Name: 화학 정원으로 원자로 시뮬레이션 자연 열수 시스템 플로우를 통해 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 55 s
Description: 학습하세요 해저 열수 분출구의 화학 정원을 실험실에서 시뮬레이션하는 방법을. 초기 지구 조건을 모방하여 자기 조립 구조를 생성하고 막 전위를 측정하여 생명 기원 연구에 활용합니다.

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이 연구는 미국 항공 우주국(National Aeronautics and Space Administration)과의 계약에 따라 캘리포니아 공과 대학(California Institute of Technology)의 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)에서 수행되었습니다. NASA 우주생물학 연구소(Icy Worlds)의 지원에 감사드립니다. L.M.B.는 NASA와의 계약을 통해 Oak Ridge Associated Universities에서 관리하는 NASA 박사후 과정 프로그램을 통해 NAI의 지원을 받습니다. J.E.N.은 미국 교육부 PR/Award #: P031C110019 Citrus College를 통해 관리되었습니다. NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group 및 Blue Marble Space Institute of Science의 구성원들과의 유용한 토론에 감사드립니다.

1. 안전 고려 사항 <ol><li> 화학 물질 유출이나 부상에 방지하기 위해 개인 보호 장비 (실험실 코트, 고글, 니트릴 장갑, 적절한 신발)를 사용합니다. 주사기와 바늘을 사용하고, 장갑을 뚫지주의하십시오. 먼저 주입을 수행하여 누수 장치를 확인하는 실험을 설정하는 동안주의를 두 번 증류 H 2 O (DDH 2 O) 및 화학 물질을 추가하기 전에, 스탠드에 반응 튜브의 안정성을 확인합니다. </li><li> 어떤 화학 정원 조리법으로 실험을 수행하지만, 우리는 깊은 바다 구멍을 시뮬레이션하는 데 사용하는 반응물 중 하나는 유해 화학, 황화 나트륨이다 따라서 노출되는 것을 방지하는 흄 후드 안쪽 전체 실험을 수행. <ol><li> 만 흄 후드에서 황화 나트륨의 병을 열고 황화물의 무게를다는 흄 후드 내부의 균형을 배치합니다. 그들은 독성 H 2 S 가스를 방출로 항상 흄 후드 내에서 황화물을 함유 솔루션을 유지하고, 또한 sulfid을 유지전자 액체, 날카로운 물건, 그리고 흄 후드에서 고체 폐기물 용기. 관심의 또 다른 반응은 공기에 노출시 산화 철 (II) CL 2 • 4H 2 O,, 그래서 무산소 솔루션을 유지하고 (예를 들어, N 2 또는 AR), 항상 내에서 무산소 헤드 스페이스에서 화학 정원을 성장하는데주의를 기울여야 흄 후드 나 글러브 박스. </li></ol></li></ol> 사출 실험 2. 설치 <ol><li> 반전 할 때, 용기는 공기에 개방되어 있도록 유리 커터로 가기 혈청 병 (20mm 압착 밀봉 폐쇄 형)를 압착 한 100㎖의 투명 유리의 바닥 1cm 잘라 냄으로써 유리 &quot;주입 튜브&quot;를 생성한다. 이러한 재사용으로, 1 M 염산 산 목욕 O / N에서 튜브를 청소하고 새 실험 전에 DDH 2 O 잘 씻어. </li><li> 주입 튜브 (그림 1)을 준비합니다. <ol><li> 격막 20mm, 20mm 알루미늄 시일 압착하고 0.5-10 μL 플라스틱 피펫 팁을 모은다. 16 G 주사기 (NE)를 사용하여edle 조심스럽게 그리고, 격벽의 중심 관통 구멍을 천공 제거하고 적절한 예리한 폐기 용기에 바늘을 버린다. </li><li> 유리 병의 압착 상부에 직면하게 될 것이다 고무 격막의 측면에, 바늘 구멍에 피펫 팁을 삽입합니다. 그것은 다른 측면을 넘나들며 있도록 격막을 통해 피펫 팁을 밀어 넣습니다. </li><li> 크림프 밀봉 시일을 수밀하게 주입 용기에 피펫 팁을 가진 격막. 밀봉 된 때 외부로 돌출되도록 격막을 통해 상기 피펫 팁을 누른다. </li><li> (배관 길이가 주사기 펌프로 주입 유리 병에서 도달한다) 피펫 팁에 1/16 &quot;내경 명확한 유연한 화학성 튜브를 붙입니다; 방수 밀봉을 위해 그것을 밀어 넣습니다. 참고 :이 16 G 바늘과 주사기에 의해 다른 쪽 끝에서 공급되는 주입 관이 될 것입니다. </li><li> 누수 확인 : 튜브의 다른 쪽 끝으로 16 G 바늘 DDH 2 O 가득 10 ML의 주사기를 삽입(부드럽게 직선 바늘에 튜브 슬라이드와 튜브의 벽에 구멍을하지 않도록주의). 천천히 DDH 2 O가 튜브를 이동하고, 반응 용기의 하부로 주입되도록. 그 주사기 / 튜브, 튜브 / 팁을 확인하고 압착 씰 방수 있습니다. </li></ol></li><li> 주입 유리 병의 바닥에서 먹이를 수 있도록, 흄 후드에서 스탠드에 주입 튜브를 클램프. 참고 : 여러 병은 한 번에 설정하고 별도의 주사기에 의해 동시에 공급 될 수있다. </li><li> 화학 정원의 벽을 가로 질러 막 잠재력을 측정하기위한 전극을 설정합니다. 항상 리드는 &quot;내부&quot;인과 화학 정원의 &quot;외부&quot;인 동일한 규칙을 사용합니다. <ol><li> 멀티 미터 또는 데이터 로거의 리드에 반응 용기 내부에서 도달 절연 전선 (예를 들어, 구리)의 길이를 잘라. 위치에 대한 전선의 느슨 함을 조금 남겨주세요. </li><li> 의 스트립 ~ 3mm반응 바이알 내부에 위치한다 단부에 나선. 멀티 미터 리드 와이어 스트립 ~ 1cm로 연결됩니다 다른 끝. </li><li> 화학 정원에서 막 잠재력을 측정하는 장소에 와이어를 고정합니다. 화학 정원 안에 갈 것이다 와이어 : 유체가 용기에 공급되는에서 피펫 팁의 구멍에 삽입합니다. </li><li> 하지만 지금까지이 분사 흐름을 방해 할 것, 주사 용액과 접촉을 보장하기 위해 가볍게에 와이어를 밀어 넣습니다. 외부 와이어 : 장소는 그것이 용액 저장조가 아닌 화학 정원 석출물과 접촉 될 수 있도록. </li><li> 그들은 실험 (도 2) 동안 주사 바이알 안에 움직일 수 있도록 테이프 또는 그렇지는 와이어를 고정. </li><li> 멀티 미터 와이어의 타 단부를 연결하고, 그 단부는 실험 내내 움직이지 않도록 고정 와이어. </li></ol></li><li> N 2 설정 </각각 주입 튜브의 하나로 공급됩니다 서브&gt; 가스 라인. <ol><li> 각각의 주사 바이알에 대해 하나의 N 2 공급 물이 존재하도록, 몇 개의 튜브에 N 2 가스 공급원으로부터 공급 물을 분할. </li><li> 가 주입 튜브의 하나의 헤드 스페이스에 공급되도록 각각의 N 2 튜브를 놓습니다. </li></ol></li></ol> 화학 정원 성장을위한 솔루션 3. 준비 <ol><li> 저장 솔루션, 각 실험에 대한 100 ㎖를 준비합니다. 주 :이 예에서, 침전 양이온 (표 1) 75 mM의 철 및 25 mM의 2+ 3+ 철을 사용한다. <ol><li> 처음 100 ㎖ 당 ~ 15 분 동안 N 2 가스로 DDH 2 O 버블 링에 의해 무산소 솔루션을 만듭니다. </li><li> (산소를 도입하지하지 않기 적극적 않도록) 밖으로 달아 용해 부드럽게 교반, 50ml을 2 • 4H 2 O 및 50ml을 • 6H 2 O를 추가합니다. </li><li> 시약은 용해 후 즉시 resum철 2+ / 철의 E 빛 버블 링 3 + N 2 가스 용액 주사가 준비되어있다. </li></ol></li><li> 표 1에 나타낸 주 주사 용액의 두 선택하고, 각 10 ㎖를 준비한다. 솔루션의 각각 7 ml의 표시로 10 ML의 주사기 (각 솔루션에 대해 하나의 주사기)를 입력합니다. 바늘 캡을 교체하고 따로 설정합니다. </li><li> . 보조 주입 용액 20 ㎖ (황화 나트륨 -주의) 준비 표 1을이 용액을 7 ㎖의 표시에 2 개의 10 ml의 주사기를 채우기, 바늘 캡을 교체하고 따로 설정합니다. 항상 흄 후드에서 황화물을 함유 솔루션과 주사기를 유지. </li><li> DDH에게 단계 2.2.5 2 O 주사기 리필; 이러한 주입 튜브를 세척하는데 사용된다. </li></ol> 4. 차 주입 시작 <ol><li> 막 잠재적 인 측정을위한 원하는 데이터 로거를 사용; 해부에 각 실험의 가능성을 측정E 채널, 및 (전위 매 30 초 충분할 것이다 녹화 2 시간 주입을 위해, 예) 데이터 포인트의 원하는 양을 제공하기 위해 스캔 속도를 설정한다. </li><li> 흄 후드에서 프로그램 주사기 펌프에 차 주입 주사기를 고정합니다. </li><li> 드립을 잡아 주사기 모두 비이커에 물방울을 시작 할 때까지 빠른 속도로 주입하는 주사기 펌프를 설정하는 폐기물 비커를 사용합니다. 이어서 (두 주사기 정확히 동일한 레벨 주입 시작되도록하기 위해) 주입을 중지. </li><li> 주사기 펌프가 시간당 2 ml의에 주입하는 재 프로그램 (사용되는 주사기의 유형에 대한 보정),하지만 시작에 충돌하지 않습니다. </li><li> 두 개의 플라스틱 사출 튜브에 DDH 2 O 주사기를 삽입하고 물이 메인 저수지를 입력 구멍에 투명 튜브를 위로 채우도록 주입. 주입 튜브 위에 스탠드에 주사기를 놓습니다. </li><li> EA로의 Fe 2+ / 철 3+ 저장 용액 100 ㎖를 붓고채널 유리 병. </li><li> 주사 기간 동안 실험 무산소 유지 원하는 N 2 가스 라인의 흐름을 조절한다. </li><li> (; 유리를 통해보기를 방해하지 예를 들어, 파라 필름을 사용) 각 바이알 (그림 3)에 N 2 피드를 삽입 조심스럽게 밀폐 씰 저수지 튜브를 커버한다. </li><li> DDH 2 O 주사기 (스틸 튜브에 삽입) 아래로 옆에있는 차 주입 주사기를 가져와. 조심스럽게 DDH 2 O 주사기 바늘 오프 플라스틱 사출 튜브 슬라이드, 즉시 차 주입 주사기 바늘 하나에 직접 전송할 수 있습니다. (튜브의 벽에 구멍을하지 않도록주의하십시오.) </li><li> 주입을 시작하고 막 잠재력의 녹음을 시작합니다. </li></ol> 5. 차 주입을 시작 : <ol><li> ((6 ml를 주입 한 후), 한 번 화학 정원 구조를 형성 한 3 시간 후 Figu을 주사기 펌프 정지 히트) 4 재, 지속적으로 막 전위를 생성한다 (그림 5). </li><li> 조심스럽게 주사기 펌프에서 차 주입 주사기를 제거합니다 (그러나 구조가 방해되지 않도록 배관에 연결을두고) 유체는 다시 주사기 내로 유입되지 않도록 바이알 내의 유체의 레벨 위에서 스탠드으로 설정. </li><li> 주사기 펌프에 보조 주입 황화 주사기를 고정하고, 단계 4.3 및 4.4를 반복합니다. </li><li> 유리 병에서 유체의 수준 이상으로 주사기를 잡고 보조 주사기에 차 주사기에서 (그림 6) 튜브를 전송하는 단계 4.9를 반복, 주사기 펌프에서 한 번에 보조 주사기 하나를 제거하고. 주사기에 저수지에서 유체 압력이 화학 정원을 축소시킬 수 있으므로 주사기로 역류하는 유체가 발생하지 않는 것을 경계한다. </li><li> 전송이 완료되면, 신중 1~ 이차 주사기 확보전자 주사기 펌프. </li><li> 다시 프로그램 주사기 펌프는 시간 당 2 ml를 주입 할시, 새로운 주입 용액 주입을 계속하기 시작했다. </li><li> 안전하게 차 주입 주사기 폐기하십시오. </li></ol> 6. 실험 종료 <ol><li> 우선, 주사기 펌프를 정지 한 후, 막 전위의 기록을 중지하고 데이터를 저장한다. </li><li> N 2 흐름을 끄고 분사 선박의 라인과 파라 필름을 제거합니다. </li><li> 원하는 경우, 저류 액을 샘플링 또는 추가 분석을 위해 침전. 신중 저장 용액을 제거하고, 침전물을 방해하지 않도록주의 깊게 여러 분량 씩 저장 용액을 피펫과 폐기물 비커 용액을 버리고 25 ㎖ 피펫을 사용한다. </li><li> 주입 용기 한 번에 하나씩 언 클램프 및 흄 후드에 폐기물 전사 비이커에 용액을 붓는다. 침전물의 조각을 씻어 DDH 2 O를 사용합니다. </li><li> 이리저리 주사기를 제거주사기 펌프를 M 및 폐기물 전송 비커에 도망 여분의 주입 유체를시키는, 튜브에서 그들을 압축을 풉니 다. 폐기물 비커에 주사기를 비우기 및 흄 후드에 보관 황화물 날카로운 물건 용기에 주사기 폐기하십시오. </li><li> 실험 유리 병에서 튜브를 제거하고 고체 폐기물 봉투에 폐기하십시오. 씰을 Uncrimp 및 격막, 인감 및 피펫 팁 폐기하십시오. </li><li> 유리 실험 유리 병을 씻어 1 M 염산 산 목욕 O / N에 담가. (주의 - 산에 위치 할 때 독성 H 2 S 가스를 발표 할 예정이다 황화 나트륨과 접촉 한 유리 흄 후드 내에서 산 화장실을 유지합니다..) </li></ol>

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저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

주입법을 통한 화학 정원 구조의 형성은 침전물을 생성 반응성 이온을 함유하는 임의의 두 용액의 인터페이스에 의해 달성 될 수있다. 침전물 구조를 생성하고 반응성 이온 농도의 올바른 조리법을 찾는 것은 바람직한 구조는 시행 착오의 문제이다 성장하는 여러 가지 반응 시스템이 있습니다. 주입 용액의 유속은 프로그래머블 주사기 펌프에 의해 제어되며, 이는 또한 천연 시스템에서 유체 유동의 다른 비율을 시뮬레이션 실험 사이에서 변화 될 수있다. 화학 정원의 구조 조성 및 유량을 포함한 많은 요인들에 의존하고, 이는 몇 시간과 같은 주 일 장기간에 걸쳐 거의 같은 구조를 성장시킬 수있다. 하나는 또한 유기 분자 또는 지질 학적 또는 생물학적 관련성이 생각 다른 구성 요소로, 주사 또는 저장 솔루션으로 관심의 다른 추적 구성 요소를 추가 할 수 있습니다 &lt;SUP&gt; 27, 28. 화학에 따라, 이러한 구성 요소는 침전물에 포함 및 / 또는 반응을 겪을 수있다. 여기에 3...

&quot;화학 정원은&quot;대비 화학의 두 유체가 1,2 상호 작용을 개발 한 자기 조립 무기 침전물이다. 이러한 자기 조립 무기 구조는 부분적으로 자신의 생체 모방 외관을 통해 세기의 과학적 관심의 대상이되고 있고, 많은 실험 및 이론적 연구는 화학 정원 시스템 (3)의 각종 복잡한 양상 및 가능한 기능을 이해하기 위해 추진되고있다. 화학 정원의 자연 예를 열수 스프링 스며 주위에 성장 미네랄 &quot;굴뚝&quot;침전물을 포함하고,이 생명은 4 등장 할 설득력있는 환경을 제공 할 수 있다고 주장하고있다. 천연 열수 분출 공 침니 시뮬레이션 화학 정원 성장, 저류 액 모의 바다 조성물 및 바다로 공급 열수 유체를 나타내야 주사액을 표현한다. 이 O 형의 다양성다른 반응 시스템에 F 실험 초기 지구에서 또는 다른 세계에 환경을 포함하여 거의 모든 제안 바다 / 열수 유체 화학,의 시뮬레이션이 가능합니다. 초기 지구에서 바다는 무산소, 산성 (PH 5-6)했을 것이다, 더 3 대기 CO2 및 Fe 2+,뿐만 아니라 철 III, 니켈 2 +, 같은 망간 2+를 용해 포함 된 것 및 NO 2. 이 해수 및 초 염기성 해양 지각 사이의 화학 반응은 수소와 메탄을 포함하는 알칼리 열수 유체를 생산하고했을 경우 황화 (HS -)에 4-8. 초기 지구 알칼리 벤트 환경에서 형성 굴뚝 따라서 철 / 철 옥시 수산화 철 / 니켈 황화물을 함유 한 수, 그리고 이들 광물이 지구 화학적 산화 환원 / 산도 그라디언트를 활용하여 구동하는 방향으로 특정 촉매 및 프로토 효소 기능을 제공했을 수도 있다고 제안되었다 metaboli의 출현SM 5. 마찬가지로, 것과 같은 다른 세계는 호스트 수에 (또는 호스팅 수도 있습니다) 물 / 바위 인터페이스 - 그것은 물 / 바위 화학이 할 수있는 알칼리 벤트 환경을 생성 할 수있는 가능성이있다 - 이러한 초기 화성, 목성의 위성 인 유로파 (Europa), 또는 토성의 위성 엔셀라두스로 프리 바이오 틱 화학 운전 또는 현존하는 생활 5,9-11에 대한 거주 할 수있는 틈새 시장을 제공한다. 고전적인 화학 정원 실험 반응성 음이온, 예를 들면 규산 나트륨 또는 &quot;물유리&quot;를 포함하는 용액에 침지 금속염의 종 결정, 예를 들면 철, 염화 테트라 • 4H 2 O 50ml을 2를 포함한다. 알칼리성 용액과 인터페이스의 Fe 2+ 함유 산성 용액을 만들기 금속염이 용해 (실리케이트 음이온을 함유하고 OH -)과 무기 막 침전물이 형성된다. 삼투압에서 막 팽창, 파열, 그때 다시 침전새 유체 인터페이스를 톤. 결정이 모두 매크로 및 마이크로 규모에서 복잡한 형태와 수직 방향, 자기 조직화 침전물 구조 초래 용해 될 때까지이 프로세스는 반복한다. 무기 화학 정원 막 걸쳐 화학적 대조 용액의 지속적인 분리하고, 막을 가로 질러 하전 종의 차분이 침전 처리 결과는 12-14 막 전위를 산출한다. 화학 정원 구조는 외부 13,15-19에 내부에서 조성 구배를 전시, 복잡하고, 이온 다소 투과성을 유지하면서 구조의 벽은 오랜 기간 동안 대조 솔루션 사이의 간격을 유지한다. (그들은 교실 시위 있도록 간단하고, 화학 반응과 자기 조직에 대한 학생들을 교육 수) 교육 목적을위한 이상적인 실험 일뿐만 아니라, 화학 정원은 자기 assemb의 표현으로 과학적인 의미를 가지고LY는 동적, 멀리에서 평형 시스템에서, 재미 있고 유용한 물질 (20, 21)의 생산으로 이어질 수있는 방법을 포함. 화학 실험실에서 정원도있는 하나의 이온을 함유하는 침전 용액을 천천히 공동 침전 이온 (또는 이온)을 함유하는 제 2 용액에 주입하고, 분사 방법을 통해 성장 될 수있다. 이 시스템의 성질과 침전이 더 잘 제어 될 수 있다는 점을 제외하고, 결정 성장 실험의 것과 유사한 화학적 정원 구조의 형성을 초래한다. 주입 방법은 몇 가지 중요한 이점을 갖는다. 그것은 하나의 석출 또는 혼입 종 조합하여 화학적 정원을 형성 할 수 있도록, 즉, 다수의 침전 이온이 하나의 용액 내로 혼입 될 수있는, 그리고 / 또는 다른 비 - 침전 부품 /은 침전물과 반응 흡착 용액 중 하나에 포함될 수있다 . 화학적으로 생성 막전위이와 같이 전극 시스템의 전기 화학적 연구를 가능 구조의 내부에 포함되어있는 경우 정원 시스템은 주입 실험에서 측정 할 수있다. 주입 실험 분사량 또는 분사 총 부피를 변화시킴으로써 제어 시간 프레임에 대한 화학 정원의 내부로 주사액을 공급하는 능력을 제공; 그것은 다른 솔루션을 순차적으로 공급하고 트랩 또는 반응기로 석출 구조를 사용하는 것이 가능하다. 결합, 이러한 기술은 바다 사이에 많은 동시 침전 반응에서 형성되는 굴뚝을 포함한 해저 열수 분출 공에서 자연 화학 정원 시스템에서 발생 할 수있는 복잡한 프로세스의 실험실 시뮬레이션을 허용하고 (예를 들어, 생산 금속 황화물, 수산화물 유체를 배출 및 / 또는 탄산염 실리케이트) 5,22. 이들 기술은 또한 새로운 종류의 형성을 허용하기 위해 임의의 화학 정원 반응 시스템에 적용 할 수있다물질, 예를 들면, 흡착 반응 종 20,23 계층화 된 튜브 또는 튜브. 여기에 우리는 세부 사항 무산소 환경에서 구조를 함유 두 화학 정원, 철 2+의 동시 성장을 포함하는 예 실험. 이 실험에서는 구조에 대한 영향을 관찰하기 위해 초기 주입 용액에 폴리 인산염 및 / 또는 아미노산 미량 혼입. 화학 정원의 초기 형성 후 우리는 차 침전 음이온으로 황화물을 소개하는 주사액을 투입합니다. 막 전위의 측정은 실험을하는 동안 자동으로 만들어졌다. 이 프로토콜은 한 번 이중 주사기 펌프를 사용하여 두 개의 실험을 실행하는 방법에 대해 설명합니다; 이 절차는 데이터의 다수의 실행을 요구되어 도시. 비교적 높은 유속, 실험에 사용되는 리저버 및 반응물의 농도의 낮은 pH가 큰 굴뚝을 형성하도록 설계된 시간에 SC 석출하루 실험실 실험에 적합 에일. 그러나, 천연 열수 스프링스에 유체 유량이 훨씬 더 확산 될 수 있고, (초기 지구 시스템에서 예를 들어, Fe 및 S)를 석출 반응물의 농도가 낮은 크기 4의 순서 일 수; 따라서, 구조화 된 침전물을 더 이상 시간 척도를 통해 형성 것이며, 벤트는 수십 년 24, 25 수천의 활성이 될 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>주사기 펌프</td><td>Fisher</td><td>14-831-3</td><td>이중 또는 다중 채널, 원하는 동시 실험 수에 따라</td></tr><tr><td>Ferrous chloride tetrahydrate</td><td>Fisher</td><td>I90500</td><td>Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)</td></tr><tr><td>Ferric chloride hexahydrate</td><td>Fisher</td><td>I88-100</td><td>Ferric&nbsp; 염화물&nbsp; 헥사하이드레이트&nbsp; (덩어리/ACS 인증)</td></tr><tr><td>수산화나트륨</td><td>시그마-알드리치</td><td>S5881</td><td>시약 등급, &ge; 98 %, 펠릿 (무수)</td></tr> <tr><td>황화 나트륨 수화물</td><td>피셔</td><td>S425212</td><td>황화 나트륨 수화물 (결정질 / 인증 ACS). -20&nbsp;에서 저장 &#176;씨. 글로브 박스 또는 흄 후드에서만 개봉하십시오. 독성 H2S 가스 방출; 모든 황화물 함유 용액은 글로브 박스나 흄 후드에 보관해야 합니다.</td></tr><tr><td>피로인산칼</td>륨 <td>Sigma-Aldrich</td><td><a href="http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en&amp; region=US">322431</a></td><td>97%</td></tr><tr><td>L-알라닌</td><td>시그마-알드리치</td><td><a href="http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en&amp; region=US">A7627</a></td><td></td></tr><tr><td>주사기 (10&nbsp; 참조)</td> <td>피셔</td><td>14-823-16E</td><td>BD &trade; Luer-Lok 팁이 있는 주사기 (바늘 없음)</td></tr> <tr><td>주사기 바늘 (16&nbsp; 게이지)</td><td>피셔</td><td>14-826-18B</td><td>BD&trade; 일반 사용 및 PrecisionGlide 하이포더믹 바늘, 16&nbsp; G x 1.5 인치 (38&nbsp; mm)</td></tr><tr><td>튜빙</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06407-71</td><td>Tygon Lab 튜빙, Non-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD</td></tr><tr><td>알루미늄 씰</td><td>Fisher</td><td>0337523C</td><td>Thermo Scientific&trade; 국가&무역; 헤드스페이스 20&nbsp; mm 크림프 씰</td></tr><tr><td>그레이 부틸 스토퍼</td><td>Fisher</td><td>0337522AA</td><td>Thermo Scientific&trade; 국가&무역; 20&nbsp; Headspace Vials</td></tr><tr><td>Serum bottles</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>Vials, crimp top, serum bottle, size 100 ml, clear glass, O.D. &times; H 51.7 mm &times; 94.5 밀리미터. 이러한 실험을 위해서는 세럼 병의 바닥을 잘라야 합니다.</td></tr><tr><td>피펫 팁</td><td>VWR</td><td>53511-682</td><td>피펫 팁 0.5-10 &#956; l</td></tr><tr><td>와이어</td><td>McMaster-Carr</td><td>8073K661</td><td>솔리드 단일 도체 와이어, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC</td></tr></tbody></table>

화학 정원으로 원자로 시뮬레이션 자연 열수 시스템 플로우를 통해

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

여기서 우리는 주입 화학 정원 방법을 사용하여 열수 굴뚝 성장의 실험적 시뮬레이션을 보고합니다. 이러한 유형의 실험의 다양성은 초기 지구, 초기 화성 또는 심지어 외부 행성의 얼음 위성과 같은 다른 세계의 환경에서 생명의 기원에 대한 반응을 유도 할 수있는 다양한 제안 된 해양 / 열수 유체 화학을 테스트 할 수 있습니다. 초기 지구를 모방한 무산소 조건에서 화학 정원 구조물의 성장, 인산염/유기물의 미량 성분을 주입 용액에 포함하여 구조에 통합, 주입 용액의 전환하여 2차 침전 음이온을 도입하는 실험, 화학 정원에서 생성된 막 전위 측정을 포함하는 실험을 보여줍니다. 이 방법을 사용하여 해저 열수 온천에서 침전된 자연 굴뚝을 모방한 자체 조립 화학 정원 구조가 형성되었으며, 이러한 침전물은 여러 번의 연속적인 "열수" 주입을 통해 공급되어 관류 반응기로 성공적으로 사용할 수 있습니다.

주사액이 저장 용액에 공급하기 시작하면, 화학 정원 침전물 유체 계면에서 형성되기 시작하고,이 구조는 주입 (도 4-7)의 과정을 통해 계속 성장. 여기에보고 된 실험에서, 첫번째 주입 (L 알라닌 및 / 또는 파이로 포스페이트를 포함하도록 수정 될 수있다), 수산화 나트륨이고, 저장 용액을 1 : 혼합을 산출의 Fe 3+ / 철 2+ 3 혼합물 -redox 상태 옥시 수산화 철 석출물. 화학 정원은 일반적으로 이중 색의 형태를 전시 - 침전물의 일부 조각은 (아마 주로 철 3+ -oxyhydroxide / 산화물을 나타내는) (아마 혼합 옥시 수산화을 나타내는) 어두운 녹색과 다른 조각 오렌지했다이었다. 화학 정원 옥시 수산화 철은 매우 견고한 구조이었고 저장 용액 주입 후 용기로부터 제거 될 때 종종 똑바로 유지 할 수 있었다 (FIgure 8). 유일한 철 - 옥시 수산화 함유 석출물에서, 화학 정원 전...

우리는 해저 열수 분출구에서 형성되는 천연 화학 정원 시스템의 실험실 시뮬레이션을 허용하는 주입 실험을 통해 화학 정원 형성을 설명합니다.

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

다음 실험의 전반적인 목표는 화학 정원 실험을 통해 소규모로 자기 조립 구조를 생성함으로써, 초기 지구의 해저 열수 분출구에서 침전된 천연 굴뚝을 모사하는 것입니다. 이는 먼저 두 가지 용액을 준비함으로써 수행됩니다. 하나의 용액은 초기 지구 해수의 조성을 모사하며, 다른 하나의 용액은 암석-물 반응에 의해 생성된 알칼리성 열수 유체를 모사합니다.다음으로, 무산소 분위기 하에서 열수와 유사한 유체를 모의 해양 저장조에 주입할 수 있도록 장치를 설치합니다. 세 번째 단계로, 주입 과정 동안 열수 용액과 해양 용액 사이의 전압을 측정하기 위한 전극을 설치합니다. 마지막으로, 열수 유사 용액을 모의 해양 용액이 담긴 바이알 바닥에 천천히 주입하여, 열수구 유체가 해양 지각에서 나와 주변 바닷물로 자연스럽게 스며드는 현상을 모방합니다.결과에 따르면 해양과 열수 용액의 계면에서 광물 침전물이 형성되며, 이것이 자연 열수 분출공과 유사한 자가 조립 화학 정원 구조로 발달하는 것으로 나타났습니다. 열수 분출공은 천연 화학 정원과 매우 유사합니다. 이러한 분출공은 약 44억 년 전 지구에서 생성된 것으로 생각되며, 대부분 철 황화물과 철 수산화물로 이루어져 있고 소량의 실리카를 포함하고 있습니다.그리고 이것들은 일종의 피부처럼 행동합니다. 알칼리성 용액이 다소 산성인 바다로 올라오는 지점에서 생성되며, 이 두 용액의 계면에서 말씀드린 것처럼 피부와 흡사한 모습으로 미네랄이 침전됩니다. 사실, 이를 우리가 오늘날 알고 있는 생명체와 비교해 볼 수도 있을 것입니다.예를 들어, 우리와 마찬가지로 생명체는 내부가 알칼리성을 띠는 경향이 있습니다. 그리고 외부 환경은 산성인 것을 선호하는 경향이 있습니다. 가볍게 말씀드리자면, 우리가 pH 5.5의 pH 샴푸를 선호하는 것과 같다고 할 수 있습니다.예를 들어, 우리는 산성인 탄산음료를 좋아합니다. 하지만 건강을 유지하기 위해 알칼리성 음료를 마시는 것도 좋아하는데, 결국 우리의 내부 환경은 천연 화학 정원과 마찬가지로 건강하기 때문입니다. 그리고 오늘 실험실에서 확인한 사실은 이러한 화학 정원의 내부가 알칼리성이라는 점입니다.외부는 산성입니다. 어느 정도 산화되어 있으며, 여기서 발생하는 현상은 이러한 화학 정원이 두 영역 사이에 화학적 구배를 형성한다는 점입니다. 즉 pH와 산화환원(Redox)의 화학적 구배가 형성되며, 이들의 합은 약 0.5V 정도가 됩니다. 이는 생명 활동을 추진하는 데 필요한 전기화학적 에너지 양과 비슷합니다. 저희는 40억 년 전 해저의 이러한 화학 정원 중 한 곳에서 생명체가 처음으로 탄생하는 데 이 정도의 에너지가 적절했을 것이라고 생각합니다.본 실험을 통해 해양, 열수 유체, 대기와 같은 다양한 행성 환경을 시뮬레이션할 수 있으며, 특정 실험 변수의 변화가 시스템에 어떤 영향을 미치는지 그 효과를 시뮬레이션할 수도 있습니다. 당초 저희는 시험관 내의 결정에서 직접 성장하는 화학 정원을 연구했으나, 막 내부에 전선을 직접 삽입할 수 없어 막 전위를 측정하는 데 어려움이 있었습니다. 따라서 이를 해결하기 위해 새로운 방법을 개발하였습니다.본 방법은 저류조 내의 해수 유체에 열수 모사액을 주입하는 주입법입니다. 이를 통해 자동 데이터 로거를 사용하여 막의 성장 과정 동안 막 전위를 측정할 수 있었습니다. 이 방법이 처음인 연구자는 구조가 잘 잡힌 화학 정원을 성장시키거나 전압 측정을 위해 전극을 화학 정원 내에 배치하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.하지만, 문제 해결 과정을 통해 이러한 모든 문제를 해결할 수 있습니다. 먼저 유리 절단기를 사용하여 100 milliliter 투명 유리 크림프 탑 세럼 병의 바닥 부분을 잘라 주입 바이알로 사용하십시오. 또한 20 millimeter 격막, 20 millimeter 알루미늄 크림프 씰, 그리고 0.5 to 10 microliter 플라스틱 피펫 팁을 준비하십시오.16 gauge 주사바늘을 사용하여 격막 중앙에 조심스럽게 구멍을 뚫은 후, 바늘을 제거하여 적절한 손상성 폐기물 용기에 버립니다. 다음으로, 피펫 팁을 바늘 구멍에 삽입하고 격막을 통해 밀어 넣어 팁이 반대편으로 나오게 합니다. 피펫 팁이 꽂힌 상태로 주입 용기의 격막을 크림프 씰(crimp seal) 처리하여 밀봉합니다.수밀 씰을 기밀 씰로 만들기 위해, 피펫 팁을 격막(septum) 너머로 더 깊게 밀어 넣어 외부로 돌출되게 합니다. 그런 다음 내경 1/16인치의 투명하고 유연하며 화학적 내성이 있는 튜브를 피펫 팁에 부착합니다. 튜브를 피펫 팁 위로 밀어 올립니다. 수밀 씰을 형성하기 위해 튜브의 길이가 주입 바이알에서 시린지 펌프까지 닿을 만큼 충분히 긴지 확인하십시오.다음으로, 주입액이 바이알 바닥에서부터 공급될 수 있도록 흄 후드 내부의 스탠드에 주입 바이알을 고정합니다. 반응 용기 내부에서 데이터 로거까지 닿을 수 있을 만큼 충분한 길이로 절연 전선 두 가닥을 자릅니다. 배치를 위해 전선에 약간의 여유를 둡니다.다음으로, 반대쪽 끝이 반응 바이알 내부에 위치하게 될 각 전선의 끝부분에서 절연체를 약 3mm 제거합니다. 이 끝부분은 멀티미터 리드선에 연결됩니다. 전선을 약 1cm 정도 벗겨낸 후, 화학 정원 내부에 삽입될 전선 하나를 피펫 팁 입구 가까이에 넣어 주입 용액과 접촉하도록 하되, 주입 흐름을 막지 않을 정도의 깊이로 삽입합니다.그런 다음 테이프를 사용하여 와이어의 양 끝을 고정합니다. 다음으로 외부 와이어가 화학 정원 침전물이 아닌 용액 저장소에 접촉하도록 배치합니다. 이어서, 용액 저장소 위의 상부 공간을 유지할 수 있도록 와이어의 자유 끝단을 데이터 로거에 연결합니다.그리고 IC 질소 가스 라인을 설치합니다. 질소 공급 탱크에서 나오는 가스 피드를 여러 개의 튜브로 분할하여 각 주입 바이알마다 하나의 피드가 있도록 합니다. 100 milliliters당 약 15분 동안 탈이온수에 질소 가스를 버블링하여, 각 반응 바이알을 위한 해수 모사액으로도 알려진 저장 용액 200 milliliters를 준비합니다.이를 통해 주입 과정 전반에 걸쳐 실험 상태가 무산소 상태로 유지됩니다. 그런 다음 25 millimolar의 iron(II) chloride와 75 millimolar의 iron(III) chloride hexahydrate를 정량하여 물에 첨가합니다.혼합물에 산소가 유입되지 않도록 조심스럽게 저어 이온을 용해시키십시오. 이온이 용해된 즉시 질소 가스를 사용하여 용액에 다시 가볍게 버블링을 실시하십시오. 주입액을 준비하는 동안, 여기에 제시된 표에서 기본 주입 용액 중 임의의 두 가지를 선택하여 각 용액을 10 milliliters씩 준비하십시오.그 다음, 10 milliliter 주사기에 각 용액을 7 milliliter 표시선까지 채운 후, 캡을 닫고 따로 보관합니다. 이어서, 2차 주입액으로 사용할 50 millimolar 황화나트륨 20 milliliter를 흄 후드 내에서 준비합니다. 두 개의 10 milliliter 주사기에 해당 용액을 7 milliliter 표시선까지 채우고, 바늘 캡을 씌워 따로 보관합니다.흄 후드 내부에 위치한 프로그래밍 가능 시린지 펌프에 기본 주입 시린지를 고정합니다. 주입 속도를 1 mL/min으로 설정하고, 두 시린지 모두 폐액 비커로 액체가 떨어지기 시작할 때까지 펌프를 작동시킵니다. 그 후 주입을 중단합니다.다음으로, 탈이온수가 들어 있는 시린지를 두 개의 플라스틱 주입 튜브에 삽입하고, 물이 메인 저장조로 들어가는 입구까지 투명 튜브를 채우도록 주입합니다. 그 다음, 주입 바이알 위의 스탠드에 시린지를 배치합니다. 이어서 철 함유 저장조 용액 100 milliliters를 각 바이알에 조심스럽게 붓습니다.perfil을 사용하여 바이알 상단을 조심스럽게 밀봉하고, 각 바이알에 질소 공급관을 삽입합니다. 주입이 진행되는 동안 실험 상태가 무산소 상태로 유지되도록 질소 가스 라인의 유량을 원하는 대로 조절합니다. 다음으로, 물이 채워진 시린지를 하나씩 기본 주입 시린지 옆으로 가져옵니다.플라스틱 주입 튜브를 조심스럽게 밀어내어 즉시 기본 주입 시린지 바늘 중 하나에 직접 연결합니다. 이때 튜브 벽에 구멍이 나지 않도록 주의하십시오. 그런 다음 시린지 펌프의 유속을 2 mL/h로 설정하여 3시간 동안 작동하도록 맞춘 후, 동시에 주입을 시작합니다.막 전위 기록을 시작하십시오. 3시간 후에 시린지 펌프를 정지시키십시오. 화학 정원 구조가 형성되면, 구조물이 흐트러지지 않도록 튜빙에 연결된 상태를 유지하면서 시린지 펌프에서 1차 주입 시린지를 조심스럽게 제거하십시오.액체가 시린지로 역류하지 않도록 바이알의 액체 수위보다 높은 위치의 스탠드에 시린지를 놓으십시오. 다음으로, 이 실험에서는 황화나트륨이 들어 있는 보조 주입 시린지를 시린지 펌프에 고정하고, 두 시린지 모두에서 액체가 떨어지기 시작할 때까지 니들을 프라이밍하십시오. 이때 황화물 용액은 전용 유해 폐기물 용기에 버리십시오. 그 후 시린지 펌프에서 시린지를 하나씩 분리하여, 튜빙을 1차 주입 시린지에서 황화나트륨이 들어 있는 시린지로 옮겨 연결하십시오.시린지 펌프를 시간당 2밀리리터의 속도로 용액을 주입하도록 재설정하고, 시작 버튼을 눌러 황화나트륨 용액을 이 속도로 3시간 동안 주입합니다. 1차 주입 용액이 저장조 용액으로 유입되면 액체 계면에서 화학 정원 침전물이 형성되기 시작하며, 이 구조는 주입 과정 동안 계속해서 성장합니다. 환경 주사 전자 현미경 관찰 결과, alanine 존재 하에 형성된 1차 침전물은 더 둥글고 무정형인 모습이었던 반면, 순수 iron oxy hydroxide 침전물과 pyrophosphate를 포함하는 침전물은 1차 주입 후 더 결정질인 모습으로 나타났습니다. 전위는 즉시 약 0.45에서 0.55 volts 사이에서 정점에 도달하는 경향을 보였으며, 이후 약 1시간 동안 감소하다가 1차 주입의 나머지 기간 동안 약 0.1에서 0.2 volts 사이에서 안정화되었습니다.1차 주입기를 황화나트륨이 포함된 2차 주입기로 교체했을 때, 화학 정원은 계속 성장했으나 눈에 보이는 새로운 성장 부위는 이제 검은색 황화철이었습니다. 화학 정원의 검은색 황화물 부분은 기존의 벽에 기여하기보다는 가지를 쳐서 별도로 성장하는 것처럼 보였습니다. 황화물 주입 용액이 화학 정원에 도달하자마자 막 전위는 즉시 약 0.9 volts로 급증했습니다.화학 정원을 성장시키기 위해 사용할 수 있는 용액의 조합은 매우 다양합니다. 화학 정원의 구조가 완전히 형성되었다면, 실험 도중 언제든지 주입 속도를 빠르게 또는 느리게 변경하거나 1차 주입을 2차 주입으로 변경하는 것도 가능합니다. 황화나트륨 용액은 매우 위험한 황화수소 가스를 방출하므로 주의하십시오.개봉된 황화나트륨 용기와 황화물이 포함된 용액은 반드시 흄 후드 내부에서 사용해야 하며 물질안전보건자료(MSDS) 지침에 따라 취급해야 합니다. 사용되었거나 사용되지 않은 모든 용액은 유해 폐기물로 처리해야 합니다. 방금 실험실에서 성장하는 것을 확인한 열수 분출공은 다공성 광물, 기본적으로 황화철과 수산화철로 구성되어 있습니다. 우리는 이것들이 초기 생명체의 촉매 역할을 했을 것이라고 생각하며, 이는 오늘날 우리의 피부에 존재하는 촉매 및 효소와 구조적으로 매우 유사합니다.본 실험은 다양한 지질학적 환경을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 실험 매개변수를 조절하여 이러한 자가 조립 구조의 성장을 제어하는 방법을 학습하려는 관심이 높고, 또한 다양한 반응의 촉매 역할을 할 수 있는 구조 및 재료를 생성하는 것과 관련하여 재료 과학 분야에서도 적용 가능합니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Chemistry

화학

Millifluidic 장치는 나노 물질, 반응 메커니즘과 지속적인 흐름 촉매의 시간 분해 분석의 제어 합성에 이용된다.

화학 합성 및 시간 - 해결 기계론의 연구 Millifluidics

고밀도 생물 반응기(HDBR)라는 새로운 반응기 설계가 고밀도 미생물 군집의 배양 및 연구를 위해 제시됩니다. 여기에서 HDBR은 혼합 고밀도 조류 군집에 의한 질소 대사 연구를 위한 광생물반응기(PBR) 구성에 성공적으로 적용됩니다.

다양한 미생물 커뮤니티의 고밀도 배양위한 새로운 생물 반응기

흐름 화학 환경 고 경제 우수한 혼합 활용 하 여 열 전달 장점과 혜택을 비용. 여기, 우리는 흐름 모드를 일괄 처리에서 화학 프로세스를 전송 하는 청사진을 제공 합니다. P-nitrobenzoic 산, 실시에서 일괄 처리와 흐름, diphenyldiazomethane (DDM)의 반응 개념의 증거를 위해 선택 되었다.

P-Nitrobenzoic 산 Diphenyldiazomethane의 연속 흐름 화학: 반응

유기 반응 검사 중지 흐름 마이크로-튜브 (SFMT) 기체 반응 물 및 가시광선 중재를 사용 하는 원자로 반응 제공 됩니다를 사용 하 여 프로토콜.

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이 프로토콜의 목표는 화학 정원 주입 실험을 통해 시뮬레이션 된 수열 굴뚝을 형성하고 교육 목적으로 재현 할 수있는 3D 인쇄 가능한 콘덴서를 사용하여 무기 침전 막에 걸쳐 열 그라데이션을 도입하는 것입니다.

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건설된 습지 처리 시스템은 수십 년 동안 폐수를 처리하는 데 사용되어 왔지만 오일 샌드 공정의 영향을 받는 물을 처리하기 위한 적용은 비교적 새로운 것입니다. 이러한 잠재력을 탐구하기 위해 표면 유동 반폐쇄 생태계 설계와 실험 방법이 간략하게 설명되어 있습니다. 이 접근 방식은 주요 설계 매개변수에 대한 이해를 높이고 치료 효과를 개선하는 것을 목표로 합니다.

폐수 처리를 위한 반폐쇄생태계 규모의 건설 습지 설계

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