Introduction
“化学花园”是自组装开发无机沉淀物，其中对比化学物质的两种流体交互1,2。这些自组装的无机结构已经超过一个世纪的部分原因是由于他们的仿生外观的科学兴趣的主题，许多实验和理论研究已经进行，以了解化学园林系统3的各种复杂问题和可能的功能。化学园林自然的例子包括矿物“烟囱”的沉淀，围绕热水泉和冷泉增长，有人认为，这些可以提供合理的环境中生活出现4。为了发展一个化工园区模拟自然的热液喷口烟囱，水库的解决方案应该代表一个模拟的海洋成分和注射液应代表热液流体送入大海。这种O型的多功能性˚F实验不同的反应系统可以模拟几乎任何提议的海洋/热液流体化学，包括对早期地球或其它星球上的环境。在早期地球，海洋本来缺氧，酸性（pH值5-6），并且将含有溶解大气 CO 2和Fe 2+，以及铁III，镍离子， 锰离子，编号3-和NO 2 - 。此海水和超基洋壳之间的化学反应会产生含有氢和甲烷的碱性热液，在某些情况下硫化物（HS - ）4-8。形成在早期地球碱性通气环境烟囱可由此包含亚铁/铁羟基氧化物和铁/镍硫化物，并且已经提出，这些矿物质可能起到特定的催化和原酶功能朝向利用地球化学氧化还原/ pH梯度来驱动Metaboli游戏的出现SM 5。同样，在其他世界如可承办（或已托管）水/岩界面 - 例如早期的火星，木星的卫星木卫二，或土星的卫星土卫二 - 有可能是水/岩的化学能产生碱性发泄的环境能够驾驶生命起源前化学甚至提供可居住龛现存生命5,9-11。
经典的化学园实验涉及晶种的金属盐，例如，四水合氯化亚铁的FeCl 2•4H 2 O，浸没在含有反应性的阴离子， 如硅酸钠或“水玻璃”的溶液。金属盐溶解，创建包含的 Fe 2+的酸性溶液，随着更多的碱性溶液接口（含硅酸盐阴离子和OH - ）和被形成的无机膜的沉淀。在渗透压的膜膨胀，破裂，然后重新沉淀的t是新的流体界面。这个过程一直重复，直到晶体溶解，从而产生一个垂直取向的，自组织的沉淀结构具有复杂的形态在宏观和微观尺度。此沉淀过程导致横跨无机化学花园膜化学反衬解决方案的持续分离，带电物质穿过膜的差产生了膜电位12-14中 。化学花园结构是复杂的，表现出组分梯度从内部到外部13,15-19，和该结构的壁保持对比解决方案之间的分离很长时间，同时保持稍微渗透到离子。除了是一个理想的实验中用于教育目的（因为它们是简单，使课堂演示，并能教育学生的化学反应和自组织），化工园有科学意义的自我assemb交涉LY在动态，远离平衡系统，涉及可导致生产性的和有用的材料20,21的方法。
化学园林在实验室也可以通过注射方法进行培养，其中含有一种离子沉淀的溶液缓慢注入到包含所述共沉淀离子（或离子）的第二溶液。这导致类似于晶体生长实验化学花园结构的形成，不同之处在于该系统的性能和沉淀可更好地控制。注射方法有几个显著优点。它允许一个使用沉淀或结合物种的任何组合，以形成化学花园; 即多个沉淀离子可以结合到一个解决方案，和/或其它非沉淀组分可以被包括在任溶液，以吸附与沉淀物/反应。在化学产生的膜电位花园系统可以在注射实验来测定，如果一个电极结合到结构的内部，因此能够使系统的电化学研究。注射实验提供通过改变喷射率或总注射体积喂注射溶液成的化学园的内部受控的时间框架中的能力;因此，可以通过不同的解决方案依次饲料和使用沉淀的结构为陷阱或反应器中。结合，这些技术允许实验室模拟，可以在一个海底热液通风口都发生在一个天然化学花园系统的复杂过程，包括来自海洋之间许多同时沉淀反应形成的烟囱和泄流体（例如，制备金属硫化物，氢氧化物和/或碳酸盐和硅酸盐）5,22。这些技术也可以应用到任何化学花园反应体系，以允许形成新类型的的材料， 例如，分层管或管与吸附的反应性物质20,23。
我们这里详细的示例实验，其中包括两种化学花园，铁2+含结构在缺氧环境中的同步增长。在这个实验中，我们引入多磷酸盐和/或氨基酸的痕量到初始注射溶液，观察它们对结构的影响。的化工园区初步形成后，我们再切换注射液引入硫化物作为二次沉淀阴离子。膜电位的测定是在整个实验自动进行。本协议描述如何运行两个实验，在使用双注射泵一次;示所需的数据此过程的多次运行。相对较高的流量，在我们的实验中使用的水库和反应物浓度低pH值的目的是形成大烟囱沉淀在时间SC麦芽啤酒适合一天的实验室实验。然而，流体的流速在天然热水泉可以更加分散和（在早期地球系统 ，例如，Fe和S）沉淀物的浓度可能是震级低 4的命令;因此，结构化的沉淀物会形成较长的时间尺度和通风口可以活跃多年24,25几万。
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Protocol
1.安全注意事项
- 使用个人防护装备（实验室外套，护目镜，丁腈手套，合适的鞋），以防止对化学品泄漏或受伤。使用注射器和针头，并注意不要穿刺手套。实验安装过程中要小心通过与首先进行注射，以检查是否有泄漏的装置，双蒸H 2 O（DDH 2 O的），并检查反应瓶上的立场的稳定性，添加化学品前。
- 进行这项实验与任何化学花园配方，但我们用来模拟深海通风口反应物之一是一种有害化学品，硫化钠;因此，做整个实验在通风橱内，以防止曝光。
- 仅打开在通风柜瓶子的硫化钠和放置通风橱用于称重硫化物内的平衡。始终保持含硫化物的解决方案通风柜内，因为它们释放出有毒的硫化氢气体，同时还保持硫化物Ë液体，锐器，以及固体废弃物的容器在通风橱。感兴趣的另一种反应物为Fe（II）Cl 2中•4H 2 O，从而氧化在暴露于空气中，所以要小心，以保持溶液缺氧和生长的化学花园下缺氧顶空（例如，N 2或Ar），总是在通风橱或手套箱。
2.设置注射实验
- 通过切断底部1厘米的100毫升的透明玻璃的压顶血清瓶（20毫米卷边密封闭合型），用玻璃切割器，使得，倒立时，容器是向大气开放创建玻璃“注射瓶”。由于这是可重复使用的，清洁的1 M盐酸酸浴O / N小瓶，然后一个新的实验之前，DDH 2 O的冲洗干净。
- 制备注射瓶（ 图1）。
- 收集一门20毫米隔20 mm铝卷边密封，以及0.5〜10微升塑料吸管尖。为16G注射器NEedle，小心刺穿隔膜的中心孔，然后取出并丢弃在适当的锐器废物容器的针。
- 插入枪头进针孔，进入橡胶隔膜将面临小瓶的卷曲顶部内侧的侧面。通过隔膜推枪头，以便它戳出的另一侧。
- 卷曲密封与枪头隔膜到注入容器，使防水密封。当密封，进一步推枪头通过隔膜，以便它向外部伸出。
- 贴上1/16“内径清晰灵活的抗化学腐蚀油管枪头（管道长度应达到从注射小瓶注射泵）;向上滑动的防水密封。
注意：这将是喷射管，通过用为16G针的注射器从另一端送入。 - 检查是否有泄漏：将10毫升注射器填充DDH 2 O的用为16G针头插入管的另一端（平滑的管滑动直到针，小心不要刺破管的壁上）。慢慢注入使得DDH 2 O的向上移动管并进入反应容器的底部。确保注射器/管，管件/提示和压密封件防水。
- 夹紧在支架上在通风橱中注射小瓶，从而使注射将饲料从小瓶的底部。
注：多个小瓶可设置在一次和由单独的注射器同时加入。 - 设置的电极，用于测量膜电位跨越的化学花园壁。始终使用其领先的“内幕”，哪些是“外面”的化学花园相同的约定。
- 切割绝缘电线（例如，铜），其从内部反应容器到达到万用表或数据记录器的引线的长度。离开松弛一点点的电线定位。
- 条〜3个毫米的连线裸露在那个将位于反应小瓶内部的端部。在将要连接到万用表引线，条约1cm电线的另一端。
- 固定导线以衡量整个化工园区膜电位。用于电线，将里面去的化学花园：将其插入枪头从中流体将送入容器的开口。
- 推线中轻轻以确保与注射溶液接触，却远没有那么它将堵塞喷射流。对于外界线：位置，以便它会在与溶液储存器但不与化学花园沉淀接触。
- 带或以其他方式固定导线，使它们可以在注入小瓶内部的实验（图2）期间不会移动。
- 附加的导线的另一端部到万用表，并固定导线，使这些端部也不会在整个实验移动。
- 设置N 2
- 分割从在 N 2源气体进料成几个管，使得存在一个N 2进料每次注射小瓶中。
- 将每个N 2管，使其供给到注射小瓶中的一个的顶部空间。
3.准备化工园成长解决方案
- 制备贮存溶液，加入100毫升每个实验。注意：在这个例子中，使用75毫米的 Fe 2+和25mM的Fe 3+作为沉淀阳离子（ 表1）。
- 由第一鼓泡DDH 2 O的以 N 2气体为每100毫升〜15分钟创建缺氧的解决方案。
- 称取并添加的FeCl 2•4H 2 O和的FeCl 3•6H 2 O，轻轻搅拌，以溶解（未大力以便不引入氧气）。
- 试剂溶解后，立即resum铁2+ /铁E光冒泡3+ 以 N 2气体解决方案，同时注射准备。
- 选择任何两个在表1所示的主注射溶液，并准备各10ml的。填有10毫升注射器到7 ml的标记与每个解的（一个针筒每个溶液）。更换针头帽，备用。
- 备将20毫升二次注射溶液（硫化钠-小心）。 表 1中所示填充两个10 ml的注射器到7 ml的标记用此溶液，更换针帽，备用。始终保持在通风柜含硫化物溶液和注射器。
- 笔芯的双蒸水从步骤2.2.5 2 O注射器;这些将被用于冲洗注入管。
4.启动主注入
- 使用所需的数据记录器的膜电位测量。衡量一个分隔符每个实验的潜力E通道，并设置扫描速率，得到的数据点的期望的量（例如，对于一个2小时注射，记录电位，每30秒就足够了）。
- 固定在通风橱可编程注射泵主喷射注射器。
- 使用废物烧杯赶上滴，并设置在注射器泵以很快的速度注入，直到注射器既开始滴入烧杯中。然后停止喷射（为了确保这两个注射器开始注入以完全相同的电平）。
- 重新编程注射泵以每小时2毫升注入（用于校准所使用的注射器的类型），但不打的开始。
- 插入DDH 2 O的注射器进入两个塑料注射管，并注入使水填充透明管最多在其进入主储存器的孔。将注射器在支架上，上述的注射小瓶中。
- 倾将100ml 的 Fe 2+ / Fe的3+储液进EA的CH小瓶。
- 根据需要，以保持在实验缺氧用于注射的持续时间调节N 2气行的流动。
- 小心覆盖气密密封容器小瓶（例如，使用封口膜;不阻碍透过玻璃的视图）和插入的N 2进料到每个小瓶中（图3）。
- 带上DDH 2 O的注射器（在管道仍插）跌旁边初次注射针筒。小心地将注塑管关闭DDH 2 O的注射器针头，并立即将其直接传送到主注射器针头之一。 （小心不要刺破管的壁上。）
- 开始注射，并开始记录膜电位。
5.启动二次注入：
- 3小时后击中停止注射泵，一旦化工园区结构已经形成（6毫升被注射后）（Figu重新4），不断地产生一个膜电位（图5）。
- 小心地取出从注射泵的主注射针筒（但保持其连接到该管道使结构没有干扰）;设置它们在支架上在上面的小瓶中的流体的水平，以使流体不能回流到注射器。
- 固定二次注入硫化物注射器在注射器泵，并重复步骤4.3和4.4。
- 删除辅助注射器1在从注射泵一个时间，和，同时保持上述在小瓶中的流体的水平的注射器，重复步骤4.9，传送管路从主注射器到辅助注射器（图6）。警惕，从储存器到注射器中的流体压力不会引起流体回流到注射器，因为这可能崩溃的化学花园。
- 当传输完成后，小心地固定二级注射器日Ë注射泵。
- 重新计划的注射泵注入以每小时2毫升，并打开始继续注射用新的注射液。
- 安全地处理主喷射注射器。
6.结束实验
- 首先停止注射泵，然后停止录音的膜电位和保存数据。
- 关闭N 2流量和删除线和封口膜从注射血管。
- 如果需要的话，样品贮存溶液或沉淀进行进一步的分析。要仔细清除水库的解决方案，而不是打扰沉淀，用25毫升吸管仔细移液器关闭储液在几个等份，并丢弃浪费烧杯中的解决方案。
- 松开注入容器一次一个，并将溶液倒入在通风橱浪费转印烧杯中。使用DDH 2 O的冲洗出沉淀物件。
- 来回取下注射器米注射器泵，并且从管中提取它们，让多余的注入流体流失到废物转移烧杯中。清空注射器进入废物烧杯中，并在保持在通风橱硫化物尖锐件容器处置注射器。
- 取下实验瓶的管子和一个固体废物袋进行处置。解卷曲密封和处置隔，印章，枪头。
- 冲洗出来的玻璃实验瓶中，浸泡在1 M盐酸酸浴O / N。 （注意-玻璃器皿一直在与硫化钠接触会释放出有毒的硫化氢气体时，放置在酸性保持酸浴的通风橱内。）
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Representative Results
一旦注射溶液开始送入贮存溶液，化学花园沉淀开始形成在流体界面和该结构继续生长在注射（ 图4-7）的过程。在这里报导的实验中，第一次注射是氢氧化钠（其可以被修改以包括L-丙氨酸和/或焦磷酸），和贮存溶液是1：铁3+ /的 Fe 2+的3混合物，得到的混合-redox态氢氧化铁沉淀。化学花园通常表现出双色形态-一些作品沉淀的是深绿色（表示可能的混合氢氧化合物）等片呈橙（可能表示主要是铁3+ -oxyhydroxide /氧化物）。羟基氧化化学园林铁是相当健壮结构和往往能保持直立时贮存溶液从容器中取出注射后（ 连接古尔8）。在只含有铁氢氧化合物沉淀，化学花园一般由几个分支;然而，当疏水性氨基酸丙氨酸被列入注射溶液，化学花园趋于形成更少的分支或沉淀的甚至单个列。这种抑制破裂和分支大概的表示该加法丙氨酸产生更耐久化学园壁 26。下的环境扫描电子显微镜（ESEM），形成在丙氨酸的存在的析出物出现更圆和无定形的，而纯铁氢氧化合物沉淀物（以及那些含焦磷酸）出现多个结晶（图9）。当焦磷酸被列入注射溶液，支铁氢氧化合物化学花园形成，并且形成并从该结构的边缘（图10）扩展的附加 绿色浑浊沉淀物（可能焦磷酸铁）。 Ť他的绿色羽沉淀不是化学园部分，除去贮存溶液时，所述羽毛折叠，并没有很好聚集到主结构。
在化学园实验膜电位只要化学花园显形生成（有一个滞后时间，作为喷射液通过管行进）。在实验中的注射溶液的NaOH，氢氧化钠丙氨酸，或NaOH与焦磷酸盐，电位趋于围绕0.45立即峰值到0.55 V和后降低了大约一个小时的稳定周围0.1前0.2 V，用于主喷射的其余部分。 （在实验中，其中所述主喷射为氢氧化钠+焦磷酸+丙氨酸，电压未达到峰值以约0.45至0.55的高值，而是保持约〜整个主注入0.2。）有在膜电势差在相同的实验重复（ 图11）<strong>，但观察到的模式更或超过4个重复每次注射化学不太一致。
当主注射器切换到含有硫化钠二次注射器，化学花园持续增长，除了明显的新的生长都是现在黑色的硫化铁。而不是促进了现存城墙，化学花园黑色的硫化部分出现了分支，并分别成长。只要硫化物注射溶液达到化学花园，膜电位立即上升到〜0.9V。二次注射过程中达到的电位的值是相同的所有实验中，无论主注射溶液（图10）。这是因为在化学园实验的电位主要是由于这两个接口解决方案之间的化学，并且由于我们的二次喷射溶液是所有的50mM的Na 2 S•9H 我们通常在一次进行了四次化学园实验，使用由四个单独的注射器供给和所有驱动以相同的速率通过注射泵4储瓶。在所有四个重复使用相同的化学，我们经常观察到化学花园结构大变化（整体尺寸，分枝的数量），以及变型中膜电位的范围为0.1内 - 0.2 V这种缺乏重复性的是可以预期在远离平衡实验时那么多取决于初始条件的复杂性。它很可能是在化学园林的随机形成的结构有时会导致沉淀膜具有不同渗透性的离子;在某些情况下，注射和储层的解决方案是可能更好分离，因此，膜电位能够被维持一段较长的时间。 表1.通过慢慢注入第一伯，然后二次，溶液成贮存器中产生的化学花园产生电压 。 V 1MAX（平均）和V 2MAX（平均）是在主中产生的最高电压的平均值和二次注射，分别为; σ是标准偏差。 
图1.准备反应容器 。反应容器的注射化学园实验通过一个隔膜瓦特切断的100毫升血清瓶中的底部，插入一个枪头制成 HICH然后卷曲密封的瓶子，并连接管通过它来喂注射液。 请点击此处查看该图的放大版本。 
图2.安置在化学花园反应容器中的电线。 （ 一）从上面查看，显示位置“内部”电极进入注射孔。该线是由化工园区笼罩的时候才开始增长。而“外”电极具有从注射点依然远所以它不是由不断增长的化工园区感动。 （B）的固定用胶带的电线，使它们不整个实验移动。=“_空白”>点击此处查看该图的放大版本。 
图3.创建N个2顶空 。贮存溶液中加入后，形成在容器顶部用Parafilm气密密封（覆盖电极以及），然后一个光的 N 2进料插入到保持整个化学花园生长缺氧条件。 请按此查看该图的放大版本。 
图4.定时的化工园区的增长。这个实验包含75毫米的FeClL 2•4H 2 O和25毫米三氯化铁3•6H 2 O在水库的解决方案。第一次注射为0.1M的NaOH + 10毫米K 2 P 4 O 7，和180分钟后注射切换到50毫米的Na 2 S•9H 2 O. 请点击此处查看该图的放大版本。 
图5.膜电位 。膜电位生成作为化学花园长大绕所述内部电极。主喷射氢氧化物，首先形成的沉淀物的结构后，将注射器被切换用硫化钠溶液的注射器。在这个实验中的贮存溶液为75毫摩尔的FeCl 2•4H 2 O + 25mM的氯化铁
图6.注射器 。 （ 一）注射器针头插入软塑料管的正确插入。必须注意不要刺破管-例如不正确插入显示在（B） 点击此处查看该图的放大版本。 
图8.沉淀稳定性。中Fe（II / III）-hydroxide化学花园有时可以维护结构稳定后贮存溶液小心地除去。沉淀物然后可取样用于进一步分析，如果期望。 请点击此处查看该图的放大版本。 
图9.环境扫描电子显微成像。（A）铁（II / III）-hydroxide化工园，（B）铁（II / III）含有K 2 P 4 O 7，和-hydroxide化工园（C）铁（ II / III）-hydroxide化工花园含有丙氨酸。所有图片都是只有主注射后化学花园。 ，纳入丙氨酸的沉淀物出现圆形，比只有铁的析出物（II / III）-hydroxide和Fe（II / III）含有K 2 P 4 O 7 -hydroxide结晶少。.JPG“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。 
在75毫米三氯化铁2•4H 2 O + 25毫米三氯化铁3•6H 2 O（A）注射液的储液生长图10。化学花园含有0.1 M氢氧化钠+ 10毫米K 2 P 4 O 7。 （B）的注射液含0.1 M氢氧化钠+ 10毫米K 2 P 4 O 7 + 10毫米丙氨酸。在附近的固体PR形成的化学花园，在那里的注射液含K 2 P 4 O 7，绿色沉淀羽（箭）ecipitate分支机构，但是这些羽毛没有得到充分汇集到主体结构和折叠除去水库解决方案时， 请点击此处查看该图的放大版本。 
通过化学花园生成如图11所示。膜电位生长在75毫米三氯化铁2•4H 2 O + 25毫米三氯化铁3•6H 2 O水库的解决方案 。示4个重复每次实验。潜在一旦生成的注射液走遍了管和联络贮存溶液来产生沉淀结构包围所述内电极。结构继续生长作为主喷射进行。当注射器交换到硫化钠溶液和二次喷射开始（箭头），潜在上升至0.9 - 1.0 V. 请点击此处查看该图的放大版本。 储溶液（100ml）中 主喷射（6毫升）中 主要注射速率 V 1MAX（AVG） 二次注塑（6ml）中 二次注射速率 V 2MAX（AVG） 75毫米的FeCl 2•4H 2 O + 25毫米三氯化铁3•6H 2 O 0.1M NaOH中 3毫升/小时 0.431 V，σ= 0.002 2 S•9H 2 O 2毫升/小时 0.881 V，σ= 0.047 0.1 M氢氧化钠+ 10毫米K 4 P 2 O 7 3毫升/小时 0.473 V，σ= 0.016 2毫升/小时 0.914 V，σ= 0.040 0.1M NaOH中+ 10mM的丙氨酸 3毫升/小时 0.485 V，σ= 0.044 2毫升/小时 0.929 V，σ= 0.015 0.1 M氢氧化钠+ 10毫米K 4 P 2 O 7 + 10毫米丙氨酸 3毫升/小时 0.239 V，σ= 0.061 2毫升/小时 0.923 V，σ= 0.033
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Discussion
通过注射方法的化学花园结构的形成可以通过连接包含产生沉淀反应离子任何两个解决方案来实现。有许多可能的反应系统，将产生的沉淀物的结构并发现反应离子和浓度的权利配方以生长所需结构是试验和错误的问题。注射溶液的流速由一个可编程注射器泵控制，这也可以实验之间变化，以模拟在自然系统中的流体流动的速率不同。化学园林结构取决于很多因素，包括组合物和流量，并且它是可以生长结构在仅仅几个小时，在数天的较长时间，以周。人们也可以添加感兴趣的其它微量组分到注射或储液，如有机分子，或认为是地质或生物学相关其它组分<SUP> 27,28。根据不同的化学，这些部件可以被结合到沉淀和/或经受反应。
有已被利用在先前的工作中用于生长化学园沉淀，包括从溶解的晶体或“球粒”18,29和注射实验像这里30,31功能直接生长的各种方法。设计一个化学花园实验，其中有可能可靠地测量膜电位，必须创建完全包围“内部”丝沉淀膜内在整个实验某种方式。这是困难的（虽然不是不可能14），以完成在晶体生长实验。在先前注射实验13中，我们已经普遍观察到，导线必须直接放置到注入点，否则化学园经常“避免”导线因为它的增长，从而升eaving两条电线中的贮存溶液，并没有膜电位，可以测定。通过注射生长的化学园林结构稳定性具体取决于所使用的化学反应系统（S）上-例如，铁硅酸盐或铁氢氧化系统给那个留在储液倒出站在更加坚固的结构，而纯粹的硫化铁系统往往给一个更为凝胶状，细腻沉淀物容易塌陷，如果溶液被干扰。的化学花园或膜的任何显著断裂甲崩溃会引起即时影响在膜电位，作为带电物质穿过膜的不等分布渗出。因此，在这种类型的实验，这是非常重要的是，电线仔细注射前固定，以便它们不会移动作为化学花园的增长，并且该实验/注射的设置是稳定的，在生长过程中不推挤。
因为注射流入容器中的流体的以下是有启发，柔性透明Tygon管建议过其他的可能性，如不锈钢。的透明管允许观测沉淀颗粒中的管道内形成，允许一个撞出木屐，和允许检测/去除气泡。此管路的缺点是，它可以容易地通过注射器针头（图6）刺破。我们尝试了通过直接将第二针插入从前方第一注射侧的管道，而不是实际移动管道从一个针筒到另一针筒的切换，但这种技术是非常难以实现的，而不打孔。的Tygon管的另一个好处是，在同时，将针的情况下的意外穿刺的，人们可以简单地切断管的穿刺部分关闭并重新插入针。
膜的生长通过将b定向uoyancy和，在较小的程度，喷射的压力。在喷射压力急剧变化会导致的化学花园的塌陷，尤其是在不产生沉淀健壮的系统。当切换注射器，它保持被移除的注射器在或略高于，流体水平，以防止倒流和可能的解聚是重要的。可也可以避免通过设置实验，使得注射泵是在水塘的大致水平这样的事件。它差别不大的膜电位的数据，如果实验“暂停”的时间长度，同时切换注射器，只要该化学花园未受干扰。因此，建议移动到下一个前仔细切换注射器，一次一个，并保护被保持的化学园，以便它可以不是“流回”的内部压力的注射器。喷射率应保持相当常量在第一和第二注射之间蚂蚁，一般不宜太快（最小实验时间〜几个小时），因为过量的注射压力将破裂的膜。
这个实验是通用的，因为它允许对自组装沉淀生长在各种反应系统，包括那些其中一个或多个反应物存在于相同溶液的调查。注射器的交换允许使用一个反应化学生长稳定的化学花园，然后使用该结构为“化学反应器”用于第二部件穿过的可能性。例如，如果一个想要调查是否有机分子可以被吸收和/或水热烟囱的铁矿物26组成内的反应，人们可以生长相关的无机组分的化学花园然后通过溶液包含第二注射器饲料，用于例如，核苷酸，氨基酸，肽，或RNA 28。这将具有吸附和吸收到沉淀的有机组分而不是将它们散逸到储存器的作用。在我们的实验中，我们观察到的二次喷射而引起的硫化铁烟囱照原来的膜由于流体压力增长在现有的铁氢氧化物的烟囱的顶部，大概是通过破裂。因此，不同的烟囱的内部可以是至少在某种程度上连接，并在该膜不同矿物的部分可能会提供不同的功能在生命起源的情形中，例如，金属硫化物氧化热液的 H 2 /减少海洋CO 2的32,33和氧氢氧化铁驾驶磷酸反应，减少硝酸氨现场5,34,35。材料科学的调查可以使用这种类型的实验，以及进行;例如，故意形成催化组分化学花园（例如，ALUminosilicates），然后进给其他组件 （例如，有机分子或磷酸盐）通过它们反应。人们还可以探索通过交替注射器产生不同的无机沉淀物（如Roszol和宝狮2011），形成层状材料。它是一个简单的事情，以保持单独的反应容器厌氧条件或在化学花园形成任何所需的气体顶部空间下。
这种类型的实验的限制是主要是由于这一事实，即化学花园结构由通货膨胀，浮力和对流驱动的系统是非常难以控制。沉淀物结构可以是脆弱的，难以清除，并在实验后进行分析。另外，由于化学花园生长总是不可预测的，以确保膜电位的测定中，“外”电线在储存器必须从注入点隔开，以防止CHEMICA升花园包围两根线。然而，采取此预防措施意味着连线通常不是理想接近膜。相反，精确无机膜电位测量可以通过生长膜的两种溶液36之间的羊皮纸模板来实现。在化学园实验它通常无法进行采样和/或以其他方式测量（例如，pH值 ）的内部溶液;详细的实时分析可仅在水库溶液来完成。
自然通风口也将主办加热热液（〜70-100℃）和海洋4之间的热梯度，并因此以模拟热液系统可能希望在较高的温度和压力下37，这对生长的化学花园挑战与此处描述的设置。这将有可能来包装，以便开始之前，以调节温度的储液瓶中的加热线圈;然而，一个不同耳鼻喉科类型的泵可能是必要的，以类似地加热该注射液。以模拟自然系统中，这可能是必要的，包括溶解的气体（例如，CO 2）的任一溶液;虽然这可能是更容易实现水库（海洋模拟）内，将需要的注射液（水模拟）更精心的准备。在深海的系统中，高压可能影响烟囱生长和化学，和，根据实验，增加气体压力在两种流体可以具有显著影响 （例如，溶解的CO 2，可能会导致在化学花园碳酸铁沉淀，也依赖于流体静压6）。掺入升高的温度和压力下，这种类型的化学园实验将导致许多有趣的可能性，由于温度和压力影响的溶解度，沉淀和多种矿物质的特殊性能。
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Materials
| 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 |
References
- Leduc, S. The Mechanism of Life. , Rebman. London. (1911).
- Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. Studies of the growth of ‘‘silicate gardens’’ and related phenomena. J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).
- Barge, L. M., et al. From Chemical Gardens to Chemobrionics. Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).
- Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).
- Russell, M. J., et al. The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
- Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life. Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).
- Mielke, R. E., et al. Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments. Astrobiology. 10, 799-810 (2010).
- Russell, M. J., Hall, A. J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).
- Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).
- Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. Geologic setting of serpentine deposits on Mars. Geophys. Res. Lett. 37, L06201 (2010).
- Hsu, H. -W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
- Cartwright, J. H. E., García-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Otálora, F. Formation of Chemical Gardens. J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).
- Barge, L. M., et al. Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures. Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).
- Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., García-Ruiz, J. M. Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes. Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).
- Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).
- Parmar, K., et al. Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route. Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).
- Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes. Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).
- Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, I. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations. Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).
- Stone, D. A., Goldstein, R. E. Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template. P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).
- Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots. J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).
- Long, D. -L., Tsunashima, R., Cronin, L. Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems. Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).
- Mielke, R. E., et al. Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence. Astrobiology. 11, 933-950 (2011).
- Roszol, L., Steinbock, O. Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100 (2011).
- Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Früh-Green, G. Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field. Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).
- Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments. Terra Nova. 1, 238-241 (1989).
- Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life. J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).
- Barge, L. M., et al. Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems. Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).
- McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. Peptide and RNA contributions to iron-sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensors. Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).
- Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, C. I., Stocieck, L. S. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity. Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).
- Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens. J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).
- Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation. Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).
- Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).
- Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates? Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).
- Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. Kinetics of nitrate reduction by green rusts—effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio. Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).
- Trolard, F., Bourrié, G. Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties. Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application. , InTech. (2012).
- van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. Surface and Colloid Science. , Springer. US. 115-144 (1984).
- Baaske, P., et al. Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).
