化学花园作为模拟天然热液系统的流动反应器

摘要

我们通过注射实验描述了化学花园的形成，该实验可实现对海底热液喷口处自然形成的化学花园系统的实验室模拟。

摘要

本文报道了利用注入式化学花园方法对海底热液烟囱生长过程进行的实验模拟。此类实验的多功能性使其可用于测试各种假定的海洋/热液流体化学条件，这些条件可能在早期地球、早期火星，甚至外行星的冰卫星等天体的环境中推动了生命起源相关的化学反应。我们展示了在模拟早期地球无氧条件下生长化学花园结构的实验，包括在注入液中添加痕量磷酸盐/有机物以将其整合进结构中，更换注入液以引入第二种沉淀阴离子，以及测量化学花园所产生的膜电位。通过该方法，形成了可模拟海底热液喷口自然烟囱的自组装化学花园结构，这些沉淀物可作为流通式反应器，通过连续多次“热液”注入实现有效利用。

引言

“化学花园”是指当两种化学性质不同的流体相互作用时形成的自组装无机沉淀物^1,2。这些自组装的无机结构因其具有类生物形态而引起科学界逾百年的兴趣，已有大量实验与理论研究致力于揭示化学花园系统的各种复杂特性及其潜在功能³。自然界中化学花园的实例包括在热液喷口和渗漏区周围生长的矿物“烟囱”状沉淀物，有观点认为这些环境可能为生命的起源提供了合理的场所⁴。为了模拟自然热液喷口烟囱的化学花园实验，储液应代表模拟的海水成分，注入液则应代表注入海洋的热液流体。此类实验对不同反应体系具有高度适应性，因此几乎可以模拟任何假定的海洋/热液流体化学环境，包括早期地球或其他星球上的环境。在早期地球，海洋是缺氧的、呈酸性（pH 5–6），并含有溶解的大气CO₂和Fe²⁺，以及Fe^III、Ni²⁺、Mn²⁺、NO^3-和NO^2-。这种海水与超镁铁质洋壳之间的化学反应会产生富含氢气和甲烷的碱性热液流体，在某些情况下还含有硫化物（HS^-）^4-8。因此，早期地球碱性热液喷口环境中形成的烟囱可能含有亚铁/高铁羟基氧化物以及铁/镍硫化物，有研究提出这些矿物可能在利用地球化学氧化还原电位/pH梯度驱动代谢起源过程中发挥特定的催化和类原始酶功能⁵。同样，在其他可能存在（或曾经存在）水/岩界面的天体上——例如早期火星、木星的卫星欧罗巴或土星的卫星恩克拉多斯——水与岩石之间的化学反应也可能产生碱性热液环境，从而推动前生命化学反应，甚至为现存生命提供宜居微环境^5,9-11。

经典的化学花园实验涉及一种金属盐的晶种， 例如 四水合氯化亚铁 FeCl₂•4H₂O，在含有反应性阴离子的溶液中浸泡 例如 硅酸钠或“水玻璃”。该金属盐溶解，形成含有 Fe 的酸性溶液²⁺ 与更偏碱性的溶液（含有硅酸根阴离子和OH⁻）相接触的界面^-）并形成无机膜沉淀物。该膜在渗透压作用下膨胀、破裂，随后在新的流体界面重新沉淀。此过程反复进行，直至晶体完全溶解，最终形成具有复杂宏观与微观形貌的垂直取向、自组织沉淀结构。该沉淀过程使得化学性质不同的溶液在无机化学花园膜两侧持续分离，膜两侧带电物种的差异从而产生膜电位。^12-14化学花园结构复杂，从内部到外部呈现出成分梯度^13,15-19，且该结构的壁能够在长时间内保持两种不同溶液的分离，同时对离子具有一定的通透性。除了作为理想的教育实验（因其易于制备，适合课堂演示，可帮助学生理解化学反应和自组织现象）外，化学花园还具有重要的科学意义，可作为远离平衡态的动态系统中自组装过程的模型，其所涉及的方法有望用于制备具有特殊性能和应用价值的材料。^20,21.

在实验室中，化学花园也可以通过注入法来培育，即把含有一个沉淀离子的溶液缓慢注入到另一个含有共沉淀离子（或多种离子）的溶液中。这种方法会形成与晶体生长实验类似的化学花园结构，但能够更好地控制体系和沉淀物的性质。注入法具有若干显著优势：它允许使用任意组合的沉淀或掺入物种来形成化学花园；i.e.，可将多种沉淀离子整合到一种溶液中，和/或在任一溶液中加入其他非沉淀组分，以吸附或与沉淀物发生反应。若将电极置入结构内部，则可在注入实验中测量化学花园体系所产生的膜电位，从而实现对该体系的电化学研究。通过调节注入速率或总注入体积，注入实验能够以可控的时间段将注入溶液持续供给至化学花园内部；因此，可以依次通入不同的溶液，并利用沉淀形成的结构作为捕获装置或反应器。综合这些技术，可模拟在海底热液喷口自然化学花园体系中可能发生的复杂过程，包括由海水与喷口流体之间多种同步沉淀反应形成的烟囱结构（e.g., 生成金属硫化物、氢氧化物和/或碳酸盐与硅酸盐）^5,22。这些技术也可应用于任何化学花园反应体系，以实现新型材料的合成，e.g., 分层管状结构或带有吸附反应性物种的管状结构^20,23。

本文详细描述了一个实验示例，其中包括在无氧环境中同时生长含 Fe²⁺ 的化学花园结构。在该实验中，我们将微量的多聚磷酸盐和/或氨基酸加入初始注入溶液中，以观察它们对结构形成的影响。在化学花园初步形成后，我们更换注入溶液，引入硫化物作为第二沉淀阴离子。实验过程中自动记录膜电位的变化。本方案介绍了如何使用双注射泵同时进行两个实验；所展示的数据需要对该程序进行多次重复运行。我们实验中采用的相对较高的流速、低 pH 值的储液环境以及反应物浓度，旨在使沉淀物在适合一日实验室实验的时间尺度上形成较大的烟囱状结构。然而，天然热液喷口中的流体流速可能更为弥散，且沉淀反应物（例如，早期地球系统中的 Fe 和 S）的浓度可能低一个数量级⁴；因此，有序结构的沉淀物将在更长的时间尺度上形成，喷口活动可持续数万年^24,25。

方案

1. 安全注意事项

1. 使用个人防护装备（实验服、护目镜、腈类手套、合适的鞋子）以防止化学品泄漏或受伤。使用注射器和针头时需小心，避免刺穿手套。在实验装置搭建过程中，应先用双蒸水进行注射操作，检查装置是否漏液，确保安全。₂O (ddH₂O)₂O)，并在添加化学品前检查反应管在支架上的稳定性。
2. 使用任何化学花园配方进行本实验均可，但我们用于模拟深海热液喷口的一种反应物——硫化钠具有危险性；因此，整个实验必须在通风橱内操作，以避免接触。
   1. 仅在通风橱内打开硫化钠瓶，并将天平置于通风橱内用于称量硫化物。含硫化物的溶液须始终置于通风橱内，因其会释放有毒的H₂S气体，并将硫化物液体、锐器及固体废物容器置于通风橱内。另一种重要的反应物是Fe(II)Cl₂•4H₂O，暴露于空气时会氧化，因此需注意保持溶液处于无氧状态，并在无氧顶空条件下培养化学花园（例如， N₂ 或在通风橱或手套箱中进行。

2. 注射实验的设置

1. 使用玻璃切割器将一个100 ml透明玻璃压盖血清瓶（20 mm压盖密封类型）底部1 cm处切掉，制成玻璃“注射小瓶”，使其倒置后瓶口敞开，暴露于空气中。由于这些小瓶可重复使用，每次新实验前需将其在1 M HCl酸浴中浸泡过夜（O/N），然后用ddH₂O充分冲洗。
2. 准备注射小瓶（图1）。
   1. 取一个20 mm隔垫、一个20 mm铝制压盖密封圈和一个0.5–10 µl塑料移液器吸头。使用16 G注射器针头小心地在隔垫中心穿刺一个小孔，然后将针头取出并丢弃至适当的锐器废物容器中。
   2. 将移液器吸头插入针孔中，从橡胶隔垫将面向瓶盖内部的一侧穿入。推动移液器吸头穿过隔垫，使其从另一侧穿出。
   3. 用压盖将带有移液器吸头的隔垫密封在注射容器上，形成防水密封。密封后，进一步推动移液器吸头穿过隔垫，使其向外突出。
   4. 将内径为1/16”的透明、柔韧、耐化学腐蚀的软管连接到移液器吸头上（软管长度应足以从注射小瓶延伸至注射泵）；将其推入以形成防水密封。
      注意：此软管将作为注射管，另一端由带有16 G针头的注射器供液。
   5. 检查是否泄漏：将装有10 ml ddH₂O的注射器（带16 G针头）插入软管的另一端（将软管平稳地直接套在针头上，注意不要刺穿管壁）。缓慢注射，使ddH₂O沿软管上升并进入反应容器底部。确保注射器与软管、软管与吸头以及压盖密封处均无泄漏。
3. 将注射小瓶用夹具固定在通风橱内的支架上，使注射液从瓶底进入。
   注意：可同时设置多个小瓶，并通过不同的注射器同时供液。
4. 设置用于测量化学花园壁膜电位的电极。始终采用相同的连接方式，明确哪一根导线为“内部”，哪一根为“外部”。
   1. 剪取适当长度的绝缘导线（例如铜线），使其能从反应容器内部连接至万用表或多通道数据记录仪的接线端。导线应留出少许余量以便调整位置。
   2. 将位于反应小瓶内部一端的导线末端剥去约3 mm绝缘层；另一端将连接至万用表接线端，需剥去约1 cm绝缘层。
   3. 固定导线以测量化学花园的膜电位。对于将插入化学花园内部的导线：将其插入供液进入容器的移液器吸头开口中。
   4. 轻轻推入导线，确保其与注射溶液接触，但不可插入过深以免堵塞注射流路。对于外部导线：将其放置在能接触溶液储液但不接触化学花园沉淀物的位置。
   5. 用胶带或其他方式固定导线，确保实验过程中导线在注射小瓶内不会移动（图2）。
   6. 将导线另一端连接至万用表，并固定该端导线，确保整个实验过程中其位置保持不变。
5. 设置氮气（N₂）气体管路，每条管路分别通入一个注射小瓶。
   1. 将来自N₂气源的气体分流至多根管路，确保每个注射小瓶均有一条独立的N₂供气管路。
   2. 将每根N₂管路放置到位，使其通入其中一个注射小瓶的顶部空间。

3. 化学花园生长用溶液的制备

1. 为每次实验准备100 ml储液。注意：本示例中使用75 mM Fe²⁺和25 mM Fe³⁺作为沉淀阳离子（表1）。
   1. 通过向每100 ml去离子水（ddH₂O）中通入N₂气体约15分钟，制备无氧溶液。
   2. 称取FeCl₂•4H₂O和FeCl₃•6H₂O并加入溶液中，轻轻搅拌至溶解（避免剧烈搅拌以防止引入氧气）。
   3. 试剂溶解后，立即恢复对Fe²⁺/Fe³⁺溶液的轻微N₂气泡通入，同时准备后续注射操作。
2. 从表1列出的主要注射溶液中任选两种，每种各配制10 ml。将每种溶液分别装入一支10 ml注射器至7 ml刻度处（每种溶液使用一支独立注射器）。盖上针帽，置于一旁备用。
3. 配制表1中列出的20 ml次级注射溶液（硫化钠——注意：有危险）。用该溶液将两支10 ml注射器均填充至7 ml刻度，盖上针帽后置于一旁备用。含硫化物的溶液及注射器必须始终存放于通风橱内。
4. 重新填充第2.2.5步中的去离子水（ddH₂O）注射器；这些注射器将用于冲洗注射管路。

4. 开始初次注射

1. 使用所需的数据记录仪进行膜电位测量；每个实验的电位在独立通道中进行测量，并设置扫描速率以获得所需数量的数据点（例如，对于2小时的注射，每30秒记录一次电位即可。
2. 在通风橱中，将主注射器固定在可编程注射泵上。
3. 使用废液烧杯收集滴液，将注射泵调至快速注射模式，直至两个注射器均开始向烧杯中滴液。随后停止注射（以确保两个注射器在完全相同的液位起始注射）。
4. 重新编程注射泵，以每小时2 ml的速度进行注射（根据所用注射器类型进行校准），但不要按下启动键。
5. 加入ddH₂O₂将注射器插入两根塑料注液管中，注入液体，使水充满透明导管，直至其进入主储液罐的开口处。将注射器放置在支架上，位于注液瓶上方。
6. 加入100 ml的Fe²⁺/Fe³⁺ 将储液加入每个小瓶中。
7. 调节 N 的流速₂ 根据需要连接气体管线，以确保在注射过程中实验环境保持无氧状态。
8. 小心地用气密封口膜密封储液瓶例如，使用Parafilm密封；避免遮挡玻璃视线）并插入一个N₂ 加入每个小瓶中（图3).
9. 将 ddH₂O 加至₂将注射器（仍插在管路中）放置到主注射用注射器旁边。小心地将塑料注射管路从ddH₂O中滑出。₂用注射器针头立即直接转移至其中一个主注射器针头上。（注意不要刺破管壁。）
10. 开始注射，并开始记录膜电位。

5. 开始二次注射：

1. 在注射3小时后（注入6 ml后），当化学花园结构已形成（图4），并持续产生膜电位（图5）时，按下注射泵的停止按钮。
2. 小心地将初次注射用的注射器从注射泵上取下（但保持其与管路的连接，以免扰动结构）；将其放置在支架上，位置高于小瓶内液体的液面，以防止液体倒流回注射器中。
3. 将二次注射用的硫化物注射器固定到注射泵上，并重复步骤4.3和4.4。
4. 依次将二次注射器从注射泵上取下，在保持注射器高于小瓶内液面的同时，重复步骤4.9，将管路从初次注射器切换至二次注射器（图6）。需密切注意储液端的液体压力，防止液体倒流进入注射器，否则可能导致化学花园结构坍塌。
5. 切换完成后，小心地将二次注射器牢固固定在注射泵上。
6. 重新编程注射泵，以每小时2 ml的速率进行注射，然后按下启动按钮，使用新的注射溶液继续注射过程。
7. 安全处理并丢弃初次注射用的注射器。

6. 结束实验

1. 首先停止注射泵，然后停止记录膜电位，并保存数据。
2. 关闭氮气（N₂）气流，移除加样容器上的管路和Parafilm封膜。
3. 如需进一步分析，可取样储液或沉淀物。为小心移除储液而不扰动沉淀，使用25 ml移液管分多次小心吸取储液，并将液体弃入废液杯中。
4. 逐一松开加样容器的夹具，将溶液倒入通风橱内的废液转移烧杯中。使用去离子水（ddH₂O）冲洗残留的沉淀物碎片。
5. 从注射泵上取下注射器，将其从管路中拔出，让多余的注射液流入废液转移烧杯中。将注射器内残余液体排空至废液杯，并将注射器弃置于通风橱内专用的硫化物锐器容器中。
6. 将管路从实验小瓶上拆除，并弃置于固体废物袋中。解开压紧的密封装置，丢弃隔垫、密封圈和移液枪头。
7. 用清水冲洗玻璃实验小瓶，随后将其浸泡于1 M盐酸（HCl）酸浴中过夜（O/N）。注意：接触过硫化钠的玻璃器皿在酸中会释放有毒的硫化氢（H₂S）气体，酸浴必须置于通风橱内。

结果

一旦注入溶液开始流入储液溶液中，化学花园沉淀物便在流体界面处开始形成，并随着注入过程的进行持续生长（图4-7）。在本研究报道的实验中，首次注入的溶液为氢氧化钠（可添加L-丙氨酸和/或焦磷酸盐），储液溶液为Fe³⁺/Fe²⁺的1:3混合物，生成具有混合氧化态的铁氧氢氧化物沉淀。这些化学花园通常表现出双色形态——部分沉淀呈深绿色（可能表明为混合型氧氢氧化物），另一部分则呈橙色（可能主要为Fe³⁺-氧氢氧化物/氧化物）。铁氧氢氧化物化学花园结构较为坚固，注入完成后即使将储液溶液从容器中移除，这些结构通常仍能保持直立状态（图8）。在仅含铁氧氢氧化物的沉淀中，化学花园通常形成多个分支；然而，当注入溶液中包含疏水性氨基酸丙氨酸时，化学花园倾向于形成较少分支，甚至仅形成单一柱状沉淀。这种对破裂和分支的抑制现象表明，添加丙氨酸可能形成了更坚固的化学花园壁²⁶。在环境扫描电子显微镜（ESEM）下观察发现，含丙氨酸形成的沉淀形态更趋圆润且无定形，而纯铁氧氢氧化物沉淀（以及含焦磷酸盐的沉淀）则表现出更明显...

讨论

通过注射方法形成化学花园结构，可通过将含有能产生沉淀的反应性离子的任意两种溶液接触来实现。有许多可能的反应体系能够生成沉淀结构，而找到合适的反应性离子种类及其浓度以生长出所需结构，则需要通过反复试验来确定。注射溶液的流速由可编程的注射泵控制，该流速也可在不同实验之间进行调整，以模拟自然系统中不同的流体流动速率。化学花园的结构受多种因素影响，包括溶液组成和流速等，其结构可在数小时内快速形成，也可在数天至数周的较长时间内生长。此外，还可以在注射液或储液中加入其他感兴趣的痕量组分，例如被认为在地质或生物学上具有相关性的有机分子或其他成分^27,28。根据具体的化学环境，这些组分可能被整合进沉淀物中，和/或发生化学反应。

已有多种方法被用于此前研究中化学花园沉淀物的生长，包括从溶解的晶体或“颗粒”直接生长^18,29 以及类似本文所示的注射实验^30,31为了设计一个能够可靠测量膜电位的化学花园实验，必须在整个实验过程中创建某种方法，以确保电极导线的“内部”完全被沉淀膜所包覆。这一步骤具有较大难度（尽管并非不可能实现）^1...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
注射泵	Fisher	14-831-3	双通道或多通道，取决于所需同时进行的实验数量
四水合氯化亚铁	Fisher	I90500	四水合氯化亚铁（结晶型/优级纯）
六水合氯化铁	Fisher	I88-100	三价铁 氯离子 六水合物 （结块/经ACS认证）
氢氧化钠	Sigma-Aldrich	S5881	试剂级， ≥98%，小球状（无水）
九水合硫化钠	Fisher	S425212	九水合硫化钠（结晶体/ACS认证）。储存于-20℃ °C. 仅可在手套箱或通风橱中打开。会释放有毒 H2S气体；所有含硫化物的溶液必须保存在手套箱或通风橱中。
焦磷酸钾	Sigma-Aldrich	322431	97%
L-丙氨酸	Sigma-Aldrich	A7627
注射器（10 cc)	Fisher	14-823-16E	BD™ 带鲁尔锁扣的注射器（无针头）
注射器针头（16 量规	Fisher	14-826-18B	BD™ 通用型与精密滑动皮下注射针头，16号 G × 1.5 英寸（38 mm
导管	Cole Parmer	EW-06407-71	Tygon 实验室管路，不含 DEHP，1/16 英寸" ID x 1/8" 光密度
铝封膜	Fisher	0337523C	赛默飞世尔科技™ 国家的™ 顶空 20 mm 压接密封盖
灰色丁基橡胶塞	Fisher	0337522AA	赛默飞世尔科技™ 国家级™ 20 用于顶空瓶的毫米级隔垫
血清瓶	Sigma-Aldrich	33110-U	小瓶，压盖式瓶盖，血清瓶，容量 100 ml，透明玻璃，外径 × H 51.7 mm × 94.5 毫米。进行这些实验时，应将血清瓶的底部切掉。
移液器吸头	VWR	53511-682	移液器吸头 0.5-10 μl
导线	McMaster-Carr	8073K661	实心单股导线，UL 1007/1569，20 AWG，300 VAC