Sintetizzando il tungstato di sodio e sodio molibdato microcapsule tramite escrezione minerale batterica

Questo lavoro presenta un protocollo per la fabbricazione di microcapsule di sodio tungstato e sodio molibdato via i batteri e loro corrispondenti nanoparticelle.

Presentiamo un metodo, l'escrezione batterica di minerale (BME), per la sintesi di due generi di microcapsule, tungstato di sodio, molibdato di sodio e nanoparticelle corrispondente degli ossidi di metallo due — il primo è piccolo come 22 nm e il quest'ultimo 15 nm. Ci siamo nutriti due ceppi di batteri, alghe di Shewanella e Pandoraea SP., con le varie concentrazioni di ioni tungstato o molibdato. Le concentrazioni di tungstato e molibdato sono state adeguate per rendere microcapsule di diversi rapporti di lunghezza e diametro. Abbiamo scoperto che maggiore è la concentrazione minore erano le nanoparticelle. Le nanoparticelle è venuto con tre rapporti di lunghezza e diametro: 10:1, 3:1 e 1:1, che sono stati raggiunti alimentando i batteri rispettivamente con una concentrazione bassa, una concentrazione media e un'alta concentrazione. Le immagini delle microcapsule Cave sono stati presi tramite microsfere scansione elettronica (SEM). Loro strutture di cristallo sono state verificate da diffrazione di raggi x (XRD) — la struttura di cristallo del molibdato microcapsule è Na₂MoO₄ e cioè di microcapsule tungstato Na₂WO₄ con Na₂W₂O₇. Queste sintesi tutti sono state compiute in una condizione di ambiente vicino.

Nanoparticelle di ossido di metallo vengono sfruttate per la droga consegna¹, costruzione artificiale ossa², catalisi eterogenea³, emissione di campo^4,5, celle solari⁶, sensori di gas⁷, e litio batterie⁸. Per le applicazioni pratiche, la resistenza meccanica di nanocristalli e la loro microstruttura sono cruciali. Tra le microstrutture, strutture guscio vuoto possono essere utilizzati per creare materiali leggeri e meccanicamente robusto⁹. Tra le strutture del guscio vuoto, una forma sferica è conosciuta per essere più rigida di forma ellissoidale; quest'ultimo ha un rapporto di lunghezza e diametro più grande rispetto il precedente^10,11. Questo lavoro descrive un protocollo per la sintesi di microcapsule sferiche tramite batteri con un metodo non tossico sotto una condizione ambientale, che contrasta con i metodi alternativi, tra cui il modello sintesi metodo¹², ultrasuoni-spray-assistita sintesi metodo¹³ e metodo idrotermale¹⁴. Alcuni dei metodi alternativi richiedono modelli¹², alcuni una temperatura più alta come 500 ° C¹³e alcuni un'alta pressione¹⁴. Per quanto riguarda la struttura risultante, il metodo di sintesi del modello utilizzando il modello di lievito porta circa una struttura core-shell¹⁵, invece di uno con una singola parete, e quello che utilizza il modello di e. coli produce una struttura con rapporto tra lunghezza e diametro 1.7:0.8 e non è sferica. ¹⁶.

In questo lavoro, abbiamo fatto microcapsule di ossido di metallo con una sola parete e di forma sferica sotto una condizione ambientale, sfruttando il metabolismo batterico. Nella glicolisi batterica, un processo chimico che metabolizza fonti di carbonio, come glucosio e lattosio, fonti di carbonio sono considerati essere l'origine del potere riducente generato in esso. Abbiamo manipolato metabolismo batterico regolando la concentrazione di fonti di carbonio per raggiungere il fine desiderato. Questo metodo è favorevole all'ambiente, usando gli agenti non tossici e che consumano molto meno energia elettrica di potenza. Infine, questo metodo consente la produzione di massa di microcapsule semplicemente aumentando il volume di brodo.

Prima del metodo, ci sono stati un altro due metodi che utilizzano il metabolismo batterico per rendere minerali: biologicamente indotta mineralizzazione (BIM)¹⁷ e biologicamente controllato mineralizzazione (BCM)¹⁸. BIM, né BCM può essere utilizzato per la fabbricazione di sodio tungstato e molibdato di microcapsule di tungstato come nostro processo, che è designato come l' escrezione batterica minerale (BME)¹⁹. In questo esperimento, la forma di microcapsule può essere controllata per avere un rapporto di lunghezza e diametro da 10:1 a 1:1, e le dimensioni delle nanoparticelle grani che formano i gusci possono essere regolati da 15 nm a 110 nm.

Attenzione: Utilizzare guanti in lattice, occhiali protettivi e un camice da laboratorio per eseguire l'esperimento. Quando si utilizza il gabinetto di biosicurezza, accendere il ventilatore e mantenere lo sportello socchiuso.

1. preparazione delle perle di vetro

1. Posto 100 branelli di vetro di 3 mm di diametro in una bottiglia da 100 mL laboratorio e quindi il richiudere ermeticamente.
2. Autoclave il contenuto a 120 ° C per 10 min.
3. Lasciare la bottiglia per raffreddare a temperatura ambiente, quindi inserirlo nella biosicurezza armadietto.

2. preparazione del brodo Lisogenesi (LB)

1. Sciogliere la polvere di 8 g di brodo LB-Lennox in una bottiglia di 500 mL laboratorio con 400 mL di acqua.
2. Mescolare il contenuto con una barra di agitazione magnetica di PTFE per 20 min e quindi il richiudere ermeticamente.
3. Autoclave il contenuto a 120 ° C per 10 min.
4. Lasciare agire la soluzione per raffreddare a temperatura ambiente e inserirlo nella biosicurezza armadietto.
5. Utilizzando una pipetta, aliquota il brodo in otto provette da 15 mL Centrifuga nella cappa di biosicurezza (12,5 mL ciascuno).
6. Aliquotare il restante brodo in tre bottiglie da 100 mL laboratorio nella cappa di biosicurezza (100 mL ciascuno). Richiudere ermeticamente le tre bottiglie. Tenerli nella biosicurezza armadietto.

3. cultura di Shewanella alghe

1. Utilizzare il ceppo crioconservato surgelato.
2. La cappa di biosicurezza, scegliere 1 mL di materiale congelato dal tubo congelato con una spatola di acciaio inox e posizionarlo in una provetta da centrifuga preparata al punto 3.5.
3. Incubare le colture per 24 h in un incubatore a 37 ° C.

4. preparazione delle capsule di Petri di LB-Lennox (brodo con Agar)

1. Sciogliere due compresse di LB-Lennox (brodo con agar) in una bottiglia da 100 mL laboratorio con 100 mL di acqua.
2. Mescolare il contenuto con una barra di agitazione magnetica di PTFE per 20 min e poi il richiudere ermeticamente.
3. Autoclave il contenuto a 120 ° C per 10 min.
4. La cappa di biosicurezza, aliquota a mano 100 mL di soluzione in 4 capsule di Petri, garantendo ogni ricevere ~ 25 mL. Lasciare agire la soluzione per raffreddare a temperatura ambiente.

5. preparazione di batteri monoclonali

1. Nella cappa di biosicurezza, etichettare le tre bottiglie preparate al punto 2.6, #1, #2 e #3, rispettivamente.
2. Pipettare 0,1 mL di sospensione batterica risultante nel passaggio 3.3 nella bottiglia #1. Tappare la bottiglia e abbassarla a mano per 1 minuto ottenere una soluzione omogenea.
3. Pipettare 0,1 mL di liquido batterico risultante nel passaggio 5.2 nella bottiglia #2. Tappare la bottiglia e abbassarla a mano per 1 minuto ottenere una soluzione omogenea.
4. Pipettare 0,1 mL di liquido batterico risultante nel passaggio 5.3 nella bottiglia #3. Ricopra la bottiglia e agitare a mano per 1 minuto ottenere una soluzione omogenea.
5. Dispensare il liquido in bottiglia #3 nei 4 piatti Petri preparata al punto 4.4, utilizzando un volume di 0,02 mL ciascuno.
6. Mettere le perline di vetro preparate al punto 1.3 nei 4 piatti Petri usato, 4 perle in ogni piatto.
7. Chiudere i coperchi dei piatti Petri e agitare loro a mano per 1 min.
8. Capovolgere le piastre di Petri e incubare in un incubatore a 37 ° C per 24 h.

6. la moltiplicazione dei batteri monoclonale

1. Fetch 7 tubi preparate al punto 2.5.
2. Scegli i batteri monoclonali risultanti dalle 4 capsule di Petri preparata al punto 5.8 con una spatola in acciaio inox e metterle in 7 tubi separatamente.
3. Lasciare i 7 tubi in un incubatore a 37 ° C per 24 h.
4. Scegli quello con la dispersione della luce più grande utilizzando il metodo colorimetrico visual.

7. preparazione di brodo LB-Lennox con glucosio e sale

1. Mettere 10 g di brodo LB-Lennox, 10 g di NaCl e 10 g di glucosio in una bottiglia di 500 mL laboratorio. Aggiungere acqua fino a quando il volume raggiunge 450 mL.
2. Mescolare il contenuto con una barra di agitazione magnetica di PTFE per 20 min.
3. Autoclave il contenuto a 120 ° C per 10 min.

8. preparazione di tungstato di sodio

1. Mettere 16,5 g di sodio tungstato Na₂WO₄.2h₂O in una bottiglia da 100 mL laboratorio con una spatola di acciaio inox. Aggiungere acqua fino a quando il volume raggiunge 50 mL.
2. Mescolare il contenuto con una barra di agitazione magnetica di PTFE per 20 min.
3. Autoclave il contenuto a 120 ° C per 10 min.
4. Nella cappa di biosicurezza, ottenere filtrato attraverso un filtro in fibra di vetro vuoto con pori di 1 µm.

9. preparazione di LB con glucosio, sale e il tungstato di sodio

1. Nella cappa di biosicurezza, versare il filtrato acquisito nel passaggio 8,4 a mano nella soluzione con glucosio e sale preparata al punto 7.3.
2. Nel gabinetto di biosicurezza, aliquota con una pipetta il 500 mL di soluzione risultante nel passaggio 9.1 in provette da centrifuga 10 x 50 mL.

10. la cultura dei batteri

1. Nella cappa di biosicurezza, recuperare il liquido preparato nel passaggio 6,4 e aliquota con una pipetta in 10 provette preparate al punto 9.2, con ogni tubo ricezione di 0,05 mL.
2. Incubare le 10 provette in un incubatore a 37 ° C per 120 ore.

11. raccolta di minerali BME

1. Ultrasonicate ciascuna delle 10 provette nel passaggio da 9.2 a 20 KHz con 150 W per 1 h.
2. Centrifugare le provette a 2.025 x g per 1 h.
3. Rimuovere il liquido chiaro nei tubi con una pipetta, aggiungere acqua e quindi ripetere i passaggi 11.1 e 11.2 ancora una volta.
4. Rimuovere il liquido chiaro nei tubi con una pipetta, aggiungere l'alcool e poi li ultrasonicate a 20 KHz con 150 W per 1 h.
5. Centrifugare le provette a 2.025 x g per 1 h.
6. Ripetere i passaggi da 11.4 e 11.5 ancora una volta
7. Raccogliere minerali BME rimuovendo il liquido chiaro nei tubi con una pipetta; in seguito, immediatamente cap i tubi senza eseguire alcun processo di essiccazione.

12. d'oscillazione di temperatura con SP. Pandoraea e molibdato

1. Cultura Pandoraea SP. nello stesso modo come nei passaggi 2, 3, 4, 5 e 6 per le alghe Shewanella. Il risultato di questa fase corrisponde a quella del punto 6.4.
2. Fare libbra di brodo con sale e del glucosio nello stesso modo come in passaggi 7, 8 e 9, tranne che il 16,5 g di tungstato di sodio nel passaggio 7.1 viene sostituito con 12 g di molibdato di sodio, Na₂MoO₄ · 2H₂O. Il risultato di questa fase corrisponde a quella del punto 9.2.
3. Nella cappa di biosicurezza, recupero liquido preparato nel passaggio 12.1 e aliquota con una pipetta nelle 10 provette preparata al punto 12.2, con ogni tubo ricevente 0,05 mL.
4. Incubare le 10 provette nel passaggio 12.3 sotto temperature oscillanti per 120 ore in un reciproco scuotendo la vasca, la temperatura 5 volte tra 25 ° C e 37 ° C, con ogni temperatura dura per 12 h di oscillazione.

La figura 1 Mostra genuini microcapsule sferiche. Entrambi i due ceppi del batterio, Shewanella alghe e Pandoraea sp., originalmente hanno un rapporto di lunghezza e diametro di 3:1. Per raggiungere il rapporto di lunghezza e diametro di 1:1, un'alta concentrazione (> 100 mM) di oxyanions di metalli pesanti è necessario. Una concentrazione bassa (< 5 mM) di oxyanions pesanti può causare una lunghezza al rapporto del diametro di 10:1, come che in Figura 2, che può derivare dall'afflusso di oxyanions pesanti, bloccando la fissione binaria dei batteri. Infine, per il conseguimento di un rapporto di lunghezza e diametro di 3:1, come quello in Figura 3, è necessaria una concentrazione media (~ 20 mM) di oxyanions pesanti. La formazione di gusci di forma sferiche, con un rapporto di lunghezza e diametro di 1:1, possa essere causata dall'unità batteriche che si fanno ridurre la loro area di superficie per bilanciare l'assunzione di oxyanions pesanti diffondendo oxyanions pesanti attraverso la membrana cellulare. Le tre figure insieme indicano che il rapporto tra lunghezza e diametro può essere sintonizzato da 10:1 a 1:1 semplicemente regolando la concentrazione di oxyanions pesanti.

Figura 4 e Figura 5 Visualizza nanoparticella grani di molibdato di sodio in diverse dimensioni: quella più piccola 15 nm e il più grande un 110 nm. Si noti che nella Figura 5, i bossoli non in frantumi, particelle di 110 nm possono ancora essere incatenata a vicenda, formando conchiglie porosi. Quello più grande è stata acquisita attraverso oscillante la temperatura del brodo coltura 5 volte tra 25 ° C e 37 ° C, con ogni temperatura dura per 12 h. Durante l'oscillazione di temperatura, granuli di diverse dimensioni non possono essere solo prodotti ma anche mantenere la struttura micro-sferica, che significa che possiamo fare microcapsule con diverse granulometrie, da 15 nm a 110 nm, solo controllando la temperatura del brodo .

Figura 6 Mostra il muro rotto con grani più grandi stare accanto all'apertura della parete. Lo spessore della parete è di circa 22 nm e il grano più grande è di circa 40-60 nm. La differenza di dimensioni può derivare da diversi processi metabolici, che non sono ancora identificati.

Figura 1: immagine SEM The hollow conchiglie sferiche con un rapporto di lunghezza e diametro di 1:1. Questa struttura è stata fatta di tungstato di sodio escreto dalle alghe di Shewanella con glucosio come fonte di carbonio. Ristampato con il permesso da ECS J. di sci di stato solido e Tech., 6, paragrafo 3, N3113 (2017). Copyright 2017, la società elettrochimica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: immagine SEM i gusci vuoti lungo filamento con un rapporto di lunghezza e diametro di 10:1. Questa struttura è stata fatta di molibdato di sodio escreta dai SP. Pandoraea con glucosio come fonte di carbonio. Ristampato con il permesso da ECS J. di sci di stato solido e Tech., 6, paragrafo 3, N3113 (2017). Copyright 2017, la società elettrochimica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: immagine di SEM The di conchiglie rotte Cave a forma di bastoncino con un rapporto di lunghezza e diametro di 3:1. Questa struttura è stata fatta di tungstato di sodio escreto dalle alghe di Shewanella con glucosio come fonte di carbonio. Ristampato con il permesso da ECS J. di sci di stato solido e Tech., 6, paragrafo 3, N3113 (2017). Copyright 2017, la società elettrochimica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: immagine di SEM The di conchiglie di molibdato di sodio in frantumi con una dimensione delle particelle di grano di 15 nm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: immagine di SEM The di conchiglie di molibdato di sodio in frantumi e non in frantumi con una dimensione delle particelle di grano di 110 nm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: immagine di SEM The di conchiglie rotte Cave con un rapporto di lunghezza e diametro di 1:1. Questa struttura è stata fatta di tungstato di sodio escreto dalle alghe di Shewanella con glucosio come fonte di carbonio. Granuli con una dimensione di circa 40-60 nm appendere il guscio esterno proprio accanto a un grande buco, mentre la shell stessa è costituita da granuli con una dimensione di circa 22 nm. Ristampato con il permesso da ECS J. di sci di stato solido e Tech., 6, paragrafo 3, N3113 (2017). Copyright 2017, la società elettrochimica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Per quanto riguarda l'autoconsistenza dei risultati sperimentali, la preparazione e la moltiplicazione dei batteri monoclonali sono critici. Questo esperimento, diverso dal modello sintesi esperimenti^15,16, impiegato bioattivi batteri gram-negativi. Per ottenere una singola parete, abbiamo scelto procariotici batteri invece di batteri eucarioti come lievito¹⁵. Per ottenere una forma sferica con un rapporto di lunghezza e diametro di 1:1, invece di un più grande rapporto tra lunghezza e diametro¹⁶, abbiamo alimentato batteri con una concentrazione molto alta di oxyanions pesanti per manipolarle a restringersi in una forma sferica, rendendo microcapsule con un muro singolo, rotondo e sottile (< 30 nm).

Poiché il BME si basa principalmente sulla regolazione della concentrazione di oxyanions pesanti per controllare il metabolismo dei batteri, è dotato di due limitazioni. In primo luogo, la concentrazione di oxyanions pesanti è limitata dalla solubilità, anche se la concentrazione dovrebbe essere alta come possibile. In secondo luogo, più batterici metabolismi si fermerà a temperature superiori a 45 ° C o sotto 5 ° C, rispettivamente superiore e i limiti inferiori del nostro esperimento.

Nonostante questi due limiti, il BME ha un grande potenziale per la fabbricazione di materiali di ossido di metallo di interesse pratico. Per suffragare questa affermazione, ci accingiamo a provare questo metodo per rendere microcapsule di zirconio e microcapsule di ferro — il primo è un buon candidato materiale per ossa artificiali e quest'ultimo per la consegna della droga.

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Questo lavoro è sostenuto dal Ministero della scienza e della tecnologia, Taiwan, Repubblica di Cina, concedere sotto numero più 105-2221-E-011-008, e anche da avanzate-Connectek Inc., Taipei, Taiwan, ROC sotto contratto numero RD Rif. n. 6749 e Dept. Rif. n. 011 attraverso il Graduata Istituto di ingegneria elettro-ottici, National Taiwan University of Science e tecnologia.