作練習(xí)以及操作考核。學(xué)生操作中遇到問(wèn)題既可以請(qǐng)教老師，也可以切換成學(xué)習(xí)模式，自主學(xué)習(xí)后再返回考核模式。但該過(guò)程系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄，切換累積到一定次數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)扣分。實(shí)驗(yàn)后再進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題進(jìn)行交流討論。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)三大模塊17個(gè)步驟的37步交互式操作，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)探究找到分子結(jié)構(gòu)與光譜性質(zhì)、成像性能之間的關(guān)系，理解如何獲得一個(gè)高性能的分子成像工具。

在模塊一中，以虛擬動(dòng)畫(huà)演示傳統(tǒng)膜定位探針與固態(tài)發(fā)光原位熒光探針的區(qū)別，首先形成對(duì)原位成像探針的直觀理解。再通過(guò)動(dòng)手操作在HPQ染料中引入不同取代基獲得19個(gè)不同類(lèi)型的衍生化合物，每個(gè)化合物的熒光光譜和溶解性質(zhì)都可以查看，學(xué)生通過(guò)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的比較，從中選擇出性質(zhì)最優(yōu)的HPYQ，對(duì)構(gòu)效關(guān)系有了初步理解。再進(jìn)一步引入谷氨酸基團(tuán)，提高探針的生物相容性，得到HYPQG探針。

在模塊二中，學(xué)生重點(diǎn)練習(xí)原位熒光成像探針的合成與性質(zhì)測(cè)試。首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中常用工具的熟悉和認(rèn)知，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的搭建和相關(guān)化合物的合成、純化和初步表征，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單晶結(jié)構(gòu)解析。在加樣、裝置搭建順序、溶劑選擇等步驟均設(shè)置互動(dòng)，讓學(xué)生了解每個(gè)實(shí)驗(yàn)操作需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)HYPQG探針的合成路線、合成方法、純化方式、結(jié)構(gòu)表征手段有了直觀的理解。合成獲得所需探針后，能否進(jìn)一步用于原位熒光成像，還需要對(duì)探針的親脂性、穩(wěn)定性、抗擴(kuò)散性質(zhì)、響應(yīng)性能、抗干擾能力等進(jìn)行測(cè)試，在模塊二的性質(zhì)測(cè)試中，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深入理解，如何設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，選擇合適的對(duì)照探針來(lái)驗(yàn)證探針的響應(yīng)性能，并進(jìn)一步理解分子結(jié)構(gòu)與光譜性質(zhì)之間的關(guān)系。

在模塊三中，學(xué)生重點(diǎn)探索HYPQG探針在細(xì)胞和活體原位熒光成像及導(dǎo)航手術(shù)切除腫瘤中的應(yīng)用，該實(shí)驗(yàn)側(cè)重生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)和熒光成像實(shí)驗(yàn)操作的訓(xùn)練。合成的探針能否用于生物體系原位成像和手術(shù)導(dǎo)航，還需要進(jìn)行細(xì)胞膜表面原位成像、抗擴(kuò)散性能比較、長(zhǎng)時(shí)間原位成像研究，然后才能進(jìn)行小鼠等活體原位成像和成像指導(dǎo)的腫瘤切除實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)的操作，不僅對(duì)原位精準(zhǔn)生物成像有了直觀理解，還從生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的角度對(duì)分子結(jié)構(gòu)與成像性能關(guān)系有了深入認(rèn)識(shí)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完畢后，一周內(nèi)在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由于該系統(tǒng)有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和打分記錄，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求進(jìn)行了改革。針對(duì)三個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)了5個(gè)拓展思考問(wèn)題，學(xué)生對(duì)每個(gè)模塊任選2個(gè)問(wèn)題來(lái)填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。設(shè)計(jì)的問(wèn)題都需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和思考?xì)w納才能回答，如“要想獲得高性能的NIR沉淀型HPQ類(lèi)固態(tài)熒光染料，有哪些重要的設(shè)計(jì)原則需要考慮？”“如何判斷設(shè)計(jì)的探針HYPQG對(duì)GGT能夠選擇性響應(yīng)？需要設(shè)計(jì)什么實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？”“HYPQG與市售L-谷氨酸γ-(7-氨基-4-甲基香豆素) (AMCG)探針、以及細(xì)胞膜示蹤紅色探針Memb-Tracker Red的比較實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘f(shuō)明什么問(wèn)題？可對(duì)你探索的這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)獲得的成像圖進(jìn)行分析”。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后結(jié)合拓展思考題，對(duì)三大模塊虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探究中的結(jié)果進(jìn)行反思，從設(shè)計(jì)原則、光譜性質(zhì)特點(diǎn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、譜圖區(qū)別、結(jié)構(gòu)與光譜及成像性能關(guān)系等方面總結(jié)內(nèi)在規(guī)律。

通過(guò)課前、課中、課后教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，以及線上線下混合式教學(xué)，學(xué)生在充分的交互操作體驗(yàn)中，能夠從分子水平理解結(jié)構(gòu)和譜學(xué)特征、響應(yīng)性能的內(nèi)在關(guān)系，加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)高性能分子成像工具創(chuàng)新思路的理解。同時(shí)在課后，感興趣的同學(xué)還可以借助實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的拓展研究，如進(jìn)入分子成像實(shí)驗(yàn)室了解該方向的最新進(jìn)展，參與相關(guān)科研訓(xùn)練等。本實(shí)驗(yàn)總成績(jī)構(gòu)成中，考勤和預(yù)習(xí)測(cè)試占20%，實(shí)驗(yàn)操作考核占70%，在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告占10%，虛擬實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)在總成績(jī)中均有體現(xiàn)。

5 本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特色與創(chuàng)新

5.1 以學(xué)生核心能力培養(yǎng)為中心進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將最新科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供與原位熒光標(biāo)記探針設(shè)計(jì)篩選的核心過(guò)程進(jìn)行全面交互的機(jī)會(huì)。

學(xué)生在本科學(xué)習(xí)中，使用單晶衍射儀、熒光共聚焦顯微鏡、質(zhì)譜等高端儀器的機(jī)會(huì)少，將這些大型精密儀器轉(zhuǎn)換為虛擬仿真的形式，不僅實(shí)驗(yàn)安全系數(shù)大大提高，學(xué)生能夠直觀了解和動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)大大增加。實(shí)際科研實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、消耗大，而且涉及大量細(xì)胞、活體實(shí)驗(yàn)和生物成像，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)才能完成，無(wú)法引入本科教學(xué)，而本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)科研實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化重組，圍繞探針設(shè)計(jì)、合成與性能測(cè)試、成像與手術(shù)導(dǎo)航構(gòu)建了三大模塊，每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立又互為一體，使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地理解科研實(shí)驗(yàn)的原理與分子設(shè)計(jì)，合成表征與構(gòu)效關(guān)系，原位成像與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各模塊的設(shè)計(jì)中也體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的理念，虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)形象、生動(dòng)、直觀，圍繞核心能力培養(yǎng)，設(shè)計(jì)了37步可交互操作的步驟，讓學(xué)生身臨其境地體會(huì)高性能分子工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成、優(yōu)化和篩選過(guò)程，掌握結(jié)構(gòu)解析與表征方法，探究結(jié)構(gòu)與光物理化學(xué)性質(zhì)之間的密切關(guān)系，了解其在細(xì)胞和活體腫瘤成像和手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用潛力。通過(guò)深入探究，對(duì)腫瘤原位熒光標(biāo)記技術(shù)達(dá)到深層次理解，逐步形成高性能化學(xué)成像分子工具設(shè)計(jì)的思路，加強(qiáng)了動(dòng)手能力、高階思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍?wù)于化學(xué)化工本科生的“知識(shí)、素質(zhì)、能力”培養(yǎng)，極大地拓展了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，2021年獲評(píng)湖南省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流本科課程。

5.2 基于重要科學(xué)問(wèn)題的探究式教學(xué)和育人元素融入

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中采用基于重要科學(xué)問(wèn)題的探究式教學(xué)。課前引導(dǎo)學(xué)生調(diào)研發(fā)現(xiàn)腫瘤手術(shù)切除中存在的問(wèn)題，認(rèn)識(shí)到精準(zhǔn)標(biāo)記與成像導(dǎo)航的重要性，并在線上觀看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)相關(guān)視頻，完成預(yù)習(xí)練習(xí)題。課中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有熒光成像技術(shù)的問(wèn)題，了解如何以重要科學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并依據(jù)響應(yīng)性能優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決細(xì)胞和活體原位熒光成像中的科學(xué)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)腫瘤手術(shù)導(dǎo)航的應(yīng)用。在三大模塊學(xué)習(xí)中借助插入性問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考，同時(shí)完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的考核，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的報(bào)告填寫(xiě)中，結(jié)合6個(gè)思考題的回答來(lái)引導(dǎo)學(xué)生課后的拓展思考。通過(guò)課前預(yù)習(xí)練習(xí)、實(shí)驗(yàn)考核和問(wèn)題回答，可以了解學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作技能和對(duì)科學(xué)問(wèn)題的思考情況。

在教學(xué)中注重科學(xué)素養(yǎng)和科研價(jià)值觀的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)原理的探究中，結(jié)合惡性腫瘤的精準(zhǔn)診斷與治療這一面向國(guó)家重大需求和人民健康的科學(xué)問(wèn)題，從減輕患者痛苦的角度考慮如何對(duì)分析方法進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索，了解如何通過(guò)分子水平的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予探針精準(zhǔn)原位標(biāo)記新功能，實(shí)現(xiàn)腫瘤邊界的精確界定，為精準(zhǔn)診療提供研究工具。在37步交互操作細(xì)節(jié)中培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和分析解決問(wèn)題的科學(xué)探究精神。通過(guò)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的探究，理解科研如何面向國(guó)家需求，服務(wù)人民健康來(lái)解決科學(xué)難題，理解“精準(zhǔn)”中蘊(yùn)含的“求真”“求實(shí)”和“求新”思想，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)科研價(jià)值觀的積極引導(dǎo)。