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通过细菌矿化排泄法合成钨酸钠和钼酸钠微胶囊

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DOI：

10.3791/57022

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2018年1月30日

 ,  , 
1Department of Electronic and Computer Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, 2Department of Marine Biotechnology, National Kaohsiung Marine University, 3Institute of Applied English, National Taiwan Ocean University

本文内容

摘要

本研究介绍了一种利用细菌制备钨酸钠和钼酸钠微胶囊及其相应纳米颗粒的实验方案。

摘要

我们提出一种细菌矿物排泄法（BME），用于合成两种微胶囊——钨酸钠和钼酸钠，以及相应的两种金属氧化物纳米颗粒，前者的粒径小至22 nm，后者为15 nm。我们使用不同浓度的钨酸根或钼酸根离子分别培养两种细菌——Shewanella algae 和 Pandoraea sp.。通过调节钨酸根和钼酸根的浓度，可制备出不同长径比的微胶囊。我们发现，离子浓度越高，所形成的纳米颗粒越小。纳米颗粒的长径比分别为10:1、3:1和1:1，分别通过向细菌提供低浓度、中等浓度和高浓度的离子实现。中空微胶囊的形貌通过扫描电子显微镜（SEM）进行观察。其晶体结构经X射线衍射（XRD）验证：钼酸盐微胶囊的晶体结构为Na2MoO4，钨酸盐微胶囊的晶体结构为Na2WO4 和 Na2W2O7。所有合成过程均在接近常温常压的条件下完成。

引言

金属氧化物纳米颗粒被用于药物递送1、人工骨骼构建2、非均相催化3、场致发射4,5、太阳能电池6、气体传感器7以及锂离子电池8。在实际应用中，纳米晶体及其微观结构的机械强度至关重要。在各类微观结构中，中空壳层结构可用于制备轻质且机械性能优异的材料9。在中空壳层结构中，球形结构比椭球形结构更刚性；后者的长径比大于前者10,11。本研究描述了一种在常温条件下利用细菌通过无毒方法合成球形微胶囊的实验方案，与模板合成法12、超声喷雾辅助合成法13和水热法14等其他方法形成对比。部分替代方法需要使用模板12，部分需要高达500 °C的温度13，另一些则需要高压条件14。就所得结构而言，使用酵母作为模板的合成方法会形成核-壳结构15，而非单壁结构；而使用大肠杆菌（E. coli）作为模板的方法所获得的结构其长径比为1.7:0.8，不呈球形16。

在本研究中，我们利用细菌代谢在常温条件下制备了具有单层壁结构的球形金属氧化物微胶囊。在细菌糖酵解过程中，碳源（如葡萄糖和乳糖）被代谢，该化学过程被认为是产生还原力的来源。我们通过调节碳源浓度来调控细菌代谢，以实现预期目标。该方法环境友好，使用无毒试剂且能耗显著降低。最后，通过简单增加培养液体积，即可实现微胶囊的大规模生产。

在本方法之前，已有另外两种利用细菌代谢来生成矿物的方法：生物诱导矿化（BIM）17 和生物控制矿化（BCM）18。无论是BIM还是BCM，均无法像我们的方法（被定义为细菌矿物排泄，BME19）一样用于制备钨酸钠和钼酸钨微胶囊。在本实验中，微胶囊的形状可被调控，其长径比可在10:1至1:1之间调节；构成壳层的纳米颗粒晶粒尺寸可调整，范围为15 nm至110 nm。

方案

注意：进行实验时需佩戴乳胶手套、防护眼镜并穿上实验服。使用生物安全柜时，应开启柜内风扇，并将柜门保持半闭状态。

1. 玻璃珠的制备

  1. 将100个直径为3 mm的玻璃珠放入一个100 mL的实验室瓶中，然后 tightly 封盖。
  2. 在120 °C下高压灭菌10分钟。
  3. 让瓶子冷却至室温，然后将其放入生物安全柜中。

2. 溶菌肉汤（LB）的制备

  1. 在500 mL的实验室瓶中，将8 g LB-Lennox肉汤粉末溶于400 mL水中。
  2. 使用聚四氟乙烯（PTFE）磁力搅拌子搅拌20分钟，然后 tightly 封口。
  3. 在120 °C条件下高压灭菌10分钟。
  4. 让溶液冷却至室温，并置于生物安全柜中。
  5. 在生物安全柜中，使用移液器将肉汤分装至八个15 mL离心管中（每管12.5 mL）。
  6. 在生物安全柜中，将剩余肉汤分装至三个100 mL实验室瓶中（每瓶100 mL）。紧密封口，并保存在生物安全柜中。

3. Shewanella algae 的培养

  1. 使用深冻保存的冷冻菌株。
  2. 在生物安全柜中，用不锈钢刮勺从冷冻管中取出1 mL冻存物，放入步骤3.5中已准备好的离心管中。
  3. 将培养物置于37 °C培养箱中培养24小时。

4. LB-Lennox（含琼脂的肉汤）培养皿的制备

  1. 将两片LB-Lennox（含琼脂的肉汤培养基）溶解于含有100 mL水的100 mL实验室瓶中。
  2. 使用聚四氟乙烯（PTFE）磁力搅拌子搅拌溶液20分钟，然后 tightly 封盖。
  3. 在120 °C条件下高压灭菌10分钟。
  4. 在生物安全柜中，手动将100 mL溶液分装至4个培养皿中，确保每个培养皿约加入25 mL。静置溶液至冷却至室温。

5. 单克隆细菌的制备

  1. 在生物安全柜中，将步骤 2.6 中准备的三个瓶子分别标记为 #1、#2 和 #3。
  2. 用移液器将步骤 3.3 中获得的细菌悬液 0.1 mL 加入瓶子 #1 中。盖紧瓶盖，手动摇动 1 分钟，使溶液混匀。
  3. 用移液器将步骤 5.2 中获得的细菌液体 0.1 mL 加入瓶子 #2 中。盖紧瓶盖，手动摇动 1 分钟，使溶液混匀。
  4. 用移液器将步骤 5.3 中获得的细菌液体 0.1 mL 加入瓶子 #3 中。盖紧瓶盖，手动摇动 1 分钟，使溶液混匀。
  5. 用移液器将瓶子 #3 中的液体分别加入步骤 4.4 中准备的 4 个培养皿中，每个培养皿加入 0.02 mL。
  6. 将步骤 1.3 中准备的玻璃珠放入上述 4 个培养皿中，每个培养皿放入 4 颗珠子。
  7. 盖上培养皿盖子，手动摇动 1 分钟。
  8. 将培养皿倒置，放入 37 °C 培养箱中培养 24 小时。

6. 单克隆细菌的增殖

  1. 取步骤2.5中准备的7个试管。
  2. 用不锈钢刮勺从步骤5.8中准备的4个培养皿中挑取得到的单克隆菌落，分别放入7个试管中。
  3. 将7个试管置于37 °C培养箱中培养24小时。
  4. 采用目视比色法，挑选出光散射最强的一个。

7. 含葡萄糖和盐的LB-Lennox肉汤的制备

  1. 将10 g LB-Lennox肉汤、10 g NaCl和10 g葡萄糖放入500 mL的实验室瓶中。加水至总体积达到450 mL。
  2. 使用PTFE磁力搅拌子搅拌内容物20分钟。
  3. 在120 °C条件下对内容物进行高压灭菌10分钟。

8. 钨酸钠的制备

  1. 用不锈钢药匙将16.5 g钨酸钠 Na2WO4．2H2O 放入100 mL的实验室瓶中，加水至总体积达到50 mL。
  2. 使用聚四氟乙烯（PTFE）磁力搅拌子搅拌20分钟。
  3. 在120 °C条件下高压灭菌10分钟。
  4. 在生物安全柜中，使用孔径为1 µm的真空玻璃纤维滤膜过滤，收集滤液。

9. 含葡萄糖、盐和钨酸钠的LB培养基的制备

  1. 在生物安全柜中，将步骤 8.4 中手工过滤所得的滤液倒入步骤 7.3 中配制的葡萄糖和盐溶液中。
  2. 在生物安全柜中，用移液器将步骤 9.1 得到的 500 mL 溶液分装至 10 个 50 mL 离心管中，每管 50 mL。

10. 细菌培养

  1. 在生物安全柜中，取步骤 6.4 中制备的液体，用移液器将其分装至步骤 9.2 中准备好的 10 支试管中，每管加入 0.05 mL。
  2. 将 10 支试管置于 37 °C 培养箱中孵育 120 小时。

11. BME 矿物质的收获

  1. 将步骤9.2中的10个试管在20 kHz、150 W条件下超声处理1小时。
  2. 在2,025 × g条件下离心试管1小时。
  3. 用移液器移除试管中的澄清液体，加入水，然后再次重复步骤11.1和11.2一次。
  4. 用移液器移除试管中的澄清液体，加入酒精，然后在20 kHz、150 W条件下超声处理1小时。
  5. 在2,025 × g条件下离心试管1小时。
  6. 再次重复步骤11.4和11.5一次。
  7. 通过用移液器移除试管中的澄清液体来收集BME矿物；之后立即盖紧试管，不进行任何干燥过程。

12. 使用 Pandoraea sp. 和钼酸盐进行温度振荡实验

  1. 以与步骤2、3、4、5和6中培养Pandoraea sp.相同的方法培养Shewanella algae。此步骤的结果对应于步骤6.4的结果。
  2. 以与步骤7、8和9相同的方法制备含有葡萄糖和盐的LB液体培养基，但将步骤7.1中的16.5 g钨酸钠替换为12 g钼酸钠（Na2MoO4 · 2H2O）。此步骤的结果对应于步骤9.2的结果。
  3. 在生物安全柜中，取步骤12.1中制备的液体，用移液器将其分装至步骤12.2中准备好的10支试管中，每管加入0.05 mL。
  4. 将步骤12.3中的10支试管置于往复式振荡水浴中，在25 °C与37 °C之间交替振荡培养120小时，共完成5次温度循环，每次温度维持12小时。

结果

图1显示了真正的球形微胶囊。两种细菌——Shewanella algae 和 Pandoraea sp.——原始的长径比为3:1。要实现1:1的长径比，需要高浓度（>100 mM）的金属含氧阴离子。低浓度（<5 mM）的含氧阴离子可导致长径比达到10:1，如图2所示，这可能是由于含氧阴离子进入细胞，阻碍了细菌的二分裂过程所致。最后，要实现如图3所示的3:1长径比，则需要中等浓度（约20 mM）的含氧阴离子。球形壳体的形成（长径比为1:1）可能是细菌自身驱动的结果，即通过缩小表面积来平衡含氧阴离子的摄入，同时通过细胞膜扩散这些离子。这三幅图共同表明，仅通过调节含氧阴离子的浓度，即可将长径比从10:1调控至1:1。

图4 和 图5 展示了不同尺寸的钼酸钠纳米颗粒晶粒：较小的为 15 nm，较大的为 110 nm。请注意，在 图5 中，未破裂的壳层上，110 nm 的颗粒仍相互连接成链，形成多孔壳层。较大的颗粒是通过将培养液温度在 25 °C 和 37 °C 之间交替变化 5 次而获得的，每次温度维持 12 小时。在温度交替过程中，不仅可生成不同尺寸的晶粒，还能保持微球结构，这意味着我们只需调控培养液温度，即可制备出晶粒尺寸从 15 nm 到 110 nm 不等的微胶囊。

图6 显示了破裂的壁结构，较大的颗粒停留在壁的开口附近。壁的厚度约为22 nm，较大颗粒的尺寸约为40-60 nm。这种尺寸差异可能源于尚未明确的不同代谢过程。

纳米颗粒的扫描电镜图像、电子显微镜、表面形貌分析、高倍率。
图1：长度与直径比为1:1的中空球形壳体的扫描电镜图像。 该结构由以葡萄糖为碳源的Shewanella algae排出的钨酸钠形成。经ECS《固态科学与技术杂志》（6(3), N3113, 2017年）许可转载。版权所有 2017年，电化学学会。 请点击此处查看此图的放大版本。

细菌细胞的扫描电镜图像；在微生物学中用于细胞结构分析。
图 2：具有 10:1 长径比的中空长丝状壳体的扫描电镜图像。 该结构由以葡萄糖为碳源的 Pandoraea sp. 排泄的钼酸钠形成。经 ECS Journal of Solid State Science and Technology, 6(3), N3113 (2017) 许可转载。版权所有 2017，电化学学会。 请点击此处查看此图的放大版本。

扫描电子显微镜图像，纳米颗粒表面形貌，材料科学研究。
图3：长径比为3:1的断裂中空棒状壳体的扫描电镜图像。 该结构由以葡萄糖为碳源的 Shewanella algae 排放的钨酸钠形成。经ECS固态科学与技术杂志，6(3)，N3113 (2017) 许可转载。版权所有 2017，电化学学会。 请点击此处查看此图的放大版本。

高倍率下显示纳米颗粒表面结构的扫描电子显微镜图像。
图4：破碎的钼酸钠壳体的扫描电子显微镜图像，其晶粒粒径为15 nm。 请点击此处查看该图的放大版本。

材料分析中纳米材料表面结构在25,000倍放大下的扫描电镜显微照片。
图5：粒径为110 nm的破碎与未破碎钼酸钠壳体的扫描电镜图像。 请点击此处查看此图的放大版本。

纳米管表面的扫描电子显微镜图像，放大倍数为150,000倍，显示纳米结构。
图6：长度与直径比为1:1的断裂中空壳体的扫描电镜图像。 该结构由以葡萄糖为碳源的Shewanella algae排出的钨酸钠形成。壳体外表面悬挂着直径约为40–60 nm的颗粒，紧邻一个大孔洞，而壳体本身则由直径约为22 nm的颗粒构成。经ECS《固态科学与技术杂志》（J. of Solid State Sci. and Tech.），6(3), N3113 (2017)许可转载。版权所有 2017，电化学学会。 请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

关于实验结果的自洽性，单克隆细菌的制备与扩增至关重要。本实验不同于模板合成实验15,16，采用了具有生物活性的革兰氏阴性菌。为了获得单层结构，我们选择了原核细菌，而非酵母等真核细菌15。为了实现长径比为1:1的球形结构，而不是更大的长径比16，我们通过提供更高浓度的含氧阴离子来培养细菌，使其收缩成球形，从而形成具有单层、圆形且薄壁（<30 nm）的微胶囊。

由于BME主要依赖调节含氧阴离子的浓度来控制细菌代谢，因此存在两个局限性。首先，含氧阴离子的浓度受限于其溶解度，尽管实验中浓度应尽可能高。其次，大多数细菌代谢在温度超过45 °C或低于5 °C时会停止，这分别是本实验的上限和下限温度。

尽管存在这两个局限性，液滴微反应器在制备具有实际应用价值的金属氧化物材料方面仍具有巨大潜力。为了证实这一观点，我们将尝试采用该方法制备锆微胶囊和铁微胶囊——前者是人工骨骼的良好候选材料，后者则适用于药物递送。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究工作由中国台湾地区科技事务主管部门（Republic of China）资助，项目编号为MOST 105-2221-E-011-008；同时由台北市中国台湾地区Advanced-Connectek公司（ROC）通过国立台湾科技大学光电工程研究所提供支持，合同编号分别为RD参考号6749和部门参考号011。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
含琼脂片的LB（莱恩诺克斯）肉汤Sigma-AldrichL7075每50 mL肉汤加1片琼脂片
LB（莱恩诺克斯）肉汤Sigma-AldrichL3022-1KG1 kg LB（莱恩诺克斯）粉末
无水葡萄糖日本试剂PL 78695葡萄糖
钨酸钠日本试剂PL 76050Na2WO4 · 2H2O
钼酸钠日本试剂PL103564Na2MoO4 · 2H2O
氯化钠日本试剂PL 68131NaCl
99.5%乙醇Acros organicsAC615090040CH3CH2OH
水本校制备去离子水
高压灭菌器Tomin Medical Equipmenco, Ltd., 中国台湾台北市TM-329120 °C加热10分钟
离心机Digit System Laboratory System, 中国台湾新北市DSC302SD2025 × g 离心
-80 °C 冰箱松下MDF-U3386S用于深冻保存菌种
超声波均质器/超声破碎仪/细胞破碎仪LenoxUPS-150频率20 KHz，功率150 W
培养箱定制custom made可加热至40 °C或冷却至18 °C，并具时间控制功能
往复式摇床Kingtech Scientific Co., LtdWBS-L
数字搅拌加热板Corning#6797-620D配合PTFE磁力搅拌子使用
生物安全柜宗延有限公司ZYBH-420所有与细菌相关的操作均在此进行
扫描电子显微镜JEOLJSM-6500FSEM图像
50 mL离心管Falcon14-432-22
15 mL离心管Falcon14-959-53A
100 mL实验室瓶Duran21 801 24 5
500 mL实验室瓶Duran21 801 44 5
不锈钢刮勺ChemglassCG-1981-10
PTFE一次性搅拌子FisherS68066
塑料培养皿FisherS33580A
Shewanella algae由作者#3提供由作者#3提供
Pandoraea sp.由作者#3提供由作者#3提供

参考文献

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