Giardini chimici come flusso attraverso Reattori simulando naturali idrotermali Sistemi

Riepilogo

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

Abstract

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.

Introduzione

"Giardini chimiche" sono precipitati inorganici autoassemblanti sviluppati dove due fluidi chimiche contrastanti interagiscono ^1,2. Queste strutture inorganiche autoassemblanti sono stati oggetto di interesse scientifico per oltre un secolo in parte a causa del loro aspetto biomimetica, e sono stati perseguiti numerosi studi sperimentali e teorici per comprendere i vari aspetti complessi e possibili funzioni dei sistemi giardino chimici ^3. Esempi naturali di giardini chimiche includono minerali "camino" precipitati che crescono intorno sorgenti idrotermali e filtra, e si è sostenuto che queste potrebbero fornire ambienti plausibili per la vita di emergere ^4. Per crescere un giardino chimica simulando un naturale sfogo idrotermale camino, una soluzione di riserva dovrebbe rappresentare una composizione oceano simulato e una soluzione per l'iniezione dovrebbe rappresentare il fluido idrotermale che alimenta nell'oceano. La versatilità di questo tipo oesperimento f per sistemi di reazione diversi permette la simulazione di quasi tutti oceano / idrotermale chimica dei fluidi proposti, compresi gli ambienti sulla Terra primordiale o su altri mondi. Sulla Terra primordiale, gli oceani sarebbero stati anossica, acido (pH 5-6), e avrebbe contenuto sciolto CO ₂ atmosferica e Fe ^2+, così come Fe ^III, Ni ^2+, Mn ^2+, NO ^3- e NO ^2-. Reazioni chimiche tra questa acqua di mare e l'oceano ultramafiche crosta avrebbero prodotto un fluido idrotermale alcalina contenente idrogeno e metano, e in alcuni casi solfuro (HS ^{-) 4-8.} I camini formatisi in ambienti di sfogo alcalino primi della Terra potrebbero così potuto contenere ossidrossidi di ferro / ferrosi e solfuri di ferro / nichel, ed è stato proposto che questi minerali potrebbero aver servito particolari funzioni catalitiche e proto-enzimatica verso sfruttando geochimici redox / gradienti di pH a guidare l'emergere di Metabolism ^5. Allo stesso modo, su altri mondi come quello può ospitare (o possono aver ospitato) acqua / interfacce di roccia - come presto Marte, la luna di Giove, Europa, o della luna di Saturno Encelado - è possibile che la chimica dell'acqua / roccia potrebbe generare ambienti di sfiato alcaline in grado di guida chimica prebiotica o anche fornendo nicchie abitabili per la vita esistente ^5,9-11.

L'esperimento giardino chimica classica comporta un cristallo seme di un sale di metallo, ad esempio cloruro tetraidrato ferrosi FeCl ₂ • 4H ₂ O, immersi in una soluzione contenente anioni reattivi, ad esempio silicato di sodio o "acqua di vetro". Le sale si sciolga metallo, creando una soluzione acida contenente Fe ²⁺ che si interfaccia con la soluzione più alcalino (contenente anioni silicato e OH ^-) e una membrana inorganica precipitato si forma. Le onde membrana sotto pressione osmotica, scoppia, poi ri-precipitati unt la nuova interfaccia fluida. Questo processo si ripete fino a quando i cristalli si dissolvono, con un conseguente orientato verticalmente, struttura precipitato auto-organizzato con morfologia complessa in entrambe le scale macro e micro. Questo processo comporta la precipitazione continua separazione delle soluzioni chimicamente contrastanti attraverso la membrana giardino chimico inorganico, e la differenza di specie cariche attraverso la membrana produce un potenziale di membrana ^12-14. Strutture giardino Chemical sono complesse, esibendo gradienti compositivi dall'interno all'esterno ^13,15-19, e le pareti della struttura mantengono separazione tra soluzioni contrastanti per lunghi periodi, pur rimanendo alquanto permeabili agli ioni. Oltre ad essere un esperimento ideale per scopi educativi (in quanto sono semplici da fare per le dimostrazioni in classe, e possono educare gli studenti circa le reazioni chimiche e di auto-organizzazione), i giardini chimici hanno un significato scientifico come rappresentazioni di auto-assembly in, lontano dall'equilibrio sistemi dinamici, che coinvolge i metodi che possono portare alla produzione di materiali interessanti ed utili ^20,21.

Giardini chimici in laboratorio possono essere coltivate con metodi di iniezione, in cui la soluzione contenente uno ione precipitante viene iniettata lentamente nella seconda soluzione contenente lo ione co-precipitante (o ioni). Ciò provoca la formazione di strutture da giardino chimiche simili a quelle di esperimenti di crescita dei cristalli, tranne che le proprietà del sistema e il precipitato può essere meglio controllati. Il metodo di iniezione ha diversi vantaggi significativi. Essa permette di formare un giardino chimica utilizzando qualsiasi combinazione di precipitanti o costituite specie, cioè, più ioni precipitanti possono essere incorporati in una soluzione, e / o altri componenti non-precipitante può essere incluso in entrambe le soluzioni di adsorbimento / reagiscono con il precipitato . Il potenziale di membrana generato in un prodotto chimicogiardino sistema può essere misurata in un esperimento di iniezione se un elettrodo è incorporato all'interno della struttura, permettendo così lo studio elettrochimico del sistema. Esperimenti iniezione offrono la possibilità di alimentare la soluzione iniettabile nell'interno del giardino chimica per tempi controllati variando la velocità di iniezione o volume totale iniettato; è quindi possibile alimentare attraverso diverse soluzioni sequenza e utilizzare la struttura precipitato come una trappola o reattore. Queste tecniche combinate, consentono simulazioni di laboratorio dei processi complessi che potrebbero si sono verificati in un sistema di giardino sostanza chimica naturale in uno sfogo sottomarino idrotermale, tra cui un camino formata da molte reazioni di precipitazione simultanee tra oceano e sfiato fluido (ad esempio, la produzione di solfuri metallici, idrossidi e / o carbonati e silicati) ^5,22. Queste tecniche possono anche essere applicati a qualsiasi sistema di reazione chimica giardino per consentire la formazione di nuovi tipidi materiali, ad esempio, tubi stratificati o tubi con adsorbite specie reattive ^20,23.

Abbiamo dettaglio qui un esperimento esempio che include la crescita simultanea di due giardini, Fe ²⁺ chimici -contenenti strutture in un ambiente anossico. In questo esperimento abbiamo incorporato tracce di polifosfati e / o amminoacidi nella soluzione iniezione iniziale per osservare il loro effetto sulla struttura. Dopo la formazione iniziale del giardino chimico abbiamo poi cambiato la soluzione per l'iniezione di introdurre solfuro come precipitante anione secondario. Misure di potenziali di membrana sono stati effettuati automaticamente durante l'esperimento. Questo protocollo descrive come eseguire due esperimenti in una sola volta con una pompa a doppia siringa; I dati riportati necessari più esecuzioni di questa procedura. Le relativamente elevate portate, basso pH delle concentrazioni serbatoio e reagenti impiegati nei nostri esperimenti sono progettati per formare precipitati grande camino in tempo scbirre adatte per esperimenti di laboratorio di un giorno. Tuttavia, le portate di fluido a sorgenti idrotermali naturali possono essere molto più diffuse e le concentrazioni di reagenti precipitante (ad esempio, Fe e S in un sistema di terra in anticipo) potrebbe essere un ordine di grandezza ^inferiore 4; quindi, precipitati strutturati formerebbero su scale temporali più lunghi e la bocca potrebbe essere attivo per decine di migliaia di anni ^24,25.

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Protocollo

1. Considerazioni sulla sicurezza

1. Utilizzare dispositivi di protezione individuale (camice da laboratorio, occhiali di protezione, guanti in nitrile, scarpe adatte) per evitare contro fuoriuscite di sostanze chimiche o infortuni. Utilizzare siringhe e aghi, e fare attenzione a non forare i guanti. Fare attenzione durante l'installazione esperimento per verificare l'apparecchiatura per perdite eseguendo l'iniezione prima con bidistillata H _{2 O (DDH} 2 O), e per verificare la stabilità delle fiale di reazione sul supporto, prima di aggiungere sostanze chimiche.
2. Intraprendere questo esperimento con qualsiasi ricetta giardino chimica, ma uno dei reagenti che usiamo per simulare bocchette d'altura è una sostanza chimica pericolosa, solfuro di sodio; quindi fare l'intero esperimento all'interno di una cappa aspirante per evitare l'esposizione.
   1. Aperto solo la bottiglia di solfuro di sodio nella cappa e posizionare un equilibrio all'interno della cappa per la pesatura solforato. Tenere sempre soluzioni solfuro contenente all'interno della cappa in quanto rilasciano tossici H ₂ S gas, e anche tenere Sulfide liquido, diesis, e contenitori di rifiuti solidi nella cappa. Un altro reagente di interesse è Fe (II) _Cl 2 • 4H _{2 O,} che si ossida in seguito all'esposizione all'aria, quindi attenzione a mantenere le soluzioni anossica e di crescere giardini chimici sotto un spazio di testa anossico (ad esempio, _N 2 o Ar), sempre entro una cappa aspirante o nel vano portaoggetti.

2. Impostazione per gli esperimenti iniezione

1. Creare vetro "fiale iniezione" tagliando via il fondo 1 cm di un vetro trasparente da 100 ml piegatura superiore della bottiglia siero (20 mm crimpare guarnizione tipo chiusura) con una fresa vetro in modo che, quando invertito, la nave è aperto all'aria. In quanto questi sono riutilizzabili, pulire i flaconi in un 1 M HCl bagno acido O / N, e poi risciacquare bene con _DDH 2 O prima di un nuovo esperimento.
2. Preparare le fiale di iniezione (Figura 1).
   1. Raccogliere un setto 20 mm, 20 millimetri di alluminio piegatura sigillo, e un 0,5-10 microlitri punta di plastica della pipetta. Usando una siringa da 16 ne Gedle, forare con attenzione un foro attraverso il centro del setto, quindi rimuovere e smaltire l'ago nel contenitore per rifiuti taglienti appropriata.
   2. Inserire la punta della pipetta nel foro dell'ago, nel lato del setto di gomma che si troveranno ad affrontare all'interno della parte superiore crimpatura del flaconcino. Inserire la punta della pipetta attraverso il setto in modo che sporge fuori l'altro lato.
   3. Crimp-sigillare il setto con punta della pipetta sulla nave iniezione di fare una tenuta stagna. Quando sigillato, spingere la punta della pipetta ulteriormente attraverso il setto in modo che sporga all'esterno.
   4. Applicare 1/16 "tubo trasparente resistente agli agenti chimici flessibile diametro interno per la punta della pipetta (lunghezza del tubo dovrebbe raggiungere dal flaconcino per la pompa a siringa); farlo scorrere per una tenuta stagna.
      Nota: Questo sarà il tubo di iniezione, alimentata dal all'altra estremità, da una siringa con ago 16 G.
   5. Controllare eventuali perdite: inserire una siringa da 10 ml riempita con _DDH 2 O con un ago G 16 nell'altra estremità del tubo(agevolmente far scorrere il tubo direttamente sul ago e fare attenzione a non forare la parete del tubo). Lentamente iniettare in modo che il _DDH 2 O si muove lungo la tubazione e sul fondo del recipiente di reazione. Garantire che la siringa / tubo, tubo / punta, e crimpatura guarnizioni sono a tenuta stagna.
3. Bloccare le fiale di iniezione su un supporto in una cappa aspirante, in modo che l'iniezione caricherà dal fondo della fiala.
   Nota: Più fiale possono essere impostate in una volta e alimentati contemporaneamente da siringhe diverse.
4. Impostare elettrodi per misurare il potenziale di membrana attraverso la parete dei giardini chimici. Usare sempre la stessa convenzione per la quale il piombo è "dentro" e che è "al di fuori" dei giardini chimici.
   1. Tagliare lunghezze di filo isolato (ad esempio, rame) che raggiungono all'interno dei vasi di reazione al cavo del multimetro o un data logger. Lascia un po 'di gioco nei cavi per il posizionamento.
   2. Strip ~ 3 mm difilo nudo alle estremità che si trovano all'interno del flaconcino di reazione. Alle altre estremità che saranno collegati ai conduttori multimetro, striscia ~ 1 cm di filo.
   3. Fissare i fili in posizione per misurare il potenziale di membrana attraverso il giardino chimico. Per il filo che andrà all'interno del giardino chimica: inserirla nell'apertura del puntale da cui alimentare fluido nel recipiente.
   4. Inserire il filo in leggera per assicurare il contatto con la soluzione iniettabile, ma non così lontano che ostruisce il flusso di iniezione. Per l'esterno del filo: posto in modo che esso sarà in contatto con il serbatoio di soluzione, ma non con il giardino precipitato chimico.
   5. Nastro o altrimenti fissare i fili in modo che non possano muoversi all'interno della fiala iniezione durante l'esperimento (Figura 2).
   6. Attaccare le altre estremità dei cavi al multimetro, e fissare i fili in modo che quei fini anche non si muovono tutto l'esperimento.
5. Imposta N ₂ linee di gas che si ogni feed in una delle fiale di iniezione.
   1. Dividere la alimentazione del gas da una sorgente N ₂ in diversi tubi, in modo che vi sia un N ₂ avanzamento per ogni flaconcino.
   2. Collocare ogni provetta N _{2 in modo} che alimenta spazio di testa di una delle fiale di iniezione.

3. preparazione di soluzioni per la crescita Chemical Garden

1. Preparare la soluzione di riserva, 100 ml per ogni esperimento. Nota: In questo esempio, utilizzare 75 mm ^Fe 2+ e 25 mm Fe ³⁺ come i cationi precipitanti (Tabella 1).
   1. Creare soluzioni anossiche dal primo gorgogliare il _DDH 2 O con N ₂ gas per ~ 15 minuti per 100 ml.
   2. Pesare e aggiungere la FeCl ₂ • 4H _{2 O e FeCl} 3 • 6H _{2 O,} mescolando delicatamente per dissolvere (non vigorosamente in modo da non introdurre ossigeno).
   3. Dopo reagenti sono dissolti, risommare subitoe luce di bubbling del Fe ²⁺ / Fe ³⁺ soluzione con _N 2 gas mentre le iniezioni sono preparati.
2. Scegliere due qualsiasi delle soluzioni di iniezione primari indicati nella tabella 1, e preparare 10 ml di ciascuna. Riempire una siringa da 10 ml a volume con 7 ml ciascuna delle soluzioni (una siringa per ogni soluzione). Sostituire i tappi degli aghi e mettere da parte.
3. Preparare 20 ml di soluzione di iniezione secondario (solfuro di sodio - ATTENZIONE). Indicati nella tabella 1 Riempire due siringhe da 10 ml al marchio 7 ml di questa soluzione, sostituire i tappi degli aghi e mettere da parte. Tenere sempre soluzioni e siringhe-solfuro contenente nella cappa.
4. Riempire il DDH ₂ O siringhe a partire dal punto 2.2.5; questi saranno utilizzati per irrigare il tubo di iniezione.

4. Avvio del iniezione primario

1. Utilizzare data logger desiderata per i potenziali misure di membrana; misurare il potenziale di ogni esperimento su un separate canali, e impostare la velocità di scansione per ottenere la quantità desiderata di punti di dati (ad esempio, per una iniezione di 2 ore, registrando potenziale ogni 30 sec sarebbe sufficiente).
2. Fissare le siringhe di iniezione primari su la pompa a siringa programmabili nella cappa.
3. Utilizzare un bicchiere di rifiuti per la cattura di gocciolamenti e impostare la pompa a siringa per iniettare a un ritmo veloce fino a quando le siringhe entrambi cominciano a gocciolare nel bicchiere. Poi interrompere l'iniezione (per assicurare che le due siringhe iniziano iniettare esattamente allo stesso livello).
4. Riprogrammare la pompa a siringa per iniettare a 2 ml per ora (calibrazione per il tipo di siringa viene usato), ma non ha colpito inizio.
5. Inserire i DDH ₂ O siringhe nei due tubi di iniezione plastica e iniettare in modo che l'acqua riempie il tubo trasparente fino all'apertura dove entra nel serbatoio principale. Porre le siringhe sul cavalletto, sopra le fiale di iniezione.
6. Versare 100 ml di soluzione serbatoio del Fe ²⁺ / Fe ³⁺ in EAfiala ch.
7. Regolare il flusso delle linee di gas N ₂ come desiderato per mantenere la anossica esperimento per la durata delle iniezioni.
8. Coprire con cura le fiale serbatoio con una chiusura ermetica (ad esempio, utilizzando Parafilm, non ostruire la vista attraverso il vetro) e inserire un feed _N 2 in ogni fiala (Figura 3).
9. Portare i _DDH 2 O siringhe (ancora inserite nel tubo) accanto alle siringhe per iniezione primarie. Far scorrere delicatamente il tubo di iniezione plastica fuori dal O siringa _DDH 2, e trasferire immediatamente direttamente su uno degli aghi della siringa di iniezione primaria. (Fare attenzione a non forare la parete del tubo.)
10. Avviare l'iniezione, e avviare la registrazione del potenziale di membrana.

5. Avvio del iniezione secondario:

1. Hit fermata sulla pompa a siringa dopo 3 ore (dopo 6 ml sono state iniettate), strutture da giardino una volta chimiche si sono formate (Figure 4), continuamente generare un potenziale di membrana (Figura 5).
2. Rimuovere con attenzione le siringhe primarie dalla pompa siringa (ma lasciarli collegati al tubo in modo che le strutture non sono disturbati); disporli sul cavalletto di sopra del livello del liquido nelle fiale modo che il liquido non possa fluire nella siringa.
3. Fissare le siringhe solfuro di iniezione secondaria per la pompa a siringa, e ripetere i passi 4.3 e 4.4.
4. Rimuovere le siringhe secondari uno alla volta dalla pompa a siringa, e, tenendo le siringhe di sopra del livello del fluido in fiale, ripetere il passo 4.9, trasferendo il tubo dalle siringhe primari alle siringhe secondari (Figura 6). Essere vigili che la pressione del fluido dal serbatoio nella siringa non provoca il passaggio del fluido nella siringa poiché questo potrebbe crollare giardino chimica.
5. Quando il trasferimento è completo, fissare con cura le siringhe secondari the pompa a siringa.
6. Riprogrammare la pompa a siringa per iniettare a 2 ml per ora, e colpito inizia a continuare l'iniezione con la nuova soluzione iniettabile.
7. Gettare le siringhe per iniezione primarie.

6. Terminare l'esperimento

1. Fermare prima la pompa a siringa, quindi interrompere la registrazione del potenziale di membrana e salvare i dati.
2. Spegnere il flusso _N 2 e rimuovere le linee e il Parafilm dai vasi di iniezione.
3. Se lo si desidera, la soluzione campione serbatoio o precipitare per ulteriori analisi. Per rimuovere con attenzione la soluzione di riserva e non disturbare il precipitato, utilizzare una pipetta da 25 ml per pipetta con cautela la soluzione serbatoio in diverse aliquote, e scartare la soluzione in un bicchiere di rifiuti.
4. Sganciare i vasi iniezione uno alla volta e versare la soluzione in un becher di trasferimento dei rifiuti nella cappa. Utilizzare _DDH 2 O per sciacquare pezzi di precipitato.
5. Rimuovere le siringhe from la pompa a siringa, ed estrarli dal tubo, che il fluido iniezione supplementare scappare nel bicchiere trasferimento dei rifiuti. Svuotare le siringhe nel bicchiere rifiuti e smaltire le siringhe in un contenitore solfuro taglienti conservata nella cappa.
6. Rimuovere il tubo dalla fiala esperimento e smaltire in un sacchetto di rifiuti solidi. Uncrimp il sigillo e smaltire il setto, sigillo, e puntale.
7. Sciacquare l'esperimento fiala di vetro e immergerlo in un 1 M HCl bagno acido O / N. (ATTENZIONE - vetreria che è stato in contatto con il solfuro di sodio rilascerà tossici H ₂ S gas quando sono immessi in acido Tenere bagni acidi all'interno della cappa..)

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Risultati

Una volta che la soluzione iniettabile iniziato ad alimentare il serbatoio soluzione, un giardino precipitato chimico iniziato a formarsi l'interfaccia fluida e questa struttura ha continuato a crescere nel corso dell'iniezione (figure 4-7). Negli esperimenti riportati qui, la prima iniezione è idrossido di sodio (che può essere modificato per includere L-alanina e / o pirofosfato), e la soluzione era un serbatoio 1: 3 miscela di Fe ³⁺ / Fe ^2+, ottenendo un misto -redox-S...

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Discussione

La formazione di una struttura chimica giardino tramite metodo di iniezione può essere realizzato interfacciamento qualsiasi due soluzioni contenenti ioni reattivi che producono un precipitato. Ci sono molti sistemi di reazione possibili che produrranno strutture precipitato e trovare la giusta ricetta di ioni reattivi e concentrazioni di coltivare un struttura desiderata è una questione di tentativi ed errori. La portata della soluzione di iniezione è controllata da una pompa a siringa programmabili e questo può an...

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Materiali

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