Dit werk presenteert een protocol voor vervaardiging natrium wolframaat en natrium molybdaat microcapsules via bacteriën en hun overeenkomstige nanodeeltjes.
Methodenartikel
Dit werk presenteert een protocol voor vervaardiging natrium wolframaat en natrium molybdaat microcapsules via bacteriën en hun overeenkomstige nanodeeltjes.
Presenteren we een methode, de bacteriële minerale uitscheiding (BMT), voor de synthese van twee soorten microcapsules, natrium wolframaat en natriummolybdaat en de twee metaaloxiden bijbehorende nanodeeltjes — de eerste zo klein als 22 nm en de laatste 15 nm. We gevoed twee stammen van bacteriën, Shewanella algen en Pandoraea sp., met verschillende concentraties van wolframaat of molybdaat ionen. De concentraties van wolframaat en molybdaat werden aangepast om microcapsules van verschillende lengte-naar-diameter verhouding. We vonden dat hoe hoger de concentratie hoe kleiner de nanodeeltjes waren. De nanodeeltjes kwam met drie lengte-naar-diameter verhouding: 10:1, 3:1 en 1:1, die werden bereikt door het voeren van de bacteriën respectievelijk met een lage concentratie, een middelgrote concentratie en een hoge concentratie. De beelden van de holle microcapsules werden genomen via de scanning electron microsfeer (SEM). Hun kristalstructuren werden gecontroleerd door röntgendiffractie (XRD) — de kristalstructuur van molybdaat microcapsules is Na2MoO4 en die van wolframaat microcapsules nb2WO4 met Na2W2O7. Deze syntheses alle werden uitgevoerd onder een in de omgeving van ambient voorwaarde.
Metaaloxide nanodeeltjes worden uitgebuit voor drug delivery1, bouw kunstmatige botten2, heterogene katalyse3, veld emissie4,5, zonnecellen6, gas sensoren7, en Lithium batterijen8. Voor praktische toepassingen zijn de mechanische sterkte van nanokristallen én hun microstructuur van cruciaal belang. Onder de microstructuren, kunnen lege huls structuren worden gebruikt voor het maken van lichtgewicht, mechanisch robuuste materialen9. Onder lege huls structuren, is een bolvorm bekend om zijn meer rigide dan een ellipsoïdale vorm; de laatste heeft een grotere lengte-naar-diameter verhouding dan de voormalige10,11. Dit werk beschrijft een protocol voor het synthetiseren van sferische microcapsules via bacteriën met een niet-toxisch methode onder een ambient aandoening, die met de alternatieve methoden contrasteert, met inbegrip van de sjabloon synthese methode12, Ultrasone-spray-bijgewoonde synthese methode13 en hydrothermale methode14. Sommige van de alternatieve methoden vereisen sjablonen12, wat een temperatuur zo hoog als 500 ° C13en sommige een hoge druk14. Wat betreft de resulterende structuur, de sjabloon synthese methode met behulp van de sjabloon gist bewerkstelligt een kern-shell structuur15, in plaats van met een enkele muur, en degene die met behulp van de sjabloon E. coli produceert een structuur met lengte-naar-diameter verhouding van 1.7:0.8, en is niet bolvormig. 16.
In dit werk hebben wij een metaaloxide microcapsules met een enkele muur en van sferische vorm onder een ambient voorwaarde door te profiteren van bacteriële metabolisme. In de bacteriële glycolyse, een chemisch proces dat koolstof bronnen, zoals glucose en lactose metaboliseert, koolstof bronnen worden beschouwd als de oorsprong van het reducerend vermogen gegenereerd daarin. We bacteriële metabolisme gemanipuleerd door de concentratie van koolstof bronnen om gewenste uiteinden passen. Deze methode is milieuvriendelijk, met behulp van niet-toxische agentia en verbruikt veel minder stroom van elektriciteit. Ten slotte, met deze methode kunt de massaproductie van microcapsules gewoon door het verhogen van het volume van Bouillon.
Voorafgaand aan de methode, zijn er een andere twee methoden gebruik te maken van bacteriële metabolisme zodat mineralen: biologisch geïnduceerde mineralisatie (BIM)17 en biologisch gecontroleerde mineralisatie (BCM)18. BIM en niet BCM kan worden gebruikt voor het maken van natrium wolframaat en molybdaat wolframaat microcapsules zoals onze proces, dat is uitgeroepen tot de bacteriële minerale uitscheiding (BMT)19. In dit experiment, de vorm van microcapsules kan worden gecontroleerd om een lengte-naar-diameter verhouding van 10:1 tot 1:1, en de grootte van nanoparticle korrels dat formulier de schelpen kunnen worden aangepast aan de variërend van 15 nm tot 110 nm.
Let op: Gebruik latex handschoenen, beschermende brillen en de vacht van een laboratorium voor het uitvoeren van het experiment. Wanneer u gebruikmaakt van het kabinet van de bioveiligheid, zet de kast ventilator en houden de kastdeur half gesloten.
1. bereiding van glaskralen
2. bereiding van lysogenie Bouillon (LB)
3. cultuur van Shewanella algen
4. voorbereiding van de petrischaaltjes LB-Lennox (Bouillon met Agar)
5. bereiding van Monoclonal bacteriën
6. de vermenigvuldiging van Monoclonal bacteriën
7. bereiding van LB-Lennox bouillon met Glucose en zout
8. bereiding van natrium wolframaat
9. voorbereiding van LB met Glucose, zout en natrium wolframaat
10. cultuur van bacteriën
11. de oogst van BMT mineralen
12. oscillerende temperatuur met Pandoraea sp. en molybdaat
Figuur 1 toont echte sferische microcapsules. Beide de twee stammen van de bacterie, Shewanella algen en Pandoraea sp., oorspronkelijk hebben een lengte-naar-diameter verhouding van 3:1. Voor het bereiken van de lengte-naar-diameter verhouding van 1:1, een hoge concentratie (> 100 mM) van metalen oxyanions vereist is. Een lage concentratie (< 5 mM) oxyanions kan leiden tot een lengte / diameterverhouding van 10:1, als dat in Figuur 2, die leiden de instroom van de oxyanions tot kan, het blokkeren van de binaire deling van bacteriën. Tot slot, voor het bereiken van een lengte-naar-diameter verhouding van 3:1, zoals die in Figuur 3, is een middelgrote concentratie (~ 20 mM) van oxyanions nodig. De vorming van sferische shells, met een lengte-naar-diameter verhouding van 1:1, kan worden veroorzaakt door bacteriële stations die zich krimpen hun oppervlakte als tegenwicht voor de inname van oxyanions terwijl het verspreiden van oxyanions door de celmembraan. De drie cijfers geven samen dat het lengte-naar-diameter verhouding kan worden afgestemd op 10:1 tot 1:1 gewoon door de concentratie van oxyanions aan te passen.
Figuur 4 en Figuur 5 tonen de nanoparticle korrels van natriummolybdaat in verschillende maten: de kleinere één wordt 15 nm, en de grotere één 110 nm. Merk op dat in Figuur 5, op de niet-verbrijzeld shells, deeltjes van 110 nm kan nog steeds worden omhoog geketend aan elkaar, vorming van poreuze schelpen. Grotere degene werd opgedaan door het schommelen van de temperatuur van het kweken Bouillon 5 keer tussen 25 ° C en 37 ° C, met elke temperatuur gedurende 12 h. Tijdens de trilling van de temperatuur, korrels van verschillende grootte kan niet alleen worden geproduceerd, maar ook de handhaving van de micro-bolvormige structuur, waardoor we kunnen microcapsules met verschillende korrelgroottes, van 15 nm tot 110 nm, gewoon door het beheersen van de temperatuur van de Bouillon .
Figuur 6 toont de gebroken muur met grotere korrels verblijft naast de opening van de muur. De wanddikte is ongeveer 22 nm en de grotere korrel gaat 40-60 nm. Het verschil in grootte kan voortvloeien uit verschillende metabole processen, die zijn nog niet geïdentificeerd.

Figuur 1: het SEM-beeld van holle sferische schelpen met een lengte-naar-diameter verhouding van 1:1. Deze structuur is gemaakt van natrium wolframaat uitgescheiden door Shewanella algen met glucose als de koolstofbron. Overgenomen met toestemming van ECS J. van Solid State Sci. en Tech., 6, lid 3, N3113 (2017). Copyright 2017, de elektrochemische Society. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 2: het SEM-beeld van holle lange gloeidraad schelpen met een lengte-naar-diameter verhouding van 10:1. Deze structuur is gemaakt van natriummolybdaat uitgescheiden door Pandoraea sp. met glucose als de koolstofbron. Overgenomen met toestemming van ECS J. van Solid State Sci. en Tech., 6, lid 3, N3113 (2017). Copyright 2017, de elektrochemische Society. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 3: het SEM-beeld van gebroken holle staafvormig schelpen met een lengte-naar-diameter verhouding van 3:1. Deze structuur is gemaakt van natrium wolframaat uitgescheiden door Shewanella algen met glucose als de koolstofbron. Overgenomen met toestemming van ECS J. van Solid State Sci. en Tech., 6, lid 3, N3113 (2017). Copyright 2017, de elektrochemische Society. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 4: het SEM-beeld verbrijzelde natriummolybdaat houders met een deeltjesgrootte van graan van 15 nm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 5: het SEM-beeld van verbrijzeld en niet-verbrijzelde natriummolybdaat schelpen met een deeltjesgrootte van graan van 110 nm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 6: het SEM-beeld van gebroken holle schelpen met een lengte-naar-diameter verhouding van 1:1. Deze structuur is gemaakt van natrium wolframaat uitgescheiden door Shewanella algen met glucose als de koolstofbron. Korrels met een grootte over 40-60 nm hangen buiten de shell rechts naast een groot gat, terwijl de shell zelf bestaat uit korreltjes met een grootte van ongeveer 22 nm. Overgenomen met toestemming van ECS J. van Solid State Sci. en Tech., 6, lid 3, N3113 (2017). Copyright 2017, de elektrochemische Society. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Wat betreft de zelf-consistentie van de experimentele resultaten zijn de voorbereiding en de vermenigvuldiging van monoclonal bacteriën kritisch. Dit experiment, anders dan de sjabloon synthese experimenten15,16, werkzaam bioactieve gram-negatieve bacteriën. Als u op een enkele muur, kozen we voor prokaryote bacteriën in plaats van eukaryotische bacteriën zoals gist15. Om te bereiken een bolvorm met een lengte-naar-diameter verhouding van 1:1, in plaats van een grotere lengte-naar-diameter verhouding16, we gevoed bacteriën met een veel hogere concentratie van oxyanions om te manipuleren om te krimpen in een bolvorm, microcapsules waardoor met een honkslag, ronde, en dunne muur (< 30 nm).
Aangezien de BMT hoofdzakelijk een beroep op het aanpassen van de concentratie van oxyanions om te controleren van het metabolisme van de bacteriën, beschikt het over twee beperkingen. Ten eerste, de concentratie van oxyanions wordt beperkt door de oplosbaarheid, hoewel de concentratie zo hoog mogelijk moet. Tweede, meest bacteriële stofwisseling stopt bij een temperatuur van meer dan 45 ° C of onder 5 ° C, respectievelijk de boven- en ondergrenzen van ons experiment.
Ondanks deze twee beperkingen heeft de BMT een groot potentieel voor het maken van metaaloxide materialen van praktisch belang. Om deze bewering te staven, gaan wij proberen deze methode om zirkonium microcapsules en ijzer microcapsules — de eerste een goede kandidaat materiaal voor kunstmatige botten, en de laatste voor drug delivery.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dit werk wordt ondersteund door het ministerie van wetenschap en technologie, Taiwan, Republiek van China, onder nummer meest 105-2221-E-011-008 verlenen, en ook door Geavanceerd-Connectek Inc, Taipei, Taiwan, ROC onder contract nummer RD Ref. No. 6749 en Dept. Ref. nr. 011 via de Afgestudeerd Instituut voor elektro-optische Engineering, National Taiwan University of Science en technologie.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| LB(Lennox)bouillon met agartabletten | Sigma-Aldrich | L7075 | 1 tablet voor 50 mL bouillon met agar |
| LB (Lennox)bouillon | Sigma-Aldrich | L3022-1KG | LB (Lennox)poeder 1 kg |
| Dextrose watervrij | Nihon Shiyaku Reagent | PL 78695 | glucose |
| Natriumwolframaat | Nihon Shiyaku Reagent | PL 76050 | Na2WO4 · 2H2O |
| Natriummolybdaat | Nihon Shiyaku Reagent | PL103564 | Na2MoO4 · 2H2O |
| Natriumchloride | Nihon Shiyaku Reagent | PL 68131 | NaCl |
| Ethanol 99,5% | Acros organics | AC615090040 | CH3CH2OH |
| Water | Gemaakt in onze universiteit | gede-ioniseerd water | |
| Autoclaaf | Tomin Medical Equipmenco, Ltd., Taipei City, Taiwan, ROC | TM-329 | verwarmen tot 120 °C gedurende 10 min |
| Centrifuge | Digit System Laboratory System, New Taipei City, Taiwan, ROC | DSC302SD | centrifugeer bij 2025 x g |
| -80 °C koelkast | Panasonic | MDF-U3386S | Gebruik om stam cryoconserveren |
| Ultrasone homogenisator Sonicator Processor Cel Disruptor | Lenox | UPS-150 | frequentie 20 KHz vermogen 150 W |
| Incubator | Klant gemaakt | op maat gemaakt | verwarmen tot 40 °C of afkoelen tot 18 °C met tijdcontrole |
| Reciproke schudbaden | Kingtech Scientific Co., Ltd | WBS-L | |
| Digitale roerplaat | Corning | #6797-620D | gebruik met PTFE magnetische roerbar |
| Bioveiligheidskabinet | Zong Yen co., LTD | ZYBH-420 | Alle bacteriële processen worden hier gedaan |
| Scanning elektronenmicroscoop | JEOL | JSM-6500F | SEM-beelden |
| 50 mL centrifugebuis | Falcon | 14-432-22 | |
| 15 mL centrifugebuis | Falcon | 14-959-53A | |
| Laboratoriumfles 100 mL | Duran | 21 801 24 5 | |
| Laboratoriumfles 500 mL | Duran | 21 801 44 5 | |
| Roestvrijstalen spatel | Chemglass | CG-1981-10 | |
| PTFE wegwerp roerbars | Fisher | S68066 | |
| Plastiek Petri schotels | Fisher | S33580A | |
| Shewanella algen | Met dank aan auteur #3 | Met dank aan auteur #3 | |
| Pandoraea sp. | Met dank aan auteur #3 | Met dank aan auteur #3 |