توليف تنغستات الصوديوم والصوديوم موليبدات كبسولات رقيقة جداً عن طريق إفراز المعدنية البكتيرية

Summary

ويعرض هذا العمل وضع بروتوكول لصنع الصوديوم تنغستات والصوديوم موليبدات كبسولات رقيقة جداً عن طريق البكتيريا وعلى جسيمات نانوية المقابلة.

Abstract

نقدم أسلوب, إفراز المعدنية البكتيرية (BME)، للتوليف بين نوعين من كبسولات رقيقة جداً تنغستات الصوديوم وموليبدات الصوديوم والمقابلة جسيمات نانوية أكاسيد معدنية اثنين – السابق يجري صغيرة ك 22 نانومتر و 15 الأخيرة شمال البحر الأبيض المتوسط. نحن تغذية سلالات اثنين من البكتيريا، و الطحالب شيوانيلا و باندورايا sp.، بتركيزات مختلفة من أيونات تنغستات أو موليبدات. تم تعديل تركيزات تنغستات وموليبدات جعل كبسولات رقيقة جداً نسب مختلفة الطول إلى القطر. وجدنا أن ارتفاع تركيز كانت أصغر جسيمات نانوية. جسيمات نانوية جاء مع ثلاث نسب الطول إلى القطر: 10:1، 3:1 و 1:1، الذي تم تحقيقه عن طريق تغذية البكتيريا على التوالي مع تركيز منخفضة وتركيز متوسط تركيزات عالية. وأخذت صور كبسولات رقيقة جداً جوفاء عبر ميكروسفيري إلكترون المسح (SEM). تم التحقق من هياكلها كريستال من حيود الأشعة السينية (XRD) – هيكل الكريستال موليبدات كبسولات رقيقة جداً نا₂مو₄ وهو من كبسولات رقيقة جداً تنغستات Na₂WO₄ مع نا₂ث₂س₇. وقد أنجزت هذه التوليفات جميع تحت شرط المحيط قريب.

Introduction

جسيمات نانوية أكسيد المعدن استغلالاً ل إيصال المخدرات¹، البناء العظام الاصطناعية²، الحفز غير المتجانس³، الانبعاث الحقل^4،5، الخلايا الشمسية⁶، وأجهزة استشعار الغاز⁷، و بطاريات الليثيوم⁸. للتطبيقات العملية، القوة الميكانيكية نانوكريستالس والمجهرية على بالغ الأهمية. بين المجهرية، يمكن استخدام هياكل جوفاء شل لإنشاء مواد خفيفة الوزن وقوية ميكانيكيا⁹. بين هياكل شل جوفاء، وشكل كروي يعرف بأنه أكثر تشدداً مما شكل بيضاوي؛ هذا الأخير بنسبة الطول إلى القطر أكبر من السابق^10،11. ويصف هذا العمل وضع بروتوكول لتوليف كروية كبسولات رقيقة جداً عن طريق البكتيريا بطريقة غير سامة تحت شرط المحيطة، الأمر الذي يتناقض مع الأساليب البديلة، بما في ذلك أسلوب قالب التوليف¹²، أسلوب توليف رذاذ المدعوم بالموجات فوق الصوتية¹³ واﻷسلوب الحرارية المائية¹⁴. بعض الأساليب البديلة تتطلب قوالب¹²، بعض درجة حرارة عالية 500 درجة مئوية¹³، وبعض الضغط عالي¹⁴. أما بالنسبة لهيكل الناتج، يجمع قالب التوليف أسلوب استخدام قالب الخميرة حول بنية الأساسية-شل¹⁵، بدلاً من يوم واحد مع جدار واحد، وواحد استخدام القالب كولاي تنتج بنية مع نسبة الطول إلى القطر من 1.7:0.8، وليست كروية. ¹⁶.

في هذا العمل، قمنا بأكسيد معدني كبسولات رقيقة جداً مع جدار واحد وكروية الشكل تحت شرط المحيطة باستغلال الأيض البكتيرية. في البكتيريا تحلل، عملية كيميائية يؤيض مصادر الكربون، مثل الجلوكوز واللاكتوز، تعتبر مصادر الكربون الأصل لتقليل الطاقة المولدة فيه. نحن التلاعب الأيض البكتيرية عن طريق ضبط تركيز مصادر الكربون لتحقيق الغايات المنشودة. هذا الأسلوب الصديق للبيئة، استخدام وكلاء غير سامة، وتستهلك طاقة الكهرباء أقل بكثير. وأخيراً، يسمح هذا الأسلوب الإنتاج الضخم من كبسولات رقيقة جداً ببساطة عن طريق زيادة حجم مرق.

قبل الأسلوب، كانت هناك طريقتين آخر استخدام التمثيل الغذائي الجرثومي لجعل المعادن: بيولوجيا التي يسببها التمعدن (BIM)¹⁷ وتمعدن بيولوجيا الخاضعة للرقابة (بليون متر مكعب)¹⁸. يم لا بليون متر مكعب يمكن استخدامها لصنع الصوديوم كبسولات تنغستات وموليبدات رقيقة تنغستات جداً مثل عمليتنا، التي اعتبرت بمثابة الإفراز المعدنية البكتيرية (BME)¹⁹. في هذه التجربة، يمكن التحكم في شكل كبسولات رقيقة جداً أن يكون نسبة الطول إلى القطر من 10:1 إلى 1:1، وحجم نانوحبيبات الحبوب هذا النموذج يمكن تعديلها القذائف تتراوح بين 15 نانومتر إلى 110 نيوتن متر.

Protocol

تحذير: استخدام قفازات مطاط والنظارات الواقية، ومعطف مختبر لإجراء التجربة. كلما استخدام مجلس الوزراء السلامة الأحيائية، بتشغيل المروحة مجلس الوزراء وإبقاء الباب مجلس الوزراء نصف مغلقة.

1-إعداد حبات الزجاج

1. 100 مكان الزجاج الخرز قطرها 3 مم في زجاجة 100 مل مختبرية، وثم في آب فإنه محكم.
2. اﻷوتوكﻻف المحتويات على 120 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
3. ترك الزجاجة ليبرد لدرجة حرارة الغرفة، ثم ضعه في السلامة الأحيائية مجلس الوزراء.

2-إعداد مرق ليسوجيني (رطل)

1. حل ز 8 مسحوق مرق LB-لينوكس في زجاجة مختبر 500 مل مع 400 مل الماء.
2. يقلب المحتويات مع شريط PTFE إثارة مغناطيسية لمدة 20 دقيقة ومن ثم كاب أنه محكم.
3. اﻷوتوكﻻف المحتويات على 120 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
4. اترك الحل ليبرد لدرجة حرارة الغرفة ثم ضعه في السلامة الأحيائية مجلس الوزراء.
5. باستخدام المرق ماصة، الكوة إلى ثمانية أنابيب الطرد المركزي 15 مل في السلامة الأحيائية مجلس الوزراء (12.5 مل في كل).
6. قاسمة المرق المتبقي في ثلاث زجاجات 100 مل المختبر في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء (100 مل في كل). كاب ثلاث زجاجات محكم. الاحتفاظ بها في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء.

3-الثقافة من الطحالب شيوانيلا

1. استخدام سلالة كريوبريسيرفيد ديبفروزين.
2. في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء، اقتطاف 1 مل المواد المجمدة من أنبوب المجمدة مع ملعقة الفولاذ المقاوم للصدأ، ووضعه في أنبوب الطرد مركزي إعدادها في الخطوة 3، 5.
3. احتضان الثقافات ح 24 في حاضنة 37 درجة مئوية.

4-إعداد أطباق بيتري رطل-لينوكس (مرق مع أجار)

1. حل قرصين من رطل-لينوكس (مرق مع أجار) في زجاجة 100 مل مختبر مع 100 مل الماء.
2. تحريك المحتويات مع شريط PTFE إثارة مغناطيسية لمدة 20 دقيقة وثم كاب أنه محكم.
3. اﻷوتوكﻻف المحتويات على 120 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
4. في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء، تلقي قاسمة يد 100 مل من محلول في 4 أطباق بيتري، ضمان كل ~ 25 مل. اترك الحل ليبرد لدرجة حرارة الغرفة.

5-إعداد البكتيريا [مونوكلونل]

1. في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء، قم بتسمية ثلاث زجاجات إعدادها في الخطوة 2.6، #1 و #2 و #3، على التوالي.
2. "الماصة؛" 0.1 مل تعليق البكتيرية الناتجة في الخطوة 3، 3 في زجاجة #1. كاب الزجاجة والبديل باليد لمدة 1 دقيقة الحصول على حل متجانسة.
3. "الماصة؛" 0.1 مل سائل البكتيرية الناتجة في الخطوة 5، 2 إلى زجاجة #2. كاب الزجاجة والبديل باليد لمدة 1 دقيقة الحصول على حل متجانسة.
4. "الماصة؛" 0.1 مل سائل البكتيرية الناتجة في الخطوة 5، 3 في زجاجة #3. كاب الزجاجة والتخلص منه باليد لمدة 1 دقيقة الحصول على حل متجانسة.
5. "الماصة؛" السائل في زجاجة #3 إلى 4 أطباق بيتري إعدادها في الخطوة 4، 4، استخدام وحدة تخزين لكل 0.02 مل.
6. وضع الخرز الزجاج إعدادها في الخطوة 1، 3 إلى 4 بيتري الأطباق المستخدمة، 4 حبات في كل طبق.
7. أغلق أغطية أطباق بتري ويهز لهم باليد لمدة 1 دقيقة.
8. اقلب الأطباق بيتري واحتضان في حاضنة 37 درجة مئوية أجل ح 24.

6-تكاثر البكتيريا [مونوكلونل]

1. إحضار أنابيب 7 إعدادها في الخطوة 2، 5.
2. اقتطاف البكتيريا [مونوكلونل] الناتجة من أطباق بيتري 4 إعداد في الخطوة 5، 8 مع الفولاذ المقاوم للصدأ-ملعقة، ووضعها في أنابيب 7 بشكل منفصل.
3. ترك أنابيب 7 في حاضنة 37 درجة مئوية أجل ح 24.
4. اختيار واحد مع بعثرة خفيفة أكبر استخدام الطريقة اللونية البصرية.

7-إعداد مرق LB-لينوكس مع السكر والملح

1. وضع 10 جرام مرق LB-لينوكس و 10 غم من كلوريد الصوديوم 10 جرام من الجلوكوز في زجاجة مختبر 500 مل. أضف الماء حتى تصل إلى الحجم 450 مل.
2. تحريك المحتويات مع شريط PTFE إثارة مغناطيسية لمدة 20 دقيقة.
3. اﻷوتوكﻻف المحتويات على 120 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.

8-إعداد تنغستات الصوديوم

1. وضع ز 16.5 تنغستات الصوديوم Na₂WO₄.2H₂س في زجاجة 100 مل مختبر مع ملعقة الفولاذ المقاوم للصدأ. أضف الماء حتى تصل إلى الحجم 50 مل.
2. تحريك المحتويات مع شريط PTFE إثارة مغناطيسية لمدة 20 دقيقة.
3. اﻷوتوكﻻف المحتويات على 120 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
4. في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء، الحصول على فيلتراتي عن طريق عامل تصفية الألياف الزجاجية فراغ مع المسام من 1 ميكرومتر.

9-إعداد رطل مع السكر والملح وتنغستات الصوديوم

1. في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء، من أجل filtrate المكتسبة في خطوة 8.4 باليد إلى الحل مع السكر والملح إعدادها في الخطوة 7، 3.
2. في السلامة الأحيائية مجلس الوزراء، الكوة مع ماصة 500 مل الحل الناتجة في الخطوة 9، 1 إلى 10 × 50 مل أنابيب الطرد المركزي.

10-الثقافة للبكتيريا

1. في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء، إحضار السائل إعداده في الخطوة 6، 4 والكوة مع ماصة في أنابيب الاختبار 10 إعداد في الخطوة 9، 2، مع كل أنبوبة تلقي 0.05 مل.
2. احتضان هذه الأنابيب 10 في حاضنة 37 درجة مئوية أجل ح 120.

11-حصاد معادن BME

1. أولتراسونيكاتي كل من الأنابيب 10 في الخطوة 9.2 في 20 كيلو هرتز مع 150 ث عن ح 1.
2. الطرد المركزي هذه الأنابيب في 2,025 س ز ح 1.
3. إزالة السائل واضحة في الأنابيب مع ماصة وإضافة الماء ثم كرر الخطوات 11-1 و 11.2 مرة أخرى.
4. إزالة السائل واضحة في الأنابيب مع ماصة، إضافة الكحول، وثم أولتراسونيكاتي في 20 كيلو هرتز مع 150 ث عن ح 1.
5. الطرد المركزي هذه الأنابيب في 2,025 س ز ح 1.
6. كرر الخطوتين 11.4 و 11.5 مرة أخرى
7. الحصاد BME المعادن عن طريق إزالة السائل واضحة في الأنابيب مع ماصة؛ وبعد ذلك مباشرة كاب الأنابيب دون تشغيل أي عملية التجفيف.

12-تذبذب درجة الحرارة مع باندورا sp. وموليبدات

1. الثقافة sp. باندورايا بنفس الطريقة كما هو الحال في الخطوات 2 و 3، 4، 5 و 6 الطحالب شيوانيلا. يتوافق مع نتيجة لهذه الخطوة بخطوة 6.4.
2. جعل مرق LB مع السكر والملح بنفس الطريقة كما هو الحال في الخطوات 7 و 8 و 9، فيما عدا أنه يتم استبدال ز 16.5 من تنغستات الصوديوم في الخطوة 7، 1 مع 12 غراما موليبدات الصوديوم، غ₂مو₄ · 2 ح₂o. يتوافق مع نتيجة لهذه الخطوة بخطوة 9.2.
3. في مجال السلامة الأحيائية مجلس الوزراء، جلب إعداد السائل في خطوة 12.1، واليكووت مع ماصة في أنابيب 10 إعداد في الخطوة 12-2، مع كل أنبوب مل 0.05 المستقبلة.
4. احتضان هذه الأنابيب 10 في خطوة 12.3 تحت درجات الحرارة تتأرجح على ح 120 متبادلة الهز حمام، تتأرجح درجة الحرارة 5 مرات بين 25 درجة مئوية و 37 درجة مئوية، مع كل درجة حرارة دائمة ح 12.

النتائج

ويبين الشكل 1 كبسولات رقيقة جداً كروية حقيقية. كلا السلالات اثنين من البكتيريا، الطحالب شيوانيلا و باندورا sp.، أصلاً بنسبة طول إلى قطر 3:1. لتحقيق نسبة الطول إلى القطر من 1:1، تركيزات عالية (> 100 ملم) من المعادن أوكسيانيونس مطلوب. بتركيز منخفض (< 5 مم) من أوكسيانيونس يمكن أن ينتج بطول قطرها نسبة 10:1، كما أن في الشكل 2، التي قد تنجم عن تدفق أوكسيانيونس، حظر الأنشطار الثنائي في البكتيريا. وأخيراً، لتحقيق نسبة طول إلى قطر 3:1، مثل ذلك في الشكل 3، مطلوب تركيز متوسطة (~ 20 ملم) من أوكسيانيونس. وقد أحدثت تشكيل قذائف كروية، مع نسبة الطول إلى القطر من 1:1، بمحركات البكتيرية التي تجعل نفسها تقليص تلك المساحة السطحية لتحقيق التوازن بين كمية أوكسيانيونس أثناء نزع فتيل أوكسيانيونس عبر غشاء الخلية. وتشير الأرقام الثلاثة معا إلى نسبة الطول إلى القطر يمكن ضبطها لمن 10:1 إلى 1:1 ببساطة عن طريق ضبط تركيز أوكسيانيونس.

إظهار رقم 4 و رقم 5 نانوحبيبات الحبوب من موليبدات الصوديوم في أحجام مختلفة: أصغر واحد يجري 15 شمال البحر الأبيض المتوسط، وشمال البحر الأبيض المتوسط 110 واحد أكبر. علما بأن ما زال في الشكل 5، على القذائف غير محطمة، الجسيمات من 110 شمال البحر الأبيض المتوسط يمكن أن تكون بالسلاسل إلى بعضها البعض، تشكيل قذائف المسامية. اكتسبت أكبر واحد عن طريق تذبذب درجة حرارة المرق تثقيف 5 مرات بين 25 درجة مئوية و 37 درجة مئوية، مع كل درجة حرارة دائمة ح 12. خلال التذبذب درجة الحرارة، لا يمكن إلا أن تنتج الحبوب بأحجام مختلفة لكن أيضا الإبقاء على الهيكل الجزئي كروية، مما يعني أننا يمكن أن تجعل كبسولات رقيقة جداً مع أحجام مختلفة من الحبوب، من 15 نانومتر إلى 110 نيوتن متر، فقط عن طريق التحكم في درجة الحرارة مرق .

ويبين الشكل 6 كسر الجدار مع الحبوب أكبر البقاء إلى جانب افتتاح الجدار. سمك الجدار هو حوالي 22 نانومتر والحبوب الأكبر عن 40-60 شمال البحر الأبيض المتوسط. قد يؤدي الاختلاف في الحجم من العمليات الأيضية المختلفة، التي لم تحدد بعد.

رقم 1: صورة SEM قذائف كروي مجوف مع نسبة الطول إلى القطر من 1:1. وقدم هذا الهيكل من تنغستات الصوديوم تفرز الطحالب شيوانيلا مع السكر كمصدر للكربون. طبع بإذن من جيه ECS الصلبة الدولة عشر وفني، 6 (3)، N3113 (2017). حقوق الطبع والنشر عام 2017، بمجتمع الكهروكيميائية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

رقم 2: "وزارة شؤون المرأة" صورة قذائف خيوط طويلة جوفاء بنسبة الطول إلى القطر 10:1- وقدم هذا الهيكل من موليبدات الصوديوم تفرز قبل sp. باندورايا مع السكر كمصدر للكربون. طبع بإذن من جيه ECS الصلبة الدولة عشر وفني، 6 (3)، N3113 (2017). حقوق الطبع والنشر عام 2017، بمجتمع الكهروكيميائية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 3: SEM صورة كسر قذائف على شكل قضيب أجوف بنسبة طول إلى قطر 3:1- وقدم هذا الهيكل من تنغستات الصوديوم تفرز الطحالب شيوانيلا مع السكر كمصدر للكربون. طبع بإذن من جيه ECS الصلبة الدولة عشر وفني، 6 (3)، N3113 (2017). حقوق الطبع والنشر عام 2017، بمجتمع الكهروكيميائية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

رقم 4: صورة SEM قذائف موليبدات الصوديوم محطمة مع حجم جسيمات الحبوب 15 نانومتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

رقم 5: صورة SEM قذائف موليبدات الصوديوم محطمة وغير محطمة مع حجم جسيمات الحبوب من 110 نانومتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

رقم 6: صورة SEM قذائف أجوف مكسورة مع نسبة الطول إلى القطر من 1:1. وقدم هذا الهيكل من تنغستات الصوديوم تفرز الطحالب شيوانيلا مع السكر كمصدر للكربون. حبيبات بحجم حول 40-60 نانومتر شنق خارج shell حق القادم إلى حفرة كبيرة، بينما شل نفسه مصنوع من حبيبات بحجم حوالي 22 نانومتر. طبع بإذن من جيه ECS الصلبة الدولة عشر وفني، 6 (3)، N3113 (2017). حقوق الطبع والنشر عام 2017، بمجتمع الكهروكيميائية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

المتمتعة بالحكم الذاتي-اتساق النتائج التجريبية، وفيما يتعلق بإعداد وتكاثر البكتيريا [مونوكلونل] الحاسمة. هذه التجربة، تختلف عن قالب التوليف تجارب^15،16، استخدمت البكتيريا سلبية الغرام النشطة بيولوجيا. للحصول على جدار واحد، اخترنا بكتيريا بدائية بدلاً من البكتيريا حقيقية النواة مثل الخميرة¹⁵. لتحقيق شكل كروي مع نسبة الطول إلى القطر من 1:1، بدلاً من نسبة الطول إلى القطر أكبر¹⁶، نحن تغذية البكتيريا مع تركيز أعلى كثيرا من أوكسيانيونس التلاعب بها يتقلص إلى شكل كروي، صنع كبسولات رقيقة جداً مع جدار واحد، الجولة، ورقيقة (< 30 نانومتر).

نظراً BME أساسا يعتمد على ضبط تركيز أوكسيانيونس للتحكم في التمثيل الغذائي للبكتيريا، يمتاز بقيود اثنين. أولاً، يقتصر تركيز أوكسيانيونس الذوبان، على الرغم من التركيز ينبغي أن يكون على أعلى مستوى ممكن. سوف تتوقف الأيض أكثر البكتيرية، والثانية في درجة حرارة أكثر من 45 درجة مئوية أو تحت 5 درجة مئوية على التوالي العليا وحدود أقل من تجربتنا.

وعلى الرغم من هذه القيود، فهما BME إمكانات كبيرة لصنع مواد أكسيد المعدن من الفائدة العملية. لإثبات هذا الادعاء، نحن بصدد محاولة هذا الأسلوب جعل الزركونيوم كبسولات رقيقة جداً والحديد كبسولات رقيقة جداً – السابق يجري مرشح جيد المواد الاصطناعية العظام، وهذا الأخير لإيصال الأدوية.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
LB(Lennox)broth with agar tablets	Sigma-Aldrich	L7075	1 tablet for 50 mL broth with agar
LB (Lennox) broth	Sigma-Aldrich	L3022-1KG	LB (Lennox) powder 1 kg
Dextrose anhydrous	Nihon Shiyaku Reagent	PL 78695	glucose
Sodium Tungstate	Nihon Shiyaku Reagent	PL 76050	Na2WO4 · 2H2O
Sodium Molybdate	Nihon Shiyaku Reagent	PL103564	Na2MoO4 · 2H2O
Sodium Chloride	Nihon Shiyaku Reagent	PL 68131	NaCl
Ethanol 99.5%	Acros organics	AC615090040	CH3CH2OH
Water	Made in our university		de-ionlized water
Autoclave	Tomin Medical Equipmenco, Ltd., Taipei City, Taiwan, ROC	TM-329	heat to 120 °C for 10 min
Centrifuge	Digit System Laboratory System, New Taipei City, Taiwan, ROC	DSC302SD	centrifuge at 2025 x g
-80 °C Refrigerator	Panasonic	MDF-U3386S	Use to deep-freeze cryopreserve strain
Ultrasonic Homogenizer Sonicator Processor Cell Disruptor	Lenox	UPS-150	frequency 20 KHz power 150 W
Incubator	Customer made	custom made	heat to 40 °C or cool to 18 °C with time cotrol
Reciprocal shaking baths	Kingtech Scientific Co., Ltd	WBS-L
Digital Stirring Hot Plate	Corning	#6797-620D	use with PTFE magnetic stirring bar
Biosafety cabinet	Zong Yen co., LTD	ZYBH-420	All bacteria related process are done here
Scanning electron microscope	JEOL	JSM-6500F	SEM Images
50 mL centrifudge tube	Falcon	14-432-22
15 mL centrifudge tube	Falcon	14-959-53A
Laboratory bottle 100 mL	Duran	21 801 24 5
Laboratory bottle 500 mL	Duran	21 801 44 5
Stainless steel spatula	Chemglass	CG-1981-10
PTFE Disposable Stir Bars	Fisher	S68066
Plastic Petri Dishes	Fisher	S33580A
Shewanella algae	Courtesy of author #3	Courtesy of author #3
Pandoraea sp.	Courtesy of author #3	Courtesy of author #3