Jardines químicos como flujo continuo Reactores simulación de sistemas hidrotermales Naturales

Resumen

We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.

Resumen

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive “hydrothermal” injections.

Introducción

"Jardines químicos" son precipitados inorgánicos autoensamblables desarrollados donde dos fluidos de químicas contrastantes interactúan ^1,2. Estas estructuras inorgánicas de autoensamblaje han sido objeto de interés científico durante más de un siglo, en parte debido a su apariencia biomimético, y se han interpuesto numerosos estudios experimentales y teóricos para entender los diversos aspectos complejos y las posibles funciones de los sistemas jardín químicos ^3. Ejemplos naturales de jardines químicos incluyen minerales "chimenea" precipitados que crecen alrededor de manantiales hidrotermales y filtraciones, y se ha argumentado que estos podrían proporcionar entornos plausibles para la vida emerja ^4. Para cultivar un jardín química simulando un respiradero hidrotermal chimenea natural, una solución de reserva debe representar una composición océano simulado y una solución de inyección debe representar el fluido hidrotermal que alimenta en el océano. La versatilidad de este tipo of experimento para diferentes sistemas de reacción permite la simulación de casi cualquier química de los fluidos del océano / hidrotermal propuesto, incluyendo ambientes en la Tierra primitiva o en otros mundos. En la Tierra primitiva, los océanos habrían estado anóxico, ácido (pH 5-6), y habría contenido disuelto _CO 2 atmosférico y Fe ^2+, así como Fe ^III, Ni ^2+, Mn ^2+, NO ^3- y NO ^2. Las reacciones químicas entre este agua de mar y la corteza oceánica ultramafic habrían producido un fluido hidrotermal alcalina que contiene hidrógeno y metano, y en algunos casos sulfuro (HS ^{-) 4-8.} Las chimeneas formadas en ambientes de ventilación alcalina tempranas de la Tierra por lo tanto podrían haber contenido oxihidróxidos férricos / ferrosos y sulfuros de hierro / níquel, y se ha propuesto que estos minerales podrían haber servido particulares funciones catalíticas y proto-enzimática hacia el aprovechamiento geoquímicos redox / gradientes de pH para conducir la aparición de Metabolism ^5. Del mismo modo, en otros mundos como el que pueden albergar (o puede haber alojados) de agua / interfaces de roca - como Marte primitivo, la luna de Júpiter, Europa, o la luna de Saturno Encelado - es posible que la química del agua / roca podría generar entornos de ventilación alcalinos capaces de conducción química prebiótica o incluso proporcionar nichos habitables para la vida existente ^5,9-11.

El clásico experimento jardín química implica un cristal de siembra de una sal de metal, por ejemplo, tetrahidrato de cloruro ferroso FeCl ₂ • 4H ₂ O, sumergido en una solución que contiene aniones reactivo, por ejemplo silicato de sodio o "vidrio soluble". La sal se disuelve de metal, creando una solución ácida que contiene ^Fe2 + que interactúa con la solución más alcalina (que contiene aniones de silicato y OH ^{-) y} se forma un precipitado membrana inorgánica. Las olas de membrana bajo presión osmótica, ráfagas, luego re-precipita unt la nueva interfaz de fluido. Este proceso se repite hasta que se disuelven los cristales, lo que resulta en una orientación vertical, la estructura precipitado auto-organizada con una morfología compleja en ambas escalas macro y micro. Este proceso de precipitación resultados en la separación continua de soluciones químicamente contrastantes través de la membrana jardín química inorgánica, y la diferencia de especies cargadas a través de la membrana produce un potencial de membrana ^12-14. Estructuras de jardín Química son complejas, exhibiendo gradientes de composición desde el interior al exterior ^13,15-19, y las paredes de la estructura mantener la separación entre las soluciones contrastadas por períodos largos sin dejar de ser un poco permeable a los iones. Además de ser un experimento ideal para fines educativos (ya que son fáciles de hacer para demostraciones en el aula, y pueden educar a los estudiantes acerca de las reacciones químicas y la auto-organización), jardines químicos tienen importancia científica como representaciones de la auto-assembly en dinámicos sistemas, lejos del equilibrio, que involucra métodos que pueden conducir a la producción de materiales interesantes y útiles ^20,21.

Jardines química en el laboratorio también pueden ser cultivadas a través de métodos de inyección, en el que la solución que contiene un ion precipitando se inyecta lentamente en la segunda solución que contiene el ion (o iones) co-precipitación. Esto resulta en la formación de estructuras de jardín químicas similares a las de los experimentos de crecimiento de cristales, excepto que las propiedades del sistema y el precipitado se pueden controlar mejor. El método de inyección tiene varias ventajas significativas. Le permite a uno para formar un jardín química usando cualquier combinación de precipitantes o incorporados especies, es decir, múltiples iones precipitantes se pueden incorporar en una solución, y / o otros componentes no precipitante puede ser incluido en cualquiera de las soluciones para adsorber / reaccionan con el precipitado . El potencial de membrana generado en un producto químicosistema de jardín se puede medir en un experimento inyección si un electrodo se incorpora en el interior de la estructura, permitiendo así estudio electroquímico del sistema. Experimentos de inyección ofrecen la posibilidad de alimentar la solución de inyección en el interior del jardín química para marcos de tiempo controlados mediante la variación de la velocidad de inyección o el volumen total inyectado; por lo tanto es posible alimentar a través de diferentes soluciones de forma secuencial y utilizar la estructura de precipitado como una trampa o reactor. Combinadas, estas técnicas permiten simulaciones de laboratorio de los complejos procesos que podrían haber ocurrido en un sistema de jardín químico natural en un respiradero hidrotermal submarina, incluyendo una chimenea formado de muchas reacciones de precipitación simultáneas entre el océano y la ventilación de fluido (por ejemplo, la producción de sulfuros, hidróxidos , y / o carbonatos y silicatos) ^5,22. Estas técnicas también se pueden aplicar a cualquier sistema de reacción jardín química para permitir la formación de nuevos tiposde materiales, por ejemplo, tubos de capas o tubos con especies reactivas adsorbidos ^20,23.

Detallamos aquí un experimento de ejemplo que incluye el crecimiento simultáneo de dos jardines químicos, Fe ^{2 + que contienen} estructuras en un ambiente anóxico. En este experimento se incorporaron cantidades traza de polifosfatos y / o aminoácidos en la solución inicial de inyección para observar su efecto sobre la estructura. Después de la formación inicial del jardín química que luego cambiamos la solución de inyección para introducir el sulfuro como un anión precipitante secundaria. Las mediciones de los potenciales de membrana se realizan automáticamente durante todo el experimento. Este protocolo describe cómo ejecutar dos experimentos a la vez utilizando una bomba de jeringa dual; Los datos mostrados requieren múltiples carreras de este procedimiento. Las tasas relativamente altas de flujo, pH bajo de las concentraciones del yacimiento y reactivos empleados en nuestros experimentos están diseñados para formar precipitados gran chimenea en tiempo sccervezas adecuados para experimentos de laboratorio de un día. Sin embargo, las tasas de flujo de fluido en fuentes hidrotermales naturales pueden ser mucho más difusa y las concentraciones de reactivos precipitantes (por ejemplo, Fe y S en un sistema de la Tierra temprana) podrían ser un orden de magnitud inferior ^4; por lo tanto, precipitados estructurados se forman en escalas de tiempo más largos y la rejilla de ventilación podrían estar activos durante decenas de miles de años ^24,25.

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Protocolo

1. Consideraciones de seguridad

1. Use el equipo de protección personal (bata de laboratorio, gafas de protección, guantes de nitrilo, zapatos adecuados) para prevenir contra derrames químicos o lesión. Use jeringas y agujas, y tener cuidado de no perforar los guantes. Tenga cuidado durante el montaje experimental para comprobar el aparato que no haya fugas mediante la realización de la inyección primero con doble destilada _H 2 O _(ddH2O), y para comprobar la estabilidad de los viales de reacción sobre el soporte, antes de añadir productos químicos.
2. Llevar a cabo este experimento con cualquier receta jardín química, pero uno de los reactivos que utilizamos para simular los respiraderos de aguas profundas es una sustancia química peligrosa, sulfuro de sodio; por lo tanto, hacer todo el experimento dentro de una campana de humos para evitar la exposición.
   1. Sólo abrir la botella de sulfuro de sodio en la campana de humos y coloque un equilibrio dentro de la campana de humos para el pesaje de sulfuro. Mantenga siempre las soluciones que contienen sulfuro dentro de la campana de extracción a medida que liberan tóxicos H ₂ S de gas, y también mantener Sulfide líquido, objetos punzantes, y contenedores de residuos sólidos en la campana de humos. Otro reactivo de interés es Fe (II) Cl ₂ • 4H ₂ O, que se oxida al contacto con el aire, así que tenga cuidado de mantener soluciones anóxica y crecer jardines químicos bajo un espacio de cabeza anóxica (por ejemplo, _N2 o Ar), siempre dentro una campana de humos o en la guantera.

2. Configuración para experimentos de inyección

1. Crear vidrio "viales de inyección" por el corte de la parte inferior 1 cm de un 100 ml de vidrio claro de engarce botella de suero superior (20 mm engarzado sello tipo de cierre) con un cortador de vidrio de modo que, cuando se invierte, el recipiente está abierto al aire. A medida que estos son reutilizables, limpiar los viales en un 1 M de HCl baño de ácido O / N, y luego enjuague bien con _ddH2O antes de que un nuevo experimento.
2. Preparar los viales de inyección (Figura 1).
   1. Reunir un tabique de 20 mm, 20 mm de aluminio engarzado sello, y una punta de pipeta de plástico 0,5-10 l. El uso de un ne 16 G jeringaedle, perfore cuidadosamente un agujero a través del centro del tabique, luego retire y deseche la aguja en el contenedor de residuos cortopunzantes apropiado.
   2. Inserte la punta de la pipeta en el agujero de la aguja, en el lado del tabique de goma que se enfrentará el interior de la parte superior de engarce del vial. Empuje la punta de la pipeta a través del septo de modo que empuja hacia fuera el otro lado.
   3. Crimp-sellar el tabique con punta de la pipeta en el recipiente de la inyección para hacer un sello hermético. Cuando sellada, empuje la punta de la pipeta aún más a través del tabique de manera que sobresalga fuera.
   4. Fije la tubería resistente a productos químicos 1/16 "diámetro interior clara flexible a la punta de la pipeta (longitud del tubo debe llegar desde el vial de inyección de la bomba de jeringa); deslice hacia arriba para un sello hermético.
      Nota: Este será el tubo de inyección, alimentada desde el otro extremo por una jeringa con aguja 16 G.
   5. Compruebe si hay fugas: Inserte una jeringa de 10 ml lleno de ddH ₂ O con una aguja de 16 G en el otro extremo de la tubería(sin problemas deslice el tubo directamente a la aguja y tener cuidado de no perforar la pared del tubo). Inyecte lentamente de modo que la ddH ₂ O se mueve hacia arriba el tubo y en la parte inferior del recipiente de reacción. Asegúrese de que la jeringa / tubo, tubo / punta y crimpado sellos son herméticos.
3. Sujetar los viales de inyección en un soporte en una campana de humos, por lo que la inyección se alimentará desde la parte inferior del vial.
   Nota: viales de múltiples se pueden configurar a la vez y se alimentaron simultáneamente por jeringas separadas.
4. Establecer electrodos para medir el potencial de membrana a través de la pared de los jardines químicos. Utilice siempre el mismo convenio para que el plomo es "dentro" y que está "fuera" de los jardines químicos.
   1. Cortar trozos de alambre aislado (por ejemplo, cobre) que llegan desde el interior de los recipientes de reacción a la iniciativa del multímetro o registrador de datos. Deja un poco de holgura en los cables para el posicionamiento.
   2. Strip ~ 3 mm de lacable desnudo en los extremos que se ubicarán en el interior del vial de reacción. En los otros extremos que se conectarán a los cables del multímetro, tira ~ 1 cm de alambre.
   3. Fijar los cables en su lugar para medir el potencial de membrana a través del jardín química. Para el cable que irá dentro del jardín química: la inserta en la apertura de la punta de la pipeta de la cual el fluido se alimentará en el vaso.
   4. Empuje el alambre en la ligera para asegurar el contacto con la solución de inyección, pero no tan lejos que se va a obstruir el flujo de inyección. Para el alambre exterior: lugar de modo que estará en contacto con el depósito de la solución, pero no con el precipitado jardín química.
   5. Tape o de otra manera asegurar los cables de modo que no pueden moverse en el interior del vial de inyección durante el experimento (Figura 2).
   6. Conecte los otros extremos de los cables al multímetro, y asegurar los cables de manera que los extremos también no se mueven durante todo el experimento.
5. Configure N ₂ líneas de gas que va a alimentar a cada uno en uno de los viales de inyección.
   1. Dividir la alimentación de gas de una fuente de N ₂ en varios tubos, de modo que hay una N ₂ de alimentación para cada vial de inyección.
   2. Colocar cada tubo ₂ N de manera que se alimenta en el espacio de cabeza de uno de los viales de inyección.

3. Preparación de Soluciones para la química Jardín Crecimiento

1. Preparar la solución de depósito, a 100 ml para cada experimento. Nota: En este ejemplo, utilizar mM ^Fe 2+ 75 y 25 mM Fe ³⁺ como los cationes precipitantes (Tabla 1).
   1. Crear soluciones anóxicas por primera burbujeando el ddH ₂ O con N ₂ gas durante ~ 15 min por 100 ml.
   2. Pesar y añadir el _FeCl2 • 4H ₂ O y _FeCl3 • 6H _{2 O,} revolviendo suavemente para disolver (no con vigor a fin de no introducir oxígeno).
   3. Después se disuelven los reactivos, Resum inmediatamentee la luz de propagación del Fe ²⁺ / Fe ³⁺ solución con _gas N2, mientras que las inyecciones se preparan.
2. Elija cualquier dos de las soluciones de inyección primarios mostrados en la Tabla 1, y preparar 10 ml de cada uno. Llene una jeringa 10 ml hasta la marca de 7 ml con cada una de las soluciones (una jeringa para cada solución). Vuelva a colocar las tapas de aguja y reservar.
3. Preparar 20 ml de la solución de inyección secundaria (sulfuro de sodio - Precaución). Mostrados en la Tabla 1 Llenar dos 10 ml jeringas a la marca de 7 ml con esta solución, coloque las tapas de aguja y reservar. Mantenga siempre las soluciones que contienen sulfuro y jeringas en la campana de humos.
4. Vuelva a llenar el _ddH2O jeringas de Paso 2.2.5; estos se utilizan para enjuagar el tubo de inyección.

4. A partir de la primera inyección

1. Utilice registrador de datos deseado para la membrana mediciones potenciales; medir el potencial de cada experimento en una separate canal y ajustar la velocidad de barrido para dar la cantidad deseada de puntos de datos (por ejemplo, para una inyección de 2 horas, grabando potencial de cada 30 segundos sería suficiente).
2. Asegure las jeringas de inyección primaria en la bomba de jeringa programables en la campana de humos.
3. Use un vaso de precipitados de residuos para coger goteos y establecer la bomba de jeringa para inyectar a un ritmo rápido hasta que las jeringas ambos comienzan a gotear en el vaso. A continuación, detenga la inyección (con el fin de asegurar que las dos jeringas comenzar a inyectar exactamente al mismo nivel).
4. Re-programa de la bomba de jeringa para inyectar a los 2 ml por hora (calibrar para el tipo de jeringa que se utiliza), pero no golpear comienzo.
5. Inserte los _ddH2O jeringas en los dos tubos de inyección de plástico, e inyectar de manera que el agua llena el tubo transparente hasta la abertura donde entra en el reservorio principal. Coloque las jeringas en el stand, por encima de los viales de inyección.
6. Verter 100 ml de solución de depósito de la ^Fe 2+ / Fe ³⁺ en eavial ch.
7. Ajustar el flujo de las líneas de gas N ₂ como se desee para mantener la anóxica experimento para la duración de las inyecciones.
8. Cubrir cuidadosamente los viales del yacimiento con un sello hermético (por ejemplo, utilizando Parafilm; no obstruir la vista a través del cristal) e inserte un feed N ₂ en cada vial (Figura 3).
9. Traiga las _ddH2O jeringas (siendo insertados en el tubo) al lado de las jeringas de inyección primaria. Cuidadosamente deslice el tubo de plástico por inyección de la aguja de la jeringa O ddH _2, y transferir inmediatamente directamente sobre una de las agujas jeringa de inyección primaria. (Tenga cuidado para no romper la pared de la tubería.)
10. Inicie la inyección, y comenzar la grabación de potencial de membrana.

5. A partir de la inyección secundaria:

1. Hit parada de la bomba de jeringa después de 3 horas (después de haber sido inyectada 6 ml), estructuras de jardín vez químicas han formado (Figure 4), generando continuamente un potencial de membrana (Figura 5).
2. Retire con cuidado las jeringas primarios de inyección de la bomba de jeringa (pero déjelos conectados a la tubería por lo que las estructuras no son perturbados); ponerlos en el soporte por encima del nivel del fluido en los viales de manera que el fluido no puede fluir de nuevo en la jeringa.
3. Asegure las jeringas de sulfuro de inyección secundarias a la bomba de jeringa, y repita los pasos 4.3 y 4.4.
4. Retire las jeringas secundarios uno a la vez de la bomba de jeringa, y, mientras mantiene las jeringas por encima del nivel del fluido en los viales, repita el paso 4.9, transfiriendo el tubo desde las jeringas primarias para las jeringas secundarias (Figura 6). Sea vigilante que la presión de fluido desde el depósito en la jeringa no causa que el fluido fluya de nuevo en la jeringa ya que esto podría colapsar el jardín química.
5. Cuando se complete la transferencia, fije atentamente las jeringas secundarias a thbomba de jeringa e.
6. Re-programa de la bomba de jeringa para inyectar a los 2 ml por hora, y pulsa START para continuar la inyección con la nueva solución de inyección.
7. Deseche las jeringas de inyección primaria.

6. Poner fin al experimento

1. La primera parada la bomba de jeringa, y luego se detiene la grabación del potencial de membrana y guardar los datos.
2. Apague el flujo de N ₂ y quitar las líneas y el Parafilm de los vasos de inyección.
3. Si se desea, muestras de la solución de depósito o precipitar para su posterior análisis. Para quitar cuidadosamente la solución de depósito y no perturbar el precipitado, utilice una pipeta de 25 ml pipetear con cuidado la solución de depósito en varias alícuotas, y desechar la solución en un vaso de precipitados de residuos.
4. Desembridar los vasos de inyección de uno a la vez y se vierte la solución en un vaso de precipitados de transferencia de residuos en la campana de humos. Utilice _ddH2O para enjuagar piezas de precipitado.
5. Retire las jeringas from la bomba de jeringa, y extraerlos de la tubería, dejando que el exceso de líquido de inyección se escurra en el vaso de precipitados de transferencia de residuos. Vacíe las jeringas en el vaso de residuos, y disponer de las jeringas en un contenedor de objetos punzantes sulfuro de mantenerse en la campana de humos.
6. Retire el tubo del vial experimento y disponer de ella en una bolsa de residuos sólidos. Uncrimp el sello y disponer del tabique, sello, y punta de la pipeta.
7. Enjuague el experimento vial de vidrio y sumergirlo en un 1 M de HCl baño de ácido O / N. (PRECAUCIÓN - material de vidrio que ha estado en contacto con sulfuro de sodio lanzará tóxicos H ₂ S de gas cuando se coloca en ácido Mantenga baños de ácido dentro de la campana de humos..)

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Resultados

Una vez que la solución de inyección comenzó a alimentar en la solución reservorio, un precipitado jardín química comenzó a formarse en la interfaz de fluido y esta estructura continuó creciendo en el transcurso de la inyección (Figuras 4-7). En los experimentos publicados aquí, la primera inyección fue de hidróxido de sodio (que puede ser modificado para incluir L-alanina y / o pirofosfato), y la solución de depósito fue una mezcla 1: 3 de Fe ³⁺ / ^Fe2 +, produciendo ...

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Discusión

La formación de una estructura química a través de jardín método de inyección se puede lograr mediante la interconexión dos soluciones que contienen iones reactivos que producen un precipitado. Hay muchos sistemas de reacción posibles que producirán estructuras precipitado y encontrar la receta adecuada de iones reactivos y concentraciones para hacer crecer una estructura deseada es una cuestión de prueba y error. El caudal de la solución de inyección se controla mediante una bomba de jeringa programable y e...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Syringe Pump	Fisher	14-831-3	Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments
Ferrous chloride tetrahydrate	Fisher	I90500	Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)
Ferric chloride hexahydrate	Fisher	I88-100	Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS)
Sodium hydroxide	Sigma-Aldrich	S5881	reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous)
Sodium sulfide nonahydrate	Fisher	S425212	Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS). Store at -20 °C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H2S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood.
Potassium pyrophosphate	Sigma-Aldrich	322431	97%
L-Alanine	Sigma-Aldrich	A7627
Syringes (10 cc)	Fisher	14-823-16E	BD™ Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)
Syringe needles (16 gauge)	Fisher	14-826-18B	BD™ General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm)
Tubing	Cole Parmer	EW-06407-71	Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD
Aluminum seals	Fisher	0337523C	Thermo Scientific™ National™ Headspace 20 mm Crimp Seals
Gray butyl stoppers	Fisher	0337522AA	Thermo Scientific™ National™ 20 mm Septa for Headspace Vials
Serum bottles	Sigma-Aldrich	33110-U	Vials, crimp top, serum bottle, size 100 ml, clear glass, O.D. × H 51.7 mm × 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off.
Pipette tips	VWR	53511-682	pipette tips 0.5-10 μl
Wire	McMaster-Carr	8073K661	Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC