ケミカル・ガーデンフロースルーリアクターのシミュレーション自然熱水系など

要約

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

要約

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.

概要

「化学の庭園」は対照的な化学の二つの流体^1,2を相互に作用開発した自己組織化無機沈殿物があります。これらの自己集合無機構造が部分的に彼らのバイオミメティック外観世紀以上のための科学的関心の対象とされてきた、多くの実験的および理論的研究は、化学ガーデンシステム³の様々な複雑な側面と可能な機能を理解するために追求されました。化学庭園の自然な例は、水熱スプリングとSEEPSの周りに成長ミネラル"煙突"析出物が挙げられ、これらは^{4をemergeする}生活のためのもっともらしい環境を提供することができると主張されてきました。自然の熱水噴出孔の煙突をシミュレートする化学庭を成長させるために、リザーバー溶液は、シミュレートされた海の組成と海にフィード水熱流体を表すべきで注射液を表している必要があります。このO型の汎用性異なる反応系にF実験は、初期地球上または他の世界の環境を含む、ほぼすべての提案海/熱水化学のシミュレーションを可能にします。初期地球上では、海洋は無酸素、酸性（pHは5-6）であったであろう、とだけでなく、鉄^III、ニッケル^2+、Mnの^{2+、NO 3 -を}溶解大気中のCO ₂とFe ^{2+を含有してい}ただろう、およびNO ^{2 - 。}この海水と超苦海洋地殻の間の化学反応は、水素とメタンを含むアルカリ水熱流体を生成し、場合によって硫化（HS ^{- ）}でただろう^4-8。初期地球で形成された煙突はアルカリベント環境は、このように、第二鉄/鉄オキシ水酸化鉄/ニッケル硫化物が含まれている可能性があり、それはこれらの鉱物が駆動する地球化学的酸化還元/ pH勾配を利用するに向かって、特定の触媒とプロト酵素機能を果たしている可能性があることが提案されていますmetaboliの出現SM ^5。同様に、そのような他の世界がホストすることができる上（またはホストされている場合があります）水/岩石インターフェース - それは水/岩化学組成が可能なのアルカリベント環境を生成することが可能である - このような初期の火星、木星の月のヨーロッパ、または土星の月エンケラドスなどプレバイオティクスの化学反応を駆動、あるいは現存する生命^5,9-11のための居住ニッチを提供します。

古典的な化学庭実験は、金属塩の種結晶は、反応性陰イオンを含有する溶液中に浸漬、例えば塩化第一鉄四水和物のFeCl _{2•4H 2 O、} 例えば 、ケイ酸ナトリウムまたは「水ガラス」を包含する。よりアルカリ性溶液とのインタフェースのFe ^2+を含む酸性溶液を生成する金属塩の溶解は、（ケイ酸アニオンを含有するOH ^{- ）}と無機膜の沈殿物が形成されています。浸透圧の下で膜が膨潤し、バーストは、その後、再沈殿新しい流体界面をtは。結晶が溶解するまで、このプロセスは、両方のマクロおよびミクロスケールで複雑な形態を有する垂直に配向し、自己組織沈殿物構造を生じる、繰り返します。無機化学の庭の膜を横切って化学的に対照的な解決策の継続的な分離、および膜を横切る荷電種の違いでこの沈殿プロセスの結果は^{、12〜14、}膜電位をもたらします。化学庭の構造は、外部^13,15-19に内部から組成勾配を示す、複雑であり、イオンに幾分透過性を維持しながら構造の壁は長時間対照的なソリューション間の分離を維持します。 （彼らは教室のデモンストレーションのために作ることが簡単であり、化学反応や自己組織化について学生を教育することができますように）教育目的のための理想的な実験であることに加えて、化学的な庭園は、自己assembの表現としての科学的な意義を持っていますLYは、ダイナミック、遠から平衡システムでは、興味深く、有用な材料^20,21の産生をもたらすことができる方法を含みます。

実験室での化学庭園はまた、1種の沈殿イオンを含む溶液をゆっくりと共沈イオン（またはイオン）を含む第二の溶液中に注入され、注入法によって成長させることができます。これは、システムの性質と沈殿物がより良好に制御することができることを除いて、結晶成長実験と同様の化学庭構造の形成をもたらします。注入法は、いくつかの重要な利点を有します。これは、一つの沈殿または組み込ま種の任意の組み合わせを用いて化学庭を形成することができ、すなわち、複数の沈殿イオンが一つの解決策に組み込むことができ、および/ ​​または他の非沈殿成分が/吸着するか、溶液中に含めることができるが、沈殿物と反応。化学的に生成された膜電位電極は、構造体の内部に組み込まれている場合庭システムは、このように、システムの電気化学的研究を可能にする、注入実験で測定することができます。注入実験は、噴射率や総注入量を変えることによって制御された時間枠のための化学園の内部に注射液を供給するための能力を提供します。それは、異なる溶液を順次介して供給し、トラップまたは反応器として沈殿した構造体を使用することが可能です。組み合わせることで、これらの技術は、海との間には多くの同時沈殿反応から形成され、金属硫化物を生成する流体（ 例えば、通気煙突を含む、海底熱水噴出孔での自然な化学物質の庭のシステムで発生している可能性が複雑なプロセスの実験室シミュレーション、水酸化物を可能に、および/ ​​または炭酸塩およびケイ酸塩^）5,22。これらの技術はまた、新しいタイプの形成を可能にするために、任意の化学庭の反応系に適用することができ吸着反応種^20,23を有する材料、 例えば、層状のチューブまたはチューブの。

ここでは私たちの詳細無酸素環境での構造を含有する2つの化学庭園、鉄²⁺の同時成長を含んでいる実験例。この実験では、構造体への影響を観察するために最初の注射溶液にポリリン酸および/またはアミノ酸の微量を組み込みました。化学庭の初期形成した後、私たちは、二次沈殿アニオンとして硫化物を導入するために注射液を切り替えます。膜電位の測定は、実験を通して自動的に行われました。このプロトコルは、一度、デュアルシリンジポンプを用いて2つの実験を実行する方法について説明します。データは、この手順に必要な複数の実行を示します。比較的高い流量、我々の実験で用いられるリザーバと反応物質濃度の低いpHは大きな煙突を形成するように設計されている時間の皮下に析出1日の実験室での実験に適したエール。しかし、天然の水スプリングにおける流体の流量はより拡散することができ、（初期の地球システムにおいて、例えば、FeおよびS）の反応物を沈殿させるの濃度は、より低い大きさ⁴の順であってもよいです。このように、構造化された析出物は、より長い時間スケールの上に形成することになるとベントは数十年^24,25の数千のためにアクティブである可能性があります。

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プロトコル

1.安全性に関する注意事項

1. 化学流出やけがに対して防ぐために、個人用保護具（白衣、ゴーグル、ニトリル手袋、適切な靴）を使用します。注射器や針を使用して、手袋に穴を開けないように注意してください。二重蒸留H ₂ O（のddH ₂ O）で、最初の注入を行うことにより、リークするための装置を確認するために、および化学物質を添加する前に、スタンドに反応バイアルの安定性を確認するための実験のセットアップ時に注意してください。
2. 任意の化学庭のレシピで、この実験を行うが、私たちは深海通気口をシミュレートするために使用する反応物質の一つは、有害化学物質、硫化ナトリウムです。したがって、露出を防ぐために、ヒュームフードの内側に全体実験を行います。
   1. ドラフト内で硫化ナトリウムのボトルを開き、硫化物を計量するためのヒュームフードの内側にバランスを置くだけです。常に彼らは有毒_の H 2 Sガスを放出としてヒュームフード内部の硫化物含有溶液を維持し、またスルフィドを保ちますE液体、鋭利物、およびヒュームフード中の固形廃棄物容器。対象の他の反応物は、空気に暴露されると酸化鉄（II）のCl _{2•4H 2} O、であるため、常に内、無酸素ソリューションを維持し、無酸素ヘッドスペース（ 例えば、N ₂またはAr）の下で化学庭園を成長させるために注意してくださいヒュームフードまたはグローブボックス。

インジェクション実験用2.セットアップ

1. 反転するとき、容器は大気に開放されて、なるようにガラスカッターでトップ血清ボトル（20ミリメートル圧着シール閉鎖型）を圧着100ミリリットル透明なガラスの下1cmに切断してガラス「注射用バイアル」を作成します。これらは再利用可能であるため、1 M塩酸酸性浴のO / Nでバイアルをきれいにしてから、新しい実験前のddH ₂ Oでよくすすいで。
2. 注射用バイアル（ 図1）を準備します。
   1. 20ミリメートルセプタム、20ミリメートルのアルミシールを圧着し、0.5〜10μlのプラスチックピペットチップを収集します。 16 GシリンジNEを使用してedleは、慎重に適切な鋭利物廃棄容器に針を除去し、廃棄した後、中隔の中央に穴を穿刺。
   2. バイアルのクリンプトップの内側に直面することになるゴム隔壁の側に、針の穴にピペットの先端を挿入します。それは他の側をつつくように、隔壁を通してピペット先端を押してください。
   3. 圧着シールするピペットチップでセプタムを注入容器に水密シールを作るために。密封されたとき、それは外に突出するように、隔壁を通してさらにピペットチップを押してください。
   4. （チューブの長さは、シリンジポンプに注射バイアルから到達すべき）ピペットチップに1/16「内径明確な柔軟な耐薬品性チューブを貼付。防水シールのためにそれをスライドさせます。
      注意：これは、16 G針で注射器によってもう一方の端から供給される注入管、となります。
   5. リークのチェック：チューブのもう一方の端に16 G針でのddH ₂ Oを充填した10mLのシリンジを挿入（スムーズに直針にチューブをスライドさせ、チューブの壁に穴を開けないように注意してください）​​。ゆっくりのddH _{2 O}にチューブを移動させて、反応容器の底部になるように注入します。その注射器/チューブ、チューブ/先端を確認し、クリンプシールは防水です。
3. 注射はバイアルの底からフィードされるように、ヒュームフードでスタンドに注射用バイアルを固定します。
   注：複数のバイアルを一度に設定し、別々のシリンジで同時に供給することができます。
4. 化学庭園の壁を越え膜電位を測定するための電極を設定します。常にリードが「内部」であるための化学庭園の「外側」である同じ規則を使用します。
   1. マルチメータやデータロガーのリードに反応容器内から到達絶縁電線（例えば、銅）の長さをカットします。位置決めのためのワイヤのたるみを少し残して下さい。
   2. のストリップ〜3ミリメートル反応バイアルの内側に配置される端で裸線。マルチメータのリードに接続され、他の端部には、ストリップ線の約1 cmです。
   3. 化学庭を横切って膜電位を測定するために、所定の位置にワイヤーを固定してください。化学園内行く線の場合：流体を容器に供給元となるピペットチップの開口部に挿入します。
   4. 注射液との接触を確実にするために軽く、ワイヤを押しはなく、これまでのところ、それが噴射流を閉塞すること。外側ワイヤの場合：場所それは、液溜めとではなく、化学的な庭の沈殿物と接触するようにします。
   5. テープまたはそれ以外の場合は、実験（ 図2）中に注射バイアル内を移動できないようにワイヤを固定します。
   6. マルチメータへの配線の他端を接続し、それらの端部はまた、実験を通して移動しないように、ワイヤを固定します。
5. N _{2を設定します} ガスライン。
   1. 各注射バイアル用に1個のN ₂供給があるように、いくつかのチューブにN ₂源からのガス供給を分割します。
   2. それは注射用バイアルの1のヘッドスペースに供給されるように、それぞれのN ₂のチューブを置きます。

ケミカルガーデン成長のためのソリューションの調製

1. 各実験のための貯蔵溶液、100ミリリットルを準備します。注：この例では、沈殿させる陽（ 表1）のように75 mMの鉄²⁺および25mMのFe ^{3+を使用しています。}
   1. 最初の100ミリリットル当たり〜15分間、N ₂ガ ​​スとのddH ₂ Oを通気することにより無酸素のソリューションを作成します。
   2. （酸素を導入しないしないように積極的になるように）を計量し、溶解するために静かに攪拌し、のFeCl _{2•4H 2} OとのFeCl _{3•6H 2} Oを追加します。
   3. 試薬が溶解した後、直ちにRESUMN ₂ガ ​​スでのFe ²⁺ /鉄³⁺ソリューションの電子光バブリング注射が用意されています。
2. 表1に示した第一の注射溶液のいずれか2つを選択し、各10mlのを準備します。溶液のそれぞれで7ミリリットルマーク（各ソリューションのための1つの注射器）に10ミリリットルの注射器を埋めます。針のキャップを交換して、脇に置きます。
3. 二次注射液（硫化ナトリウム-注意）20mlの準備をします。 表1に示すが針キャップを交換して、脇に置き、この溶液を7ミリリットルマークへの2つの10ミリリットル注射器を埋めます。必ずドラフト内で硫化物含有溶液と注射器を保持します。
4. ステップ2.2.5からのddH _{2 O}シリンジを補充。これらは、注入管をフラッシュするために使用されます。

4.プライマリ注入の開始

1. 膜電位測定のための所望のデータロガーを使用します。 separatに各実験の電位を測定Eチャネル、およびデータポイント（例えば、2時間の注入のために、潜在的な30秒毎に記録することは十分であろう）の所望の量を与えるためにスキャンレートを設定します。
2. ヒュームフード内でプログラム可能なシリンジポンプの主要な注射器を固定します。
3. しずくをキャッチし、注射器の両方をビーカーに滴下し始めるまで、速い速度で注入するようにシリンジポンプを設定するために、廃棄物のビーカーを使用してください。次に（2つのシリンジがまったく同じレベルで注入し始めることを確実にするために）注入を停止します。
4. シリンジポンプが時間ごとに2 mlで注入するように再プログラム（使用されている注射器のタイプのキャリブレーション）が、開始をヒットしません。
5. 2プラスチック射出管にのddH _{2 O}注射器を挿入し、水が、それは主タンクに入る開口部への明確なチューブアップを満たすように注入します。注射用バイアルの上に、スタンドに注射器を置きます。
6. EAへのFe ²⁺ /鉄³⁺リザーバー溶液100mlを注ぎますCHバイアル。
7. 注射の間、実験の無酸素を維持するために所望のようにN ₂ガ ​​スラインの流量を調整します。
8. （パラフィルムを使用して、 例えば 、;ガラス越しに眺めを邪魔しない）慎重に気密シールを有するリザーバーバイアルをカバーし、各バイアル（ 図3）内にN ₂フィードを挿入します。
9. ddH _{2 O}シリンジ（まだチューブに挿入された）次の下に主要な注射器を持参してください。慎重のddH ₂ Oの注射針からプラスチック射出チューブをスライドさせて、すぐに主要な注射器の針の上に直接転送します。 （チューブの壁に穴を開けないように注意してください。）
10. 注入を開始し、膜電位の記録を開始します。

5.二次噴射の開始：

1. 化学庭の構造が形成された後、（6ミリリットルを注入された後）3時間後にシリンジポンプに停止ヒット（Figu）4再度、継続的に膜電位を生成する（ 図5）。
2. 慎重にシリンジポンプからの一次注射器を取り外します（しかし、構造が乱されていないので、チューブに接続されたそれらを残します）。流体が戻ってシリンジ内に流れることができないように、バイアル内の流体のレベルより上のスタンドに設定してください。
3. シリンジポンプに二次噴射硫化注射器を固定し、ステップ4.3と4.4を繰り返します。
4. シリンジポンプから一度に二次注射器1を削除し、バイアル内の流体のレベルを超えて注射器を保持しながら、繰り返しステップ4.9、二次注射器（ 図6）に、一次注射器からチューブを移します。シリンジ内にリザーバからの流体の圧力が、これは化学庭を折りたたむことができ、流体をシリンジに逆流させないことを警戒します。
5. 転送が完了すると、慎重に目に二次注射器を固定しますEシリンジポンプ。
6. 再プログラムシリンジポンプは、時間ごとに2 mlで注入し、新しい注射液を注入を継続し始めるヒットします。
7. 安全第一の注射器を処分。

6.実験の終了

1. まず、シリンジポンプを停止し、その後膜電位の記録を停止し、データを保存します。
2. N _2流量をオフにして、注入容器からのラインとパラフィルムを除去します。
3. 所望であれば、貯蔵溶液を試料またはさらなる分析のために沈殿させます。慎重に貯蔵溶液を除去し、沈殿を乱さないために、慎重にいくつかのアリコートにリザーバー溶液をオフにピペットし、廃棄物のビーカー内の溶液を捨て、25 mlピペットを使用しています。
4. 注入容器を一つずつアンクランプし、ドラフト内の廃転送ビーカーにソリューションを注ぎます。沈殿物の作品をすすぐためのddH _{2 O}を使用してください。
5. あちこちに注射器を取り外しシリンジポンプをM、および廃棄物の転送ビーカーに流出余分な注入流体をさせる、チューブからそれらを抽出します。廃棄物のビーカーに注射器を空にし、換気フード内に保持硫化鋭利物容器にシリンジを処分。
6. 実験バイアルからチューブを外し、固形廃棄物の袋に廃棄してください。シールをUncrimpおよび隔壁、シール、およびピペットチップを処分。
7. ガラス実験バイアルをすすぎ、1MのHCl酸浴、O / Nでそれを浸します。 （注意-酸に置かれたときに毒性のH ₂ Sガスを放出する硫化ナトリウムと接触したガラス製品ヒュームフード内部の酸浴をしてください。）

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結果

注射液は、貯蔵溶液に供給し始めたら、化学庭の沈殿物が液体の界面に形成し始め、この構造体は、注射（ 図4-7）の過程で成長し続けました。ここで報告する実験では、最初の注入は、（L-アラニンおよび/ ​​またはピロリン酸を含むように修飾することができる）の水酸化ナトリウムとし、リザーバー溶液は、1：ミックスを得たFe ³⁺ / ²⁺のFe 3混合物-redox状態?...

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ディスカッション

注入法による化学ガーデン構造の形成は、沈殿物を生成する反応性イオンを含有する任意の二つの溶液をインターフェースすることによって達成することができます。沈殿物の構造を生成し、所望の構造を成長させる反応性イオン及び濃度の右のレシピが試行錯誤の問題で見つけるだろう多くの可能な反応系があります。注射液の流量は、プログラム可能なシリンジポンプによって制御され?...

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資料

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