Introduction
"Kjemiske hager" er selv montering uorganiske utfellinger utviklet der to væsker av kontraster chemistries samhandle 1,2. Disse selv montering uorganiske strukturer har vært gjenstand for vitenskapelig interesse i over et århundre delvis på grunn av deres biomimetisk utseende, og mange eksperimentelle og teoretiske studier har blitt gjennomført for å forstå de ulike komplekse aspekter og mulige funksjoner av kjemiske hage systemer 3. Naturlige eksempler på kjemiske hager inkluderer mineral "skorstein" utfellinger som vokser rundt hydrotermale kilder og seeps, og det har blitt hevdet at disse kunne gi troverdige miljøer for livet å dukke opp fire. For å dyrke en kjemisk hage simulerer en naturlig hydrotermisk ventil skorstein, bør et reservoar løsning representerer en simulert hav sammensetning og en injeksjonsløsning bør representere den hydrotermiske fluid som strømmer ut i havet. Allsidigheten av denne typen of eksperimentet til forskjellige reaksjonssystemer gir mulighet for simulering av nesten alle foreslåtte havet / hydrotermale væske kjemi, inkludert miljøer på tidlig Earth eller på andre verdener. På tidlig jorden, ville havene vært anoksisk, sur (pH 5-6), og ville ha inneholdt oppløst atmosfærisk CO 2 og Fe 2+, så vel som Fe III, Ni2 +, Mn2 +, NO 3- og NO 2. Kjemiske reaksjoner mellom dette sjøvann og ultramafic hav skorpen ville ha produsert en alkalisk hydrotermisk fluid inneholdende hydrogen og metan, og i noen tilfeller sulfid (HS -) 4-8. Skorsteiner dannet tidlig Earth alkalisk ventilasjons miljøer kunne dermed ha inneholdt jern / treverdig oxyhydroxides og jern / nikkel sulfider, og det har blitt foreslått at disse mineralene kan ha tjent spesielle katalytiske og proto-enzymatisk funksjoner mot å utnytte geokjemiske redox / pH-gradienter å kjøre fremveksten av metabolism 5. På samme måte på andre verdener som som kan være vert for (eller kanskje har vert) vann / fjell grensesnitt - som tidlig Mars, Jupiters måne Europa, eller Saturns måne Enceladus - det er mulig at vann / rock kjemi kunne generere alkaliske ventilasjons miljøer i stand av kjøring prebiotisk kjemi eller selv gi beboelige nisjer for bevart livet 5,9-11.
Den klassiske kjemiske hagen eksperiment innebærer en kimkrystall av et metallsalt, for eksempel jern-II-kloridtetrahydrat FeCl ^ 2 • 4 H 2 O, nedsenket i en oppløsning inneholdende reaktive anioner, for eksempel natriumsilikat eller "vann glass". Metallsaltet oppløses, noe som skaper en sur oppløsning inneholdende Fe 2+ som grensesnitt med den mer alkaliske oppløsning (inneholdende silika anioner og OH -) og en uorganisk membran bunnfall dannes. Membran sveller henhold osmotisk trykk, støt, deretter re-utfellinger ent den nye væske-grensesnittet. Denne prosessen gjentas inntil krystallene oppløses, noe som resulterer i en vertikalt orientert, selvorganisert presipitat struktur med kompleks morfologi ved både makro- og mikroskala. Denne utfelling prosessen resulterer i en fortsatt separering av kjemisk kontrasterende løsninger på tvers av uorganiske kjemiske hagen membran, og forskjellen av ladede arter over membranen gir en membranpotensialet 12-14. Kjemisk hage strukturer er komplekse, viser kompositoriske gradienter fra indre til ytre 13,15-19, og veggene i strukturen opprettholde skillet mellom kontrasterende løsninger i lange perioder mens rester noe gjennomtrengelig for ioner. I tillegg til å være en ideell eksperiment for pedagogiske formål (som de er enkle å lage for klasserom demonstrasjoner, og kan opplyse elevene om kjemiske reaksjoner og selvorganisering), kjemiske hager har vitenskapelig betydning som representasjoner av selv-assembly i dynamiske, langt-fra-likevekt systemer, som involverer metoder som kan føre til produksjon av interessante og nyttige materialer 20,21.
Kjemiske hager i laboratoriet kan også dyrkes via injeksjonsmetoder, karakterisert ved at oppløsningen inneholdende en utfelling ion injiseres langsomt inn i den andre oppløsningen inneholdende ko-utfelling ion (eller ioner). Dette resulterer i dannelsen av kjemiske hage strukturer som ligner de som krystallvekst-eksperimenter, med unntak av at egenskapene av systemet og utfellingen kan bedre kontrolleres. Injeksjonen metoden har flere betydelige fordeler. Det gjør det mulig å danne en kjemisk hage ved hjelp av en hvilken som helst kombinasjon av utfelles eller inkorporeres art, dvs., kan flere utløsende ioner inkorporeres i en løsning, og / eller andre ikke-utfellende komponenter kan inkluderes i enten løsning til å adsorbere / reagere med utfellingen . Den membranpotensialet som genereres i en kjemiskhage system kan måles i en sprøyte eksperiment hvis en elektrode er innlemmet i det indre av konstruksjonen, og dermed muliggjør elektrokjemisk undersøkelse av systemet. Injeksjons eksperimenter har evnen til å mate injeksjonsoppløsningen inn i det indre av den kjemiske hagen i kontrollerte tidsperioder ved å variere injeksjonshastighet eller total injisert mengde; Det er derfor mulig å mate gjennom ulike løsninger i rekkefølge og bruke det utfelte struktur som en felle eller reaktor. Kombinert, disse teknikkene tillater for laboratorium simuleringer av de komplekse prosessene som kunne ha skjedd i en naturlig kjemisk hage system på en ubåt hydrotermale vent, inkludert en skorstein dannet fra mange samtidige utfellingsreaksjoner mellom hav og luft væske (f.eks produserer metall sulfider, hydroksider og / eller karbonater og silikater) 5,22. Disse teknikkene kan også anvendes på en hvilken som helst kjemisk hage reaksjonssystemet for å muliggjøre dannelse av nye typerav materialer, for eksempel, lagdelte rør eller rør med adsorberte reaktive arter 20,23.
Vi detalj her et eksempel eksperiment som omfatter den samtidige veksten av to kjemiske hager, Fe 2 + holdige strukturer i et anoksisk miljø. I dette eksperimentet ble innlemmet vi spormengder av polyfosfater og / eller aminosyrer i den første oppløsning for injeksjon som observere deres effekt på strukturen. Etter første dannelse av det kjemiske hagen vi skulle bytte injeksjons løsning å innføre sulfid som en sekundær utfellende anion. Måling av membranpotensialer ble gjort automatisk gjennom hele eksperimentet. Denne protokollen beskriver hvordan du kjører to eksperimenter på en gang ved hjelp av en dobbel sprøytepumpe; dataene vist kreves flere kjøringer av denne prosedyren. De relativt høye strømningshastigheter og lave pH-verdi av reservoaret og reaktantkonsentrasjoner anvendt i våre eksperimenter er utformet for å danne store skorstein utfelles på tid scales egnet for en-dags laboratorieforsøk. Imidlertid kan fluidstrømningshastigheter ved hydrotermale naturlige kilder være mye mer diffus og konsentrasjonene av utfelling av reaktanter (for eksempel Fe og S på et tidlig Earth system) kan være en størrelsesorden lavere 4; Dermed vil strukturerte utfellinger form over lengre tidsskalaer og ventilen kan være aktiv for titusener av år 24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sikkerhets Betraktninger
- Bruk personlig verneutstyr (laboratoriefrakk, vernebriller, nitrilhansker, riktige sko) for å forebygge mot kjemikalieutslipp eller skade. Bruk sprøyter og nåler, og passe på å ikke punktere hansker. Ta vare på eksperimentoppsettet for å kontrollere apparatet for lekkasjer ved å utføre injeksjon først med dobbelt destillert H 2 O (DDH 2 O), og for å sjekke stabiliteten av reaksjonshetteglass på standen, før tilsetning av kjemikalier.
- Gjennomføre dette eksperimentet med noen kjemiske hage oppskrift, men en av reaktantene vi bruker for å simulere dypvanns vents er et farlig kjemikalie, natrium; derfor gjøre hele eksperimentet inne i en avtrekkshette for å hindre eksponering.
- Bare åpne flaske natriumsulfid i avtrekksskap og plassere en balanse inne i avtrekksskap for veiing sulfid. Hold alltid sulfid holdige løsninger inne i avtrekksskap som de slipper giftige H2S gass, og også holde sulfide væske, skarpe gjenstander, og avfallsbeholdere i avtrekksskap. En annen reaktant av interesse er Fe (II) Cl 2 • 4H 2 O, som oksiderer ved eksponering for luft, så ta vare å holde løsninger anoksisk og å vokse kjemiske hager under en anoksisk headspace (f.eks N2 eller Ar), alltid innenfor en avtrekkshette eller hanskerommet.
2. Oppsett for injeksjons Experiments
- Lag av glass "injeksjonsflasker" ved å kutte av de nederste 1 cm av et 100 ml klart glass krympe topp serumflaske (20 mm krympe tetning lukking type) med et glassskjæreren slik at når invertert, er beholderen åpen til luft. Ettersom disse er gjenbrukbare, rense hetteglassene i en 1 M HCl syrebad O / N, og skyll godt med DDH 2 O før et nytt eksperiment.
- Forbered injeksjonshetteglass (figur 1).
- Samle en 20 mm septum, 20 mm aluminiums sel, og en 0,5-10 mL plast pipettespissen. Ved hjelp av en 16 G sprøyte neEdle, nøye punktere et hull gjennom midten av septum, og fjern og kast nålen i riktig skarpe gjenstander avfallsbeholder.
- Sett pipettespissen inn i nålen hullet, inn i siden av den gummiskillevegg som vil møte på innsiden av krympe toppen av hetteglasset. Skyv pipettespissen gjennom septumet slik at den dytter ut den andre siden.
- Crimp-forsegle septum med pipettespissen på injeksjonsbeholderen for å lage en vanntett forsegling. Når forseglet, presse pipettespissen videre gjennom septum, slik at den stikker utenfor.
- Fest 1/16 "indre diameter klar fleksibel kjemisk motstandsdyktig slangen til pipettespissen (rørlengde skal nå fra injeksjonshetteglass til sprøytepumpen); skyv det opp for en vanntett forsegling.
Merk: Dette blir injeksjonsslangen, matet fra den andre enden av en sprøyte med en 16 G nål. - Sjekk for lekkasjer: Sett en 10 ml sprøyte fylt med DDH 2 O med en 16 G nål inn i den andre enden av slangen(jevnt skyv slangen rett på nålen og være forsiktig for ikke å punktere veggen av slangen). Injiser sakte slik at DDH 2 O beveger seg opp produksjonsrøret og inn i bunnen av reaksjonsbeholderen. Sørg for at sprøyte / tube, tube / spiss, og krympe sel er vanntette.
- Klemme hetteglass på et stativ i et avtrekksskap, slik at injeksjons vil mate inn fra bunnen av ampullen.
Merk: Flere ampuller kan settes opp samtidig og mates samtidig av separate sprøyter. - Sett opp elektroder for måling av membranpotensialet på tvers av veggen av de kjemiske hager. Bruk alltid samme konvensjon som bly er "inne", og som er "utenfor" av de kjemiske hager.
- Skjær lengdene av isolert ledning (f.eks kobber) som nå fra innsiden av reaksjonsbeholdere til ledelsen av multimeter eller datalogger. Legg igjen en liten bit av slakk i ledninger for posisjonering.
- Strip ~ 3 mm avkoble bare i endene som skal bli plassert inne i reaksjonsglasset. På de andre endene som vil bli koblet til multimeter ledningene, strippe ~ 1 cm av wire.
- Fikse ledningene på plass for å måle membranpotensiale over kjemisk hagen. For ledningen som vil gå inn i kjemisk hagen: sett den inn i åpningen av pipettespissen som væske vil mate inn i skipet.
- Skyv wire i lett for å sikre kontakt med injeksjonsvæsken, men ikke så langt at det tetter injeksjonsstrømmen. For utvendig ledning: plassere den slik at den kommer i kontakt med oppløsningen reservoaret, men ikke med den kjemiske hagen bunnfall.
- Tape eller på annen måte feste trådene slik at de ikke kan bevege seg inne i hetteglass under eksperimentet (figur 2).
- Feste de andre ender av ledningene til multimeter, og feste trådene, slik at disse ender ikke beveger seg også gjennom hele eksperimentet.
- Sett opp N2
- Dele gasstilførsel fra en kilde N2 i flere rør, slik at det er en N 2 feed for hvert hetteglass.
- Plasser hver N to rør slik at det strømmer inn i det øvre område av en av injeksjonsflasker.
3. Utarbeidelse av løsninger for Chemical Hage Vekst
- Forbered reservoaret løsning, 100 ml for hvert forsøk. Merk: I dette eksempelet bruker 75 mm Fe 2+ og 25 mm Fe 3+ som utløsende kationer (tabell 1).
- Lag anoksiske løsninger ved først å boble DDH 2 O med N2 gass for ~ 15 min per 100 ml.
- Vei ut og legge til FeCl ^ 2 • 4 H 2 O og FeCl3 • 6 H 2 O, forsiktig omrøring for å oppløse (ikke kraftig slik at man ikke innføre oksygen).
- Etter at reagensene oppløses umiddelbart resume lys bobling av Fe2 + / Fe3 + løsning med N2 gass mens injeksjoner fremstilles.
- Velge hvilke som helst to av de primære injeksjonsløsninger er vist i tabell 1, og fremstille 10 ml av hver. Fyll en 10 ml sprøyte til 7 ml-merket med hver av oppløsningene (en sprøyte for hver løsning). Erstatt nålen caps og sett til side.
- Forbered 20 ml annenhåndsinjeksjonsløsning (natrium sulfid - FORSIKTIG). Vist i tabell 1 Fyll to 10 ml sprøyter til 7 ml merket med denne løsningen, bytt nålen caps og sett til side. Hold alltid løsninger sulfid-holdige og sprøyter i avtrekksskap.
- Etterfyll DDH 2 O sprøyter fra Trinn 2.2.5; disse vil bli brukt til å skylle injeksjonsrøret.
4. Starte Primary Injection
- Bruk ønsket datalogger for membran potensielle målinger; måle hvert forsøk potensial på en separate kanal, og angir skannehastighet for å gi den ønskede mengden av datapunkter (f.eks, for en to-timers injeksjon, opptak av potensiell hvert 30 sek vil være tilstrekkelig).
- Sikre de primære injeksjonssprøyter på programmerbar sprøytepumpen i avtrekksskap.
- Bruk en sløsing begeret til å fange drypper og sette sprøyten pumpen å injisere på en rask hastighet inntil sprøytene begge begynner å dryppe inn i beger. Deretter stopper injeksjon (for å sikre at de to sprøytene oppstart av injisering på nøyaktig samme nivå).
- Re-program sprøytepumpe for å injisere 2 ml per time (kalibrere for den type sprøyte som brukes), men ikke treffer start.
- Sett i de DDH 2 O sprøyter inn i de to plastinjeksjonsrørene, og injisere slik at vannet fyller den klare slangen opp til åpningen, hvor den går inn i hovedreservoaret. Plasser sprøytene på stativet, over injeksjonsflasker.
- Hell 100 ml av Fe2 + / Fe3 + reservoarløsningen inn i each hetteglass.
- Justere strømningen av de N-2 gassledninger som ønsket for å holde eksperimentet anoksisk for varigheten av injeksjonene.
- Dekke nøye reservoarhetteglass med en lufttett forsegling (f.eks ved hjelp av Parafilm, ikke hindrer utsikten gjennom glasset) og sette inn et N2 feed i hvert hetteglass (figur 3).
- Ta med DDH 2 O sprøyter (fortsatt satt inn i slangen) ned ved siden av de primære injeksjonssprøyter. Skyv plast injeksjon rør av DDH 2 O sprøytespissen, og umiddelbart overføre den direkte på en av de primære sprøyte nåler. (Pass på å ikke punktere veggen av slangen.)
- Starte injeksjonen, og starte opptak av membranpotensialet.
5. Starte sekundær injeksjon:
- Hit stopp på sprøytepumpen etter 3 timer (etter 6 ml har blitt injisert), en gang kjemiske hage strukturer har dannet (Figure 4), å generere en kontinuerlig membranpotensialet (figur 5).
- Fjern forsiktig de primære sprøyter fra sprøytepumpen (men la dem koblet til slangen slik strukturene er ikke forstyrret); setter dem på stativet over nivået av væske i hetteglass, slik at fluid ikke kan strømme tilbake inn i sprøyten.
- Sikre de sekundære injeksjon sulfid sprøyter til sprøytepumpen, og gjenta trinn 4,3 og 4,4.
- Fjern de sekundære sprøytene ett om gangen fra sprøytepumpen, og, samtidig som holder sprøytene over nivået til fluidet i ampullene, gjenta trinn 4.9, overføre røret fra den primære sprøyter til de sekundære sprøyter (figur 6). Være oppmerksomme på at fluidtrykket fra reservoaret inn i sprøyten ikke forårsaker fluid å strømme tilbake inn i sprøyten, da dette kunne kollapse den kjemiske hagen.
- Når overføringen er fullført, nøye sikre de sekundære sprøyter til the sprøytepumpe.
- Re-program sprøytepumpen å injisere 2 ml per time, og traff begynne å fortsette injeksjon med den nye injeksjonsoppløsningen.
- Trygt avhende de primære injeksjonssprøyter.
6. Avslutte Experiment
- Første stopp sprøytepumpen, stopp da innspillingen av membranpotensialet og lagre dataene.
- Slå av N2 strømmen og fjerne linjer og Parafilm fra injeksjons fartøy.
- Om ønsket prøve reservoaret oppløsning eller utfelling for videre analyse. Slik fjerner du forsiktig reservoaret løsning og ikke forstyrre bunnfallet, bruk en 25 ml pipette å nøye pipetter av reservoaret løsning i flere porsjoner, og kast løsningen i en avfalls beger.
- Unclamp injeksjons fartøyer, ett om gangen, og helle oppløsningen i en avfalls overføring begerglass i avtrekksskap. Bruk DDH 2 O for å skylle ut biter av bunnfall.
- Fjern sprøytene from sprøytepumpen, og pakke dem ut fra røret, slik at ekstra injeksjonsvæske kjøre ut i avfallstransport beger. Tømme sprøyter inn avfallet beger, og kast sprøytene i en sulfid beholder for skarpe gjenstander oppbevares i avtrekksskap.
- Fjern slangen fra forsøket hetteglasset og kast den i en solid avfallsposen. Uncrimp forseglingen og kast av septum, sel, og pipettespissen.
- Skyll ut glasset eksperimentet hetteglass og suge den i en 1 M HCl syrebad O / N. (OBS - glass som har vært i kontakt med natrium vil frigi giftige H2S gass når den plasseres i syre Hold syrebad inne i avtrekkshette..)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Når injeksjonsoppløsningen i gang for å mate inn i reservoaret løsningen begynte en kjemisk hage bunnfall for å danne fluidgrensesnitt og denne strukturen fortsatte å vokse i løpet av injeksjons (figurene 4-7). I forsøkene som er rapportert her, den første injeksjonen ble natriumhydroksid (som kan bli modifisert til å inkludere L-alanin og / eller pyrofosfat), og reservoaret løsningen var en 1: 3 blanding av Fe 3+ / Fe 2+, noe som ga en blandet -redox-state jernoksyhydroksid bunnfall. De kjemiske hager vanligvis utstilt en tofarget morfologi - noen stykker av bunnfallet var mørk grønn (sannsynligvis indikerer en blandet oksyhydroksyd) og andre stykker var oransje (sannsynligvis indikerer hovedsakelig en Fe 3+ -oxyhydroxide / oksid). Den jernoksyhydroksid kjemiske hager var ganske robuste konstruksjoner, og ofte var i stand til å holde seg oppreist når reservoarløsningen ble fjernet fra beholderen etter injeksjon (Figur 8). I bunnfall som bare inneholder Fe-oksyhydroksyd, de kjemiske hager typisk dannet flere grener; men når den hydrofobe aminosyren alanin ble inkludert i injeksjonsoppløsning, tendens kjemiske hager for å danne færre grener eller til og med en enkelt kolonne av bunnfall. Denne hemming av sprengning og forgrening antagelig indikerer at tilsetningen av alanin frembringer en mer holdbar kjemisk hage veggen 26. Under miljø scanning elektronmikroskopi (ESEM), bunnfallet som dannes i nærvær av alanin dukket opp mer avrundet og amorfe, mens rene Fe-oksyhydroksyd utfellinger (så vel som de som inneholder pyrofosfat) dukket opp mer krystallinsk (figur 9). Når pyrofosfat ble inkludert i injeksjonsoppløsning, en forgrenet Fe-oksyhydroksyd kjemisk hage dannet, og ytterligere grønn uklar Bunnfallet (sannsynligvis jern-pyrofosfat) som er dannet, og forlenget fra kantene av strukturen (figur 10). Tden grønne plume bunnfall var ikke en del av den kjemiske hage, og når reservoarløsningen ble fjernet, utbruddene kollapset og ikke aggregere godt til hovedstrukturen.
Membranpotensialet i hagen kjemiske eksperimenter ble generert så snart den kjemiske hagen ble synlig (det var en tidsforsinkelse, som injeksjonsvæsken reist gjennom røret). I forsøk hvor injeksjonsoppløsningen var NaOH, NaOH med alanin, eller NaOH med pyrofosfat, tendens potensialet til topp umiddelbart rundt 0,45 til 0,55 V, og deretter avtok i omtrent en time før stabiliserende rundt 0,1 til 0,2 V for resten av den primære injeksjons . (I forsøk der det primære injeksjon var NaOH + pyro + alanine, gjorde at spenningen ikke topp på den høyeste verdien på ~ 0,45 til 0,55, i stedet forble den rundt ~ 0,2 for hele primær injeksjon.) Det var forskjeller i membranpotensialet i gjentakelser av det samme eksperimentet (figur 11) <strong>, men mønstrene observert var mer eller mindre konsekvent over fire ganger i hver injeksjon kjemi.
Når de primære sprøyter ble byttet til de sekundære sprøyter som inneholder natrium, kjemisk hage fortsatte å vokse, bortsett fra at synlige nye vekster var nå svart jernsulfid. Snarere enn å bidra til eksisterende vegger, de svarte sulfid deler av den kjemiske hagen så ut til å forgrene seg og vokse separat. Så snart injeksjons sulfid løsningen nådde kjemisk hagen, membranpotensialet umiddelbart hoppet til ~ 0,9 V. Verdien av den potensielle nådd under den sekundære injeksjonen var den samme for alle forsøk, uavhengig av den primære injeksjonsoppløsningen (figur 10). Dette er fordi potensialet i kjemiske hage eksperimenter er mest på grunn av kjemien mellom de to grensesnitt løsninger, og siden våre videregående injeksjonsløsninger var alle 50 mM Na 2 S • 9H Vi vanligvis utført fire kjemisk hage eksperimenter på en gang, ved hjelp av fire reservoar flasker som ble matet med fire separate sprøyter og alle drevet med samme hastighet ved en sprøytepumpe. Ved å bruke den samme kjemi i alle fire dubletter, ofte observert store variasjoner i kjemisk struktur hage (total størrelse, antall grener), så vel som variasjoner i membranpotensialet i området fra 0,1 til 0,2 V. Denne mangelen på reproduserbarhet er å forvente i langt-fra-likevekt eksperimenter når så mye avhenger av vanskelighetene med startbetingelsene. Det er sannsynlig at den tilfeldige dannelse av kjemiske struktur i hager noen ganger fører til utfelling av membraner med varierende permeabilitet for ioner; i noen tilfeller, injeksjonsløsninger og reservoaret er antagelig bedre atskilt og derved membranpotensialet er i stand til å bli opprettholdt for en lengre periode. Tabell 1. spenninger som genereres av kjemiske hager generert ved langsomt å injisere en første primær, og en sekundær, løsning i et reservoar. V 1max (avg) og V 2max (avg) er gjennomsnittet av de høyeste spenningene produsert under den primæreog sekundære injeksjoner, henholdsvis; σ er standardavviket. 
Figur 1. Klarreaksjons fartøy. Reaksjonsbeholdere for injeksjon kjemiske hage forsøk ble gjort ved å kutte av bunnen av en 100 ml serumflaske, å sette inn en pipettespiss gjennom et septum w jør ble deretter krympe forseglet til flasken, og feste et rør gjennom å mate injeksjonsoppløsningen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 
Figur 2. Plassering av trådene i den kjemiske hagen reaksjonsbeholderen. (A) ovenfra, og viser plasseringen av den "indre" elektrode inn i injeksjonsåpningen. Denne ledningen ble omsluttet av kjemiske hagen når det begynte å vokse. Den "ytre" elektrode måtte forbli lenger fra injeksjonspunktet slik at det ikke ble berørt av den økende kjemisk hagen. (B) Fest ledningene med tape slik at de ikke beveger seg gjennom hele forsøket.= "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 
Figur 3. Opprette N2 headspace. Etter at reservoaret oppløsningen var tilsatt, ble en lufttett forsegling dannes over toppen av beholderen med Parafilm (som dekker elektrodene i tillegg), og deretter en lett N2-tilførselen ble innført for å opprettholde anoksiske forhold gjennom den kjemiske hagen vekst. Trykk her for å se en større versjon av dette tallet. 
Figur 4. Time-lapse vekst av en kjemisk hage. Dette forsøket inneholdt 75 mM FECl 2 • 4 H 2 O og 25 mM FeCl3 • 6 H 2 O i reservoaret løsningen. Den første injeksjonen var 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7, og etter 180 min injeksjonen ble byttet til 50 mM Na 2 S • 9H 2 O. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 
Figur 5. Membran potensialer. Membranpotensialet ble generert som et kjemisk hage vokste rundt den indre elektrode. Etter den primære injeksjon av hydroksyd som først dannede bunnfallet struktur, ble sprøyten byttet med en sprøyte med natriumsulfidoppløsningen. I dette eksperimentet reservoaret løsningen var 75 mM FeCl ^ 2 • 4 H 2 O + 25 mM FeCl ^ 
Figur 6. sprøyte. (A) Riktig innsetting av kanylen inn i fleksible plastrør. Hensyn må tas for ikke å punktere slangen -. Eksempel på feil innsetting er vist i (B) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 
Figur 8. Bunnfall stabilitet. Fe (II / III) -hydroxide kjemiske hager noen ganger kan opprettholde strukturell stabilitet etter at reservoarløsningen forsiktig fjernet. Bunnfallet kan deretter bli undersøkt for ytterligere analyse hvis ønsket. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 
Figur 9. Miljø scanning-elektronmikroskope avbildning. (A) Fe (II / III) -hydroxide kjemiske hager, (B) Fe (II / III) -hydroxide kjemiske hager som inneholder K 2 P 4 O 7, og (C) Fe ( II / III) -hydroxide kjemiske hager inneholder alanine. Alle bilder er av kjemiske hager etter primær injeksjon. Bunnfallet som innlemmet alanine dukket avrundet og mindre krystallinsk enn utfellinger av bare Fe (II / III) -hydroxide og Fe (II / III) -hydroxide inneholder K 2 P 4 O 7..jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 
Figur 10. Kjemiske hager dyrkes i et reservoar løsning av 75 mM FeCl ^ 2 • 4H 2 O + 25 mm FeCl3 • 6 H 2 O. (A) Injeksjon løsning inneholdt 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7. (B) Injection løsning inneholdt 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7 + 10 mM alanine. I kjemiske hager hvor injeksjonsløsning inneholdt K 2 P 4 O 7, grønt bunnfall fjær (piler) dannet nær solid precipitate grener, men disse utbruddene var ikke fullt aggregeres til hovedstrukturen og kollapset når reservoar løsningen ble fjernet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 
Figur 11. Membrane potensial generert ved kjemiske hager dyrket i reservoar oppløsninger av 75 mM FeCl ^ 2 • 4 H 2 O + 25 mM FeCl3 • 6 H 2 O. Fire ganger i hvert eksperiment er vist. Potensialet ble dannet så snart injeksjonsoppløsningen reist opp røret og kontaktetReservoaret løsning for å produsere et bunnfall struktur omsluttende den indre elektrode. Strukturen fortsatte å vokse som primærinjeksjonen fortsatte. Når sprøyten ble byttet til natriumsulfidoppløsningen og sekundær injeksjon begynte (piler), økt potensial til 0,9 til 1,0 V. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. Reservoir-oppløsning (100 ml) Primær Injection (6 ml) Primær injeksjonshastighet V 1max (avg) Sekundær Injection (6 ml) Sekundær injeksjonshastighet V 2max (avg) 75 mm FeCl ^ 2 • 4H 2 O + 25 mm FeCl3 • 6 H 2 O 0,1 M NaOH 3 ml / time 0,431 V, σ = 0,002 2 S • 9H to O 2 ml / time 0,881 V, σ = 0,047 0,1 M NaOH + 10 mM K 4 P 2 O 7 3 ml / time 0,473 V, σ = 0,016 2 ml / time 0,914 V, σ = 0,040 0,1 M NaOH + 10 mM alaninestere 3 ml / time 0.485 V, σ = 0,044 2 ml / time 0,929 V, σ = 0,015 0,1 M NaOH + 10 mM K 4 P 2 O 7 + 10 mM alanine 3 ml / time 0.239 V, σ = 0,061 2 ml / time 0.923 V, σ = 0,033
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dannelsen av en kjemisk struktur hage via injeksjon metode kan utføres ved tilkopling hvilke som helst to løsninger inneholdende reaktive ioner som produserer et bunnfall. Det er mange mulige reaksjonssystemer som vil produsere bunnfall strukturer, og å finne den rette oppskriften av reaktive ioner og konsentrasjoner til å vokse en ønsket struktur er et spørsmål om prøving og feiling. Strømningshastigheten av injeksjonsløsningen blir styrt av en programmerbar sprøytepumpe, og dette kan også varieres mellom eksperimenter for å simulere forskjellige grader av fluidstrømning i et naturlig system. Strukturen av kjemiske hager er avhengig av mange faktorer, deriblant sammensetning og strømningshastighet, og det er mulig å dyrke strukturer i så lite som noen få timer, og i løpet av lengre perioder på dager til uker. Man kan også legge til andre sporkomponenter av interesse inn i injeksjons eller reservoar løsning, slik som organiske molekyler eller andre komponenter som antas å være geologisk eller biologisk relevant <sup> 27,28. Avhengig av kjemien, kan disse komponenter være innlemmet i bunnfallet og / eller gjennomgår reaksjoner.
Det finnes ulike metoder som har blitt benyttet i tidligere arbeid for voksende kjemiske hage utfellinger, inkludert direkte vekst fra oppløse krystaller eller 'pellets' 18,29 og injeksjon eksperimenter som de omtalt her 30,31. Å utforme en kjemisk hage eksperiment hvor det er mulig på en pålitelig måle membranpotensialet, må man lage noen måte fullstendig omslutter "indre" tråd inne i bunnfallet membranen gjennom hele forsøket. Dette er vanskelig (om ikke umulig 14) for å oppnå i krystallvekstforsøk. I tidligere eksperimenter for 13 injeksjon, har vi generelt observert at tråden må plasseres direkte inn i injeksjonspunktet, ellers kjemisk hagen ofte "unngår" ledningen som den vokser, og dermed leaving begge ledninger i reservoaret løsningen, og ingen membranpotensialet kan måles. Kjemiske hager dyrket via injeksjon varierer i strukturell stabilitet avhengig av den kjemiske reaktant-system (er) som anvendes - for eksempel jern-silikat eller jern-hydroksyd systemer gir mer robuste strukturer som forblir stående når reservoarvæsken dekanteres, mens det rene jern-sulfid systemer tendens til å gi en mye mer gelatin, delikat bunnfall som lett kollapser dersom løsningen er forstyrret. En kollaps av den kjemiske hagen eller noen vesentlig brudd av membranen vil føre til umiddelbare virkninger på membranpotensialet, som ulikheten i fordelinger av ladede over membranen blø ut. Således, i denne typen av eksperimentet, er det svært viktig at ledningene er festet omhyggelig før injeksjon, slik at de ikke vil bevege seg så den kjemiske hagen vokser, og at den eksperimentelle / injeksjon oppsettet er stabil og ikke puffet under vekst.
Fordietter injeksjon av fluidet som strømmer inn i reservoaret er instruktivt, er fleksibel gjennomsiktig Tygon rør anbefales fremfor andre muligheter som for eksempel rustfritt stål. Den gjennomsiktige slange tillater observasjon av utfelte partikler som danner inne i røret, gjør det mulig å løsne tresko, og tillater deteksjon / fjerning av luftbobler. Ulempen med denne slangen er at det lett kan punkteres av sprøytespissen (figur 6). Vi har eksperimentert med å bytte sprøyter ved å sette den andre nål direkte inn i produksjonsrøret fra siden før den første injeksjonen, i stedet for faktisk beveger seg i røret fra en sprøyte til en annen, men denne teknikken var meget vanskelig å oppnå uten punktering. En annen fordel med Tygon slangen er at i tilfelle av utilsiktet punktering mens stikke en nål, kan man bare skjære den punktert en del av røret av og sett inn nålen.
Veksten av membranen er regissert av den buoyancy og, i mindre grad, trykket av injeksjon. En drastisk forandring i injeksjonstrykket kan føre til et sammenbrudd av den kjemiske hage, spesielt i systemer som ikke gir robuste bunnfall. Ved veksling sprøyter, er det viktig å holde sprøyten fjernes ved eller like over, for å hindre væskenivået strømme tilbake og sannsynlig disaggregering. En slik hendelse kan også unngås ved å sette opp eksperimentet slik at sprøytepumpen er i det omtrentlige nivå av reservoarene. Det gjør liten forskjell til membranpotensialet data hvis eksperimentet "stopper" for en lang tid, mens koblings sprøyter, så lenge som den kjemiske hagen forblir uforstyrret. Således er det anbefalt å bytte sprøyter nøye, en om gangen, og sikre at sprøyten som holder det indre trykk av den kjemiske hagen, slik at det ikke kan "flyte tilbake", før går videre til den neste. Injeksjonsraten bør holdes ganske constmaur mellom de første og andre injeksjoner, og generelt bør ikke være for raskt (minimum eksperiment tid ~ flere timer), siden overskudd av injeksjonstrykk vil revne membranen.
Dette eksperimentet er allsidig ved at den gjør det mulig for undersøkelse av selvsammen presipitat vekst i forskjellige reaksjonssystemer, inkludert de hvor en eller flere reaktanter som er til stede i samme løsning. Bytte av sprøyter åpner for muligheten til å vokse en stabil kjemisk hage ved hjelp av en reaksjonskjemi, og deretter ved hjelp av den struktur som en "kjemisk reaktor" for en annen komponent som passerer gjennom. For eksempel, hvis man ønsker å undersøke om organiske molekyler kan bli absorbert og / eller reagere i løpet av en hydrotermisk skorstein som består av jernmineraler 26, kunne man dyrke en kjemisk hage av relevante uorganiske komponenter og deretter mates gjennom en andre sprøyte med oppløsning inneholdende, for eksempel, nukleotider, aminosyrer, peptider,eller RNA 28. Dette ville ha den virkning å adsorbere og absorbere de organiske komponenter i bunnfallet i stedet for dem avgi i reservoaret. I våre forsøk, ble det observert at den sekundære injeksjon forårsaket jernsulfid skorsteiner til å vokse på toppen av den eksisterende jernhydroksyd skorsteiner, antagelig gjennom brudd i den opprinnelige membran på grunn av fluidtrykk. Dermed kunne interiøret på de forskjellige pipene være minst litt kontakten, og de delene av forskjellige mineraler i membranen kan tjene ulike funksjoner i en opprinnelse-of-life scenario, for eksempel metallsulfidene oksiderende hydrotermale H 2 / redusere oceanic CO 2 32,33 og jern oxyhydroxides kjørefosfat reaksjoner og redusere nitrat til ammonium på stedet 5,34,35. Materialer vitenskap undersøkelser kan gjennomføres ved hjelp av denne type forsøk i tillegg; for eksempel bevisst danner kjemiske hager av katalytiske komponenter (f.eks aluminosilicates) og deretter fôre andre komponenter (f.eks organiske molekyler eller fosfater) gjennom dem til å reagere. Man kan også utforske forming lagdelte materialer ved vekslende sprøyter til å produsere ulike uorganiske utfellinger (som i Roszol og Steinbock 2011 23). Det er en enkel sak å holde de enkelte reaksjonskar under anaerobe betingelser, eller en hvilken som helst gass topprommet under kjemisk hage formasjonen.
Begrensningene for denne type forsøk er for det meste på grunn av det faktum at kjemiske hage strukturer i systemer drevet av inflasjon, oppdrift og konveksjon er meget vanskelige å kontrollere. Bunnfallet strukturene kan være skjør og vanskelig å fjerne, og analysere etter forsøket. I tillegg, siden veksten av kjemisk hagen alltid er uforutsigbar, for å sikre måling av membranpotensialet, den "ytre" tråd i reservoaret må være distansert fra injeksjonspunktet, for å hindre at kjemikalierl hage omsluttende begge ledningene. Imidlertid tar denne forholdsregel gjør at ledningene er vanligvis ikke ideell avstand fra membranen. I stedet kan nøyaktige uorganisk membranpotensialmålinger kan oppnås ved å dyrke membranen på et bakepapir mal mellom de to løsningene 36. I kjemiske hage eksperimenter er det vanligvis ikke mulig å prøve og / eller på annen måte måle (f.eks pH) interiøret løsning; detaljert sanntidsanalyse kan kun gjøres på reservoarløsningen.
Naturlig avtrekk også ville vert termiske gradienter mellom det oppvarmede hydrotermiske fluid (~ 70 til 100 ° C) og havet 4, og så for å simulere hydrotermiske systemer kan det være ønskelig å øke den kjemiske hagen ved en høyere temperatur og trykk 37, som utgjør utfordringer med oppsettet beskrevet her. Det vil være mulig å vikle reservoaret flasken i en varmespiral for å regulere temperaturen før start; imidlertid et forskjelligent type pumpe kan være nødvendig for å oppvarme den tilsvarende injeksjonsoppløsningen. For å simulere et naturlig system, kan det være nødvendig å inkludere oppløste gasser (f.eks, CO 2) enten i oppløsning; mens dette kan være lettere å oppnå i reservoaret (hav simulant), ville det kreve mer forsiktig forberedelse til injeksjon (hydrotermale simulant). I dypt vann-systemer, kan det høye trykk påvirker skorstein vekst og kjemi, og, avhengig av eksperimentet, øker gasstrykket i begge væskene kan ha en signifikant effekt (for eksempel oppløst CO 2 kan resultere i jernkarbonat utfelling i den kjemiske hagen , også avhengig av det hydrostatiske trykk 6). Innlemming av økt temperatur og trykk i kjemiske hagen eksperimenter av denne type ville føre til mange interessante muligheter, ettersom temperatur og trykk påvirker løseligheten, nedbør, og spesifikke egenskaper av mange mineraler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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).
