徐又媛，欧阳娅妮，李万梅

杭州师范大学材料与化学化工学院，杭州 311121

1 第一关卡——找寻靛蓝(靛蓝的植物来源，板蓝根的成分)

“玩家你好，欢迎来到化学乐园，您本次的任务是借助靛蓝相关的化学知识完成闯关。首先，请进入第一关卡。”

玩家进入到一片百草园，按照屏幕上箭头所指方向前进，一位老者正在前方等待：首先请玩家先去寻找一株菘蓝，并探索靛蓝的奥秘。

玩家根据线索的指引进行搜寻，一株菘蓝兀然映入眼帘，点击菘蓝的根部。

NPC (Non-player character)：“板蓝根属于十字花科菘蓝属植物菘蓝的干燥根，临床长期用于发烧、感冒、流行性腮腺炎、肝炎、咽喉炎、水痘、麻疹等病症[1,2]。它能呈现出显著的治疗效果，是因为其中的个别成分发挥了主要的作用。”

玩家利用系统提供的检测器进行板蓝根化学成分分析。

板蓝根由生物碱、含硫化合物、苯丙素、核苷、氨基酸、有机酸、酚、黄酮、蒽醌、萜、醇、醛、酮、腈、酯和糖等19类物质组成，共有近400种化合物[3]，此时屏幕中出现了板蓝根成分柱状图(图1)。

图1 板蓝根成分柱状图

“哇，板蓝根明明只是植物的根，里头竟然包含了这么多东西，光是生物碱类，就能包含152种！”玩家感到格外惊讶。

NPC：“虽然板蓝根蕴含了这么多成分，但这些成分都是和睦相处的，有时候甚至会齐心协力，共同对抗外敌。板蓝根可是集抗菌、抗病毒、抗肿瘤和抗炎作用于一身的宝贝呢[4]！”

玩家看到生物碱类那一栏正在闪动，点击生物碱类。

生物碱类中包含靛蓝、靛玉红和告依春等，其中靛蓝和靛玉红具有显著的治疗作用[5]。

“原来靛蓝藏在这里啊，找到它可真是不容易！不过，治疗作用？靛蓝的名字一听就让人觉得这是一种用来涂画的物质，我记得……它好像是用在牛仔裤上的，没想到它居然能和治疗作用挂钩……”玩家不禁惊讶地说道。

NPC突然出现：“玩家你好，恭喜你正式解锁了靛蓝线索，接下来请点击屏幕右下角的靛蓝，进入靛蓝关卡吧。”

2 第二关卡——神秘的“蓝色”(靛蓝的历史发展、结构与药用价值)

NPC：“欢迎进入第二关卡。在上一关卡中，我们发现了靛蓝的治疗作用，更科学地说，靛蓝具有药用价值。接下来由我来为你解答疑惑吧，含靛蓝成分的植物如菘蓝、蓼蓝等就常被古人用于治疗各种疾病[6]。古代并不像现代，有如此多的合成药物，因此有时候需要去采摘这些天然植物，将其捣碎、煎煮，其中伴有靛蓝入药。靛蓝的作用体现在良好的抗氧化、镇痛和抗炎活性上[7]，临床研究证明靛蓝能防止炎症所产生的不必要的相关后果，其能有效减少中性粒细胞的增殖。靛蓝还可以抑制角质，从而控制细胞的过度增殖，并且在500 μg·mL-1的浓度下观察到最大抑制作用，没有细胞毒性[8]。从这个角度想，或许靛蓝是一个不可多得的研发护肤品的原料呢……

不仅如此，蓝草的叶、根均具有药用价值。在植物靛蓝合成的过程中，一些衍生物如靛苷、靛蓝、靛红和靛玉红等[6]，值得入药。靛苷具有抗菌活性，并广泛存在于植物、细菌及动物尿液中，因靛红分子骨架结构特殊，其类似物具有多种抗病毒、抗肿瘤、神经元保护等生物学活性，靛玉红对白细胞和细胞角化具有显著抑制作用。并且在从植物蓝草提取靛蓝的过程中会得到副产物——青黛。其中主要有效成分是靛蓝和靛玉红。青黛具有清热解毒的功效，临床运用广泛，医学作用可见一斑[9]。”

NPC：“靛蓝有如此重要的药用价值，与其结构息息相关。”

显示屏上浮现出靛蓝的相关信息：靛蓝的分子式是C16H10N2O2，精确相对分子质量为262.0742[10]，靛蓝的化学式见图2。

图2 板蓝根中靛蓝的分子结构

NPC：“请玩家寻找散落在地上的基团拼图，按照所给的图片，将靛蓝的分子结构拼接完整。”

玩家将苯环、碳碳双键、羰基、亚氨基这些基团拼图依次拼接起来得到了一个完整的分子结构。

NPC：“从靛蓝的名字里，我们可以得知靛蓝的颜色是蓝色的。”

最开始靛蓝是从植物中提取出来的，来源植物相当多。那么，这些植物中含有天然蓝色色素尿蓝母(图3)，尿蓝母经过发酵转化为靛蓝[11]。通过观察，我们能够发现靛蓝和尿蓝母在分子结构上具有相似性，由此可知靛蓝确实是能够通过尿蓝母转化而成。

图3 天然蓝色色素尿蓝母的分子结构

与其他相似大小的体系相比，靛蓝分子结构中的给电子-受电子基本发色体，即“H-发色体”(图4)，决定了它的蓝色颜色。其中给电子体为具有孤对电子的氮原子，而受电子体为羰基，这两者通过碳碳双键相连，从而形成交叉共轭体系，这使得靛蓝具有独特的吸光特性[12]。

所以，虽然靛蓝是由C、H、N、O这几种常见的元素组成，然而这些常见元素构成了一种特殊结构，使它获得了特殊的性质，这就会导致靛蓝表现出区别于一般化合物的不同的颜色。

NPC：“通过分析靛蓝的分子结构，人们发现靛蓝拥有如此得天独厚的颜色，那人们显然就会将靛蓝的这种特性运用起来，那么他们会将靛蓝作为一种……”

玩家：“我知道我知道！是染料！”

NPC：“那接下来，请玩家做一道关于靛蓝作为染料的历史排序题吧！”

先秦荀子《劝学》有言：青，取之于蓝，而青于蓝。这其实是古人运用了蓝染技术。但是，《礼记·月令》中规定了“令民毋艾蓝以染”，其限定只能在蓝草成熟后的短暂时间内进行蓝染，可以推断当时是直接将植物进行染色的[9]。等到南北朝，沾染艺术开始发展[12]。明代，《正德琼台志》中提到了关于“蓝草”规模种植的记载，不仅说明在当时蓝草的种植技术已经十分成熟[6]，而且在植物染色技术上也是越发成熟。直至今日，我们仍然能够在一些地方，例如云南、浙江等地，看到这些由植物靛蓝人工染成的布匹。

3 第三关卡——小小科研家(靛蓝的提取制备、其他应用以及废水处理)

NPC：“要运用靛蓝，势必就要获取靛蓝。欢迎玩家来到第三关卡。”

NPC：“靛蓝是具有反式对称的双吲哚结构的有机物[4]。与板蓝根大多数有效成分用水煮醇沉的提取方法不同，靛蓝的提取应当采用醇回流法[5]。但为了制作成染料，是要一次性提取出大量的靛蓝。由于板蓝根中含有的靛蓝过少，如果仅通过板蓝根进行醇回流法，这样不仅会浪费大量的原材料，损失板蓝根中其他物质的价值，而且成本也会提高。不过靛蓝在蓝草中含量较高，所以靛蓝可以从蓝草中提取。”

接下来由玩家给具体的制作过程排序：依次是建池、浸泡发酵、石灰处理、沉淀分离[13]。具体操作是先用大量的冷水浸泡一段时间，期间除去残渣，加以石灰再次浸没，进而排水晾干[14]，最终得到靛蓝。

NPC：“但这样得到的靛蓝真的就容易上色了吗？其实不是，这其中还有一步生成靛白的过程。靛蓝的染色是先将不溶性的靛蓝还原成可溶性的隐色体靛白。但并不是所有的溶液都可以，靛蓝一定要在碱性溶液中进行转化，使之上染，然后将染物浸染后取出透风氧化，再又变回靛蓝附着在染物上[15]，这样才能达到上色的效果。如果缺少了碱性溶液，靛蓝的染色效果一定会大打折扣。”

玩家：“哇，没想到仅仅是靛蓝的染色居然会有这么多学问啊，要得到靛蓝首先就要选用合适的原料，考虑经济效益；为了更好地发挥其作为染料的特性，还要考虑它在哪种介质溶液中更好上色，实在是不容易哇！”

NPC：“没错。人们对靛蓝的认知随着科技的发展日益提高，对靛蓝的提取工艺也随着技术的进步日益简便。然而如果只是通过植物提取靛蓝来做染料实在是太不便利。一方面原材料都是植物，这就势必要砍伐掉大量植物，破坏生态平衡；另一方面制作工艺过于原始和传统，得到的植物靛蓝质量有待商榷。像人们穿的牛仔裤其实就是用靛蓝染料染出来的，但我们经常会发现有些牛仔裤在水中泡久了之后，水就会变得很蓝；裤子穿久了之后，颜色也会渐渐褪去。原因之一就是采用的靛蓝染料不够出色，所以人们不断寻找办法，试图研究得到性能更好的靛蓝。这不仅牵涉到天然靛蓝的提取，更重要的是如何高效绿色地合成制备靛蓝。由于天然材料的限制导致合成靛蓝的出现，目前为止，超细靛蓝和液体靛蓝也得以研发问世。

超细靛蓝的制备是将靛蓝染料压成滤饼，加入助剂，再将其烘干，最后粉碎而成。这样得到的超细靛蓝颗粒会相对较小，增大了接触面积，提高了扩散能力，更具有附着性，改善了靛蓝的染色效果[13]。

液体靛蓝是以氢气作为还原剂，将靛蓝染料预还原成为隐色体，再直接为浆染厂使用。在这道工序中，避免了生成无机盐，使得工厂污水中不溶性废盐的排放得到直接的削减，相对环保并且杂质减少，染色更加均匀[13]。在为社会创造宝贵财富的同时，我们应该减少对环境的污染。”

玩家将所掌握的知识运用于实践中，合成出一代又一代优良的靛蓝……

NPC：“靛蓝中有氨基和羰基，其分子内部与分子间均易产生氢键，因此从化学还原角度来看，靛蓝还原需要较强的还原剂[16]。采用哪种方法能够高效、环保地优化靛蓝染色呢？A：电化学反应；B：化学反应。”

玩家选择了A：电化学反应。

NPC：“回答正确。借助电化学原理来进行染色，采用电源提供电子的办法还原靛蓝总比直接从一些并不环保的物质中得到电子的方法优越，不仅清洁、环保，而且电化学反应比普通的化学反应催化速率快，反应条件绿色且温和[17]。

除了用电化学方法制备靛蓝，还可以通过电化学方法降解合成靛蓝所产生的废水。我们在用靛蓝染完色之后，靛蓝的作用效果逐渐减弱。就好比手机电池，刚买回来的时候手机耗电量慢，可是用了一段时间后，就会发现手机充电频率提高。同样在靛蓝的染色过程中，靛蓝大量附着在被染色物上，有效成分逐渐损耗，最终失去作用。但是制备过程中产生的大量废水我们不能任其随波逐流，因此高效、环保地降解生产废水至关重要。”

在处理双池电化学靛蓝废水时，阳极降解、阴阳极同时降解都能作为处理的方法[18]。吸光度是对废水处理结果的评判标准，吸光度越低，处理效果就越好。

“在阳极降解时，研究表明两侧电极均为不锈钢。不锈钢是很常见的，例如生活中的一些餐具、锅等，就是由不锈钢做成的，并且还可以通过提高NaCl质量浓度或加大电压来提升降解效果[18]。不过阴/阳极同时降解所采用的电极与阳极降解是不同的。阴/阳极同时降解时，阴极电极采用不锈钢材料，阳极电极则采用石墨材料[18]。不同的降解办法就需要采用不同的电极材料去提升降解能力。”

NPC：“你掌握降解靛蓝污水的方法了吗？接下来请给阴极降解和阳极降解做一道连线题吧……”

4 闯关成功——宝藏守卫战

接着向着箭头的方向前进，硕大的字出现在一个宝箱之前：恭喜这位玩家闯关成功！

打开宝箱：从最初的百草园一路闯关到此，我们了解到靛蓝散发着的“魅力”。靛蓝在天然植物中以药材的身份发挥价值，附着在板蓝根中发光发热，但是如果单独作为染料时，亦可以独自美丽。明明身价不菲，却默默无闻。靛蓝之精神亦是为人处世之道所在。但其实，靛蓝有着一条独立的较为完善的发展史，它虽然历史悠久，发展道路历经波折，但风雨之后终见彩虹，现在靛蓝已凭借着自己独特的价值被世人所知晓。可想而知，世界上还有很多我们所不知的物质在各个领域绽放着微弱却不容小觑的光芒，等着我们去认识。