すでに女高師の研究科を修了して助教授になっていた黒田は、母校の教官の推薦を受け、東北帝国大学理科大学化学科を受験しました。黒田を含む女子2名と男子7名が合格します。わが国最初の女子の帝大生となった黒田はこのとき29歳でした。世間も新聞も大騒ぎをし、文部省は女子を入学させることに対して不快感を示す書状を東北帝大に送付しました。
　東北帝大での眞島利行教授との出会いは、その後の化学者としての黒田の生涯に決定的な影響を与えました。教授の専門分野の有機化学に最も興味を持ち、卒業研究を教授の指導のもとで行いました。天然色素の構造について研究したいとの黒田の希望に対して教授は、紫の根に含まれる古代むらさきという染料の主成分である色素の構造研究をテーマとして与えます。黒田が生涯続けた天然色素の研究は、こうして始まったのでした。まず、天然物の研究における結晶を得ることの大切さと大変さを黒田は学びました。そして純粋な色素の結晶を使っての構造研究は、黒田の限りない努力と情熱に支えられ進められていきました。大正7年にはシコニンと命名した色素の構造を論文に発表し、東京化学会で口頭発表を行いました。初の女性理学士の発表と世間は大騒ぎをしたといいます。その後大正10年から文部省外国留学生として2年間英国に学び、帰国後は女高師教授としての授業のほか、新設の理化学研究所の眞島研究室で女性を華やかに彩る紅の色素の構造研究を行いました。5年にわたる研究の末、昭和4(1929)年にカーサミンの構造を決定し、これを発表した論文で黒田は女性理学博士第2号となったのです。
　黒田は多くの良き師に恵まれました。東北帝大受験に際して長井長義博士から贈られた「化学は物質を対象としているから物質に親しまなければならない」との言葉を終生大切にし、心の支えとしたということです。女性化学者として、その絶えざる精進の軌跡と輝かしい業績は、今もなお後進に無言の教えを示しています。また、退官記念会のときに贈られた祝金は、後輩の育成のため「保井・黒田奨学金」として大学に寄附され、若い研究者を励まし続けています。