Introduction
"Химические сады» являются самоорганизующиеся неорганические осадки, разработанные где две жидкости контрастных химических взаимодействуют 1,2. Эти самоорганизующиеся структуры неорганических были предметом научного интереса для более века отчасти из-за их внешнего вида биомиметического, и многие экспериментальные и теоретические исследования были преследовали, чтобы понять различные сложные аспекты и возможные функции химических систем сад 3. Природные примеры химических садов включают минеральные "дымохода" осадки, которые растут вокруг гидротермальных источников и просачивается, и было доказано, что они могут предоставить правдоподобные условия для жизни, чтобы выйти 4. Чтобы вырастить химический сад, имитирующий естественный вентиляционную трубу гидротермальной, решение резервуар должен представлять собой имитацию состав океана и инъекционный раствор должен представлять гидротерм, которая кормит в океан. Универсальность этого типа ое эксперимент с разными системами реакции позволяет для моделирования практически любой предлагаемой химии жидкости океан / гидротермальной среде, в том числе на ранней Земле или в других мирах. На ранней Земле, океаны бы бескислородных, кислой (рН 5-6), и было бы содержащую растворенный атмосферный CO 2 и Fe 2+, а также Fe III, Ni 2+, Mn 2+, 3- НЕТ и НЕТ 2. Химические реакции между этой морской и океанической коры ультраосновного произвел бы щелочной гидротермальной жидкости, содержащей водород и метан, а в некоторых случаях сульфида (HS -) 4-8. Дымоходы, образующиеся в начале сред щелочного вентиляционных Землей, могут, таким образом, содержится черных / оксигидроксиды трехвалентного железа и железа / никеля сульфиды и было предложено, что эти минералы, возможно, служил конкретные каталитические и прото-ферментативный функции к освоения геохимических окислительно-восстановительные / градиентов рН ездить появление Metaboliсм 5. Точно так же, на другие миры, такие как, что, возможно, пройдет (или, возможно, размещены) вода / рок интерфейсы - например, в начале Марса, спутника Юпитера Европы, или луны Сатурна Энцелада - не исключено, что вода / порода химия может генерировать щелочные вентиляционные среды способны на вождение пребиотическое химию или даже предоставления жилые ниши для сохранившихся жизни 5,9-11.
Классический эксперимент химического сад включает в себя затравочного кристалла соли металла, например, железа тетрагидрат хлорида FeCl 2 • 4H 2 O, погруженный в раствор, содержащий реактивные анионы, например, силикат натрия или "жидкое стекло". Соль металла растворяется, создавая кислого раствора, содержавшего Fe 2+, который взаимодействует с дополнительной щелочном растворе (содержащий силикат анионы и ОН -) и неорганический мембраны осадок. Мембранные набухает под осмотического давления, вспышки, а затем вновь выпадает в осадокт новый интерфейс жидкости. Этот процесс повторяется до тех пор, пока кристаллы растворяются, в результате чего вертикально ориентированной, самоорганизующейся структуры осадка со сложной морфологией на обоих макро и микро масштабах. Этот процесс приводит к осадков дальнейшего разделения химически Контрастные решения по всей неорганических химических садовой мембраны и разности заряженных частиц через мембрану приводит к мембранного потенциала 12-14. Химическая садовые конструкции сложны, показывая градиенты состава из салона, чтобы снаружи 13,15-19, а стенки структуры поддерживать разделение между контрастными решений в течение длительных периодов, оставаясь несколько проницаемой для ионов. В дополнение к идеальным эксперимент для образовательных целей (как они просты, чтобы сделать для классных демонстраций, и может обучать студентов о химических реакций и самоорганизации), химические сады имеют научное значение как представлений самоуправления АССАМБЛЕЯLY в динамических, далеко от равновесия системах, включая методы, которые могут привести к производству интересных и полезных материалов 20,21.
Химические сады в лаборатории также могут быть выращены с помощью методов инжекции, в котором раствор, содержащий один ион осаждения медленно вводят во вторую раствора, содержащего совместным осаждением ионов (или ионов). Это приводит к образованию химических структур садовых, аналогичных экспериментов роста кристаллов, за исключением того, что свойства системы и осадок может быть лучше контролируется. Способ инжекции имеет несколько существенных преимуществ. Это позволяет сформировать химическое сад с использованием любой комбинации осаждающих или включены видов, то есть несколько ионов осаждением может быть включена в одном решении, и / или другие без конденсата компоненты могут быть включены в любом растворе поглощать / реагируют с осадком , Мембранный потенциал генерируется в химическойСистема сад может быть измерена в эксперименте впрыска, если электрод включены внутрь структуры, что позволяет электрохимической исследование системы. Инъекции эксперименты дают возможность кормить раствора для инъекций в интерьере химической саду контролируемых сроков, изменяя скорость впрыска или общее вводят объем; поэтому можно подавать через различные решения последовательно и использовать осажденный структуру как ловушка или реактора. В сочетании, эти методы позволяют для лабораторных моделирования сложных процессов, которые могут иметь место в системе естественной химической сада на подводной гидротермальные жерла, в том числе дымохода, образованной из многих одновременных реакций осаждения между океаном и вентиляционные жидкость (например, производство металлов, сульфиды, гидроксиды и / или карбонаты и силикаты). 5,22 Эти методы могут быть применены к любому химическому реакционной системе саду, чтобы обеспечить формирование новых типовматериалов, например, слоистых труб или труб с адсорбированными активных форм 20,23.
Мы здесь подробно пример эксперимент, который включает в себя одновременный рост двух химических садов, Fe 2+ -содержащих структур в бескислородной среде с. В этом эксперименте мы включили следовых количеств полифосфатов и / или аминокислот в исходное инъекционного раствора, чтобы наблюдать за их влияние на структуру. После первоначального формирования химического саду мы тогда переключил инъекционный раствор, чтобы представить сульфид в качестве вторичного осаждающим аниона. Измерения мембранных потенциалов выполнены автоматически в течение всего эксперимента. Этот протокол описывает, как запустить два эксперимента с использованием сразу двойную шприцевой насос; Данные, приведенные требуется несколько прогонов этой процедуры. Относительно высокие дебиты, низкая рН концентрации пластовых и реагентов, используемых в наших экспериментах, предназначен для формирования большой дымоход осаждается на время СКАлесь, пригодные для однодневных лабораторных экспериментов. Тем не менее, жидкость расхода в естественных гидротермальных источников может быть гораздо более диффузный и концентрации реагентов осаждения (например, Fe и S в ранней системы Земля) может быть на порядок ниже 4; Таким образом, структурированные осадки будут формировать более длинные временные рамки и отверстие может быть активным в течение десятков тысяч лет 24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Соображения безопасности
- Используйте средства индивидуальной защиты (халат, защитные очки, перчатки, нитриловые надлежащие обувь), чтобы предотвратить утечки химических веществ или травмы. Используйте шприцы и иглы, и заботиться, чтобы не проколоть перчатки. Позаботьтесь во время установки эксперимента, чтобы проверить аппарат на предмет утечек путем выполнения инъекции сначала дважды дистиллированной Н 2 О (DDh 2 O), и, чтобы проверить стабильность реакции флаконов на стенде, перед добавлением химических веществ.
- Провести такой эксперимент с любым химическим сад рецепт, но один из реагентов, которые мы используем для имитации глубоководных отверстия является опасным химическим, сульфид натрия; Поэтому делать всю эксперимент внутри вытяжного шкафа для предотвращения воздействия.
- Только открыть бутылку сульфида натрия в вытяжном шкафу и поместите баланс внутри вытяжного шкафа для взвешивания сульфид. Всегда держите сульфидсодержащих решения внутри вытяжного шкафа, как они выделяют токсичные H 2 S газ, а также сохранить sulfidе жидкость, острые предметы и контейнеры ТБО в вытяжном шкафу. Другой реагент представляет интерес Fe (II) Cl 2 • 4H 2 O, который окисляет на воздухе, поэтому позаботьтесь, чтобы сохранить решения бескислородных и расти химические сады под бескислородной свободном пространстве (например, N 2 или Ar), всегда в пределах вытяжной колпак или бардачок.
2. Установка для инъекций экспериментов
- Создать стекла "Injection флаконов", отрезав нижние 1 см 100 мл прозрачного стекла обжимной верхнюю сыворотки бутылку (20 мм бушоны типа закрытия) с стеклорез, так что, когда перевернутый сосуд открыт для воздуха. Поскольку эти многоразовые, очистить флаконов в 1 М HCl кислоты ванна O / N, а затем хорошо промыть с DDh 2 O до нового эксперимента.
- Подготовка инъекций флаконы (рисунок 1).
- Соберите 20 мм перегородку, 20 мм алюминий бушоны и 0,5-10 мкл пластиковые пипетки с. Использование 16 G шприца пеEdle, тщательно прокола отверстие через центр перегородки, затем снимите и выбросьте иглу в контейнер для острых предметов соответствующего отходов.
- Вставка пипетки в отверстие иглы, в сторону резиновую прокладку, которая будет сталкиваться внутри обжимной верхней части флакона. Нажмите пипетки через перегородку, чтобы он тычет на другую сторону.
- Обжимные-печать перегородку с кончика пипетки на инъекции судна, чтобы сделать водонепроницаемое уплотнение. При запечатаны, нажать пипетки далее через перегородку так, чтобы она выступала наружу.
- Прикрепите 1/16 "внутренний диаметр четкое гибкий химически стойких труб до кончика пипетки (длина трубки должны добраться от инъекций флакон в шприцевой насос); сдвиньте его вверх для водонепроницаемого уплотнения.
Примечание: Это будет инжекционной трубки, кормили с другого конца с помощью шприца с иглой 16 G. - Проверка на наличие утечек: Вставьте шприц 10 мл, наполненную DDH 2 O с 16 г иглы в другой конец трубки(плавно скользить трубку прямо на иглу, и будьте осторожны, чтобы не проколоть стенку трубки). Медленно вводят таким образом, чтобы DDH 2 O движется вверх трубку и в нижней части реакционного сосуда. Убедитесь, что шприц / трубы, трубы / чаевые, и обжимные уплотнения являются водонепроницаемыми.
- Зажим для инъекций флаконы на подставке в вытяжном шкафу, так что инъекция будет кормить из нижней части флакона.
Примечание: Несколько флаконы могут быть созданы сразу и одновременно подается отдельными шприцами. - Настройка электродов для измерения мембранного потенциала через стенку химических садов. Всегда используйте ту же конвенции, для которых свинец "внутри", и которое "за пределами" химических садов.
- Вырезать длины изолированного провода (например, медь), которые достигают изнутри реакционных сосудов руководством мультиметра или данных регистратора. Оставьте немного слабины в проводах для позиционирования.
- Strip ~ 3 мм отпроволокой голой на концах, которые будут расположены внутри реакционной пробирке. На других концах, которые будут подключены к мультиметр приводит, стриптиз ~ 1 см проволоки.
- Закрепите провода на месте, чтобы измерить мембранный потенциал через химической саду. Для провода, который пойдет в химической саду: вставьте его в отверстие наконечника пипетки, из которого жидкость подается в емкости.
- Нажмите провода в слегка, чтобы обеспечить контакт с инъекционного раствора, но не настолько далеко, что это приведет к загрязнению поток впрыскивания. Для внешнего провода: место это так, что он будет находиться в контакте с резервуаром решение, но не с химическим сад осадка.
- Лента или иным закрепить провода так, что они не могут двигаться внутри флакона инъекции в ходе эксперимента (Рис.2).
- Прикрепите другие концы проводов к мультиметру, и закрепите провода так, чтобы эти цели также не двигаться в течение всего эксперимента.
- Настройте N 2
- Разделение сырьевого газа из источника N 2 на несколько трубок, так что есть одна Н 2 корм для каждого флакона инъекции.
- Поместите каждую N 2 трубки, так что он питается в свободном пространстве одного из нагнетательных флаконах.
3. Подготовка решений для химической Garden роста
- Подготовка резервуара раствора, 100 мл для каждого эксперимента. Примечание: В этом примере используют 75 мм Fe 2+ и 25 мМ Fe 3+ как осаждающихся катионов (таблица 1).
- Создать бескислородные решения сначала барботирования DDh 2 O с N 2 газа для ~ 15 мин на 100 мл.
- Взвесить и добавить FeCl 2 • 4H 2 O и FeCl 3 • 6H 2 O, осторожном перемешивании, чтобы растворить (не энергично, чтобы не вводить кислород).
- После реагенты растворяются, сразу resumе свет пузырьков в Fe 2+ Fe 3+ / решение с N 2 газа, а инъекции готовят.
- Выбрать любые два из первичных растворов для инъекций, представленных в таблице 1, и подготовить 10 мл каждого. Заполните 10 мл шприц до отметки 7 мл каждого из растворов (один шприц для каждого раствора). Замените иглы шапки и отложите в сторону.
- Подготовьте 20 мл вторичного раствора для инъекций (сульфид натрия - предупреждение)., Показанные в таблице 1 Заполните два 10 мл шприцы отметки 7 мл с этим решением, заменить игл шапки и отложите в сторону. Всегда держите сульфидсодержащих решения и шприцы в вытяжном шкафу.
- Пополнить DDh 2 O шприцы с шага 2.2.5; они будут использоваться для промывки инжекционной трубки.
4. Запуск Primary инъекции
- Используйте нужный регистратор данных для мембранного потенциала измерений; измерения потенциала каждого эксперимента в на separatе канал и установите скорость сканирования, чтобы дать нужное количество точек данных (например, для инъекции 2-ч, запись потенциал каждые 30 сек будет достаточно).
- Безопасный первичные шприцы для инъекций от программируемого шприцевой насос в вытяжном шкафу.
- Используйте стакан отходов поймать капли и установить шприцевой насос, чтобы придать быстрыми темпами до тех пор, шприцы оба не начнут капать в стакан. Затем остановить инъекцию (в целях обеспечения того, чтобы два шприца начинают инъекционных на точно такой же уровень).
- Перепрограммировать шприцевой насос, чтобы придать на 2 мл в час (калибровки для данного типа шприца, используемого), но не попал старт.
- Вставьте DDh 2 O шприцы в двух пластиковых трубок впрыска, и ввести, чтобы вода заполняет прозрачной трубки до отверстия, где он входит в основной резервуар. Поместите шприцы на стенде, над инъекций флаконы.
- Залить 100 мл Fe 2+ / Fe 3+ водохранилища раствора в EAч флакон.
- Регулировка потока газа линий N 2 при желании сохранить эксперимента бескислородной на время инъекции.
- Тщательно покрыть коллекторских флаконы с герметичной прокладкой (например, с помощью парафильм; не препятствует вид через стекло) и вставить N 2 корма в каждом флаконе (рисунок 3).
- Принесите DDh 2 O шприцы (еще вставлены в трубку) вниз рядом с первичным шприцы для инъекций. Осторожно сдвиньте пластмассовую трубку впрыска выключить шприца O иглы DDh 2, и сразу же передать ее непосредственно на одной из первичных шприца иглы. (Будьте осторожны, чтобы не проколоть стенку трубки).
- Начните инъекции, и начать запись мембранного потенциала.
5. Запуск вторичного впрыска:
- Хит остановку на шприцевой насос через 3 часа (после 6 мл были введены), когда химические структуры сада создали (FIGURe 4), постоянно создавая мембранный потенциал (рисунок 5).
- Осторожно снимите основные шприцы для инъекций от шприцевой насос (но оставить их подключении к трубке так структуры не беспокоит); установить их на над уровнем жидкости в ампулах стойки так, чтобы жидкость не может течь обратно в шприц.
- Безопасный вторичных сульфидных шприцы в шприцевой насос, и повторите шаги 4.3 и 4.4.
- Удалить вторичного шприцы по одному из шприцевой насос, и, удерживая шприцы над уровнем жидкости в пузырьках, повторите шаг 4,9, передавая трубку из первичных шприцев к вторичным шприцев (фиг.6). Будь бдителен, что давление жидкости из резервуара в шприце не вызывает жидкости течь обратно в шприц, так как это может разрушиться химический сад.
- Когда передача завершена, тщательно закрепите вторичные шприцы йе шприцевой насос.
- Re-программы шприцевой насос, чтобы придать на 2 мл в час, и ударил начать продолжать инъекции с новой инъекционного раствора.
- Безопасное распоряжаться первичных шприцы для инъекций.
6. Прекращение эксперимента
- Первая остановка в шприцевой насос, затем остановите запись мембранного потенциала и сохранения данных.
- Выключите поток N 2 и удалите строки, и парафильмом от инъекций судов.
- При желании, образец пластового раствора или осадка для дальнейшего анализа. Для осторожно снимите резервуар решения, а не мешать осадок, использовать 25 мл пипеткой тщательно отбирают пипеткой пластового решение в нескольких аликвот, и отменить решение в стакане отходов.
- Освободить инъекции сосуды по одному и залить раствор в стакане передачи отходов в вытяжном шкафу. Используйте DDh 2 O, чтобы промыть кусочки осадка.
- Удалить шприцы сюдам шприцевой насос, и извлечь их из трубки, позволяя дополнительный впрыска жидкости бежать в передаче отходов стакан. Слейте шприцы в стакан с отходами, и распоряжаться шприцы в контейнер для острых предметов сульфид хранится в вытяжном шкафу.
- Снимите трубку от эксперимента флакона и распоряжаться им в сумке твердых отходов. Uncrimp печать и распоряжаться перегородки, печать и пипетки.
- Промойте эксперимент флакон стеклянный и положите его в 1 М HCl ванна кислоты O / N. (ВНИМАНИЕ - посуда, которая была в контакте с сульфидом натрия образуются ядовитые H 2 S газ при размещении в кислоте Держите ванны кислот внутри вытяжного шкафа.).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
После того, как раствор для инъекций начали кормить в резервуар раствора, химический сад начинает образовываться осадок на границе жидкости и эта структура продолжает расти в течение впрыска (фиг.4-7). В экспериментах здесь, первой инъекции был гидроксид натрия (который может быть изменен, чтобы включить L-аланин и / или пирофосфат), и резервуар раствор представлял собой 1: 3 смесь Fe 3+ / Fe 2+, получая смешанный -redox государство железа оксигидроксид осадок. Химические сады, как правило, выставлены двойной цветной морфологии - некоторые элементы осадка были темно-зеленый (вероятно, указывает на смешанный оксигидроксид) и другие части были оранжевый (вероятно, с указанием в основном Fe 3+ -oxyhydroxide / оксид). Железо оксигидроксид химических садов были довольно крепкими и структуры часто удавалось оставаться в вертикальном положении, когда резервуар раствор удаляется из сосуда после инъекции (беспроводнойфигура 8). В выделений, содержащих только Fe-оксигидроксид, химические сады, как правило, формируется несколько филиалов; Однако, когда гидрофобный аланин аминокислоты были включены в инъекционного раствора, химические сады, как правило, образуют меньше ветвей или даже одной колонки осадка. Это ингибирование разрыва и ветвление предположительно указывает, что добавление аланина дает более прочное химическое сад стенку 26. Под экологической сканирующей электронной микроскопии (ESEM), осадки, образующиеся в присутствии аланина появились более округлые и аморфным, в то время как чистых Fe-оксигидроксидов осадков (а также тех, содержащего пирофосфат) появились более кристаллическим (рисунок 9). При пирофосфат был включен в инъекционного раствора, разветвленный Fe-оксигидроксид химический сад сформирован, и дополнительное зеленый осадок облачно (вероятно, железа пирофосфат) формируется и распространяется от краев структуры (рисунок 10). Тего зеленый шлейф осадок не был частью химической саду, и, когда резервуар раствор удаляли, перья рухнул и не агрегировать также к основной конструкции.
Мембранный потенциал в химических опытов сад был создан, как только химический сад стал видимым (было время, отставание, как раствор для инъекций путешествовал через трубку). В экспериментах, где раствор инъекций NaOH, NaOH аланином или NaOH с пирофосфата, потенциал, как правило, пик непосредственно вокруг 0,45 до 0,55 V и затем уменьшается в течение приблизительно часа перед стабилизацией примерно 0,1 до 0,2 В в течение остального первичной инъекции , (В экспериментах, где основной инъекций NaOH + пирофосфат + аланин, напряжение не достигнет своего пика в более высоком значении ~ 0,45 до 0,55, вместо этого, он оставался около ~ 0,2 для всей первичной инъекции.) Были различия мембранного потенциала в повторы одного и того же эксперимента (рисунок 11) <сильный>, но узоры, наблюдаемые были более или менее последовательно в течение четырех повторов каждого химии инъекции.
Когда первичные шприцы были переведены на вторичных шприцев, содержащих сульфид натрия, химическая сад продолжает расти, кроме того, что видимые новообразования теперь черный сульфид железа. Вместо вклад в существующих стенах, черные сульфидные участки химической саду появились ответвление и расти отдельно. Как только раствор для инъекций сульфида достиг химический сад, мембранный потенциал сразу вырос до ~ 0,9 В. значение потенциала, достигнутого в ходе вторичной инъекции была одинаковой для всех экспериментов, независимо от первичного инъекционного раствора (рисунок 10). Это потому, что потенциал химических экспериментов сад в основном из-за химии между двумя взаимодействующими решений, и, так как наши вторичные инъекционные растворы были 50 мМ Na 2 S • 9H Мы провели четыре обычно эксперименты химического сад сразу, используя четыре коллектора бутылки, которые питались четыре отдельных шприцев и все приводится в движение с той же скоростью по шприцевой насос. Используя ту же химию во всех четырех дубликатов, мы часто наблюдали большие изменения в химической структуре сада (общий размер, количество филиалов), а также изменения в мембранного потенциала в диапазоне от 0,1 - 0,2 В. Этот недостаток воспроизводимости следует ожидать в далеко от равновесия, когда эксперименты очень многое зависит от тонкости начальных условий. Вполне вероятно, что случайный формирование структуры в химических садах иногда приводит к осаждения мембраны с различной проницаемостью для ионов; В некоторых случаях, инъекции и резервуар растворы, вероятно, лучше разделены и, таким образом, мембранный потенциал способен поддерживать в течение длительного периода времени. Таблица 1. Напряжения, генерируемые с помощью химических садов, генерируемых медленно инъекционных сначала основной, а затем вторичную, раствор в резервуаре. В 1max (ср) и V 2max (ср) являются средние значения напряжений высоких произведенных в течение основнойи вторичные инъекции, соответственно; σ стандартное отклонение. 
Рисунок 1. Подготовка реакционных сосудов. Реакционные сосуды для экспериментов инъекции химических сад были сделаны отрезав дно бутылки сыворотки 100 мл, вставив наконечник пипетки через перегородку ж HICH затем обжима запечатаны в бутылку, и присоединение трубки, через которые, чтобы прокормить раствора для инъекций. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 
Рисунок 2. Размещение проводов в химической реакции сад судна. (А) Вид сверху, показывающий размещение "внутренней" электрода в отверстие впрыска. Этот провод был окутан химической саду, когда он начал расти. "Внешние" электрод должен был оставаться дальше от точки впрыска, поэтому он не был тронут растущей химической саду. (Б) Безопасный провода лентой так, что они не двигаются в течение всего эксперимента.= "_blank"> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 
Рисунок 3. Создание N 2 свободного пространства. После того, как резервуар раствор добавляют, герметичное уплотнение было сформировано на верхней части сосуда парапленкой (охватывающих электроды, а), а затем светло-N 2 подачи была вставлена для поддержания анаэробных условиях в течение всего роста химической саду. Пожалуйста, нажмите здесь Чтобы смотреть большую версию этой фигуры. 
Рисунок 4. Рост Покадровый химического сад. Этот эксперимент содержал 75 мм ТЭКл 2 • 4H 2 O и 25 мМ FeCl 3 • 6H 2 O в водохранилище решения. Первая инъекция была 0,1 М NaOH + 10 мМ К 2 Р 4 O 7, и после 180 мин инъекции перешли на 50 мм Na 2 S • 9H 2 O. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 
Рисунок 5. Мембранные потенциалы. Мембранный потенциал был создан в качестве химического сад вырос вокруг внутренней электрода. После первичной инъекции гидроксида, что сначала формируется структура осадка, шприц был включен с помощью шприца сульфида натрия. В этом эксперименте резервуар раствор 75 мМ FeCl 2 • 4H 2 O + 25 мМ FeCl 
Рисунок 6. Шприц. (А) Правильное введение иглы шприца в гибкой пластиковой трубки. Уход должны быть приняты, чтобы не проколоть трубки -. Пример неправильной установки показана на (B) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 
Рисунок 8. Осадок стабильность. Fe (II / III), -гидроксид химические сады иногда может поддерживать структурную стабильность после водохранилище решение тщательно удалены. Осадок может быть пробы для дальнейшего анализа, если лучшего. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 
9. окружающей сканирующей электронной микроскопии изображений. (А) Fe (II / III) -гидроксид химические сады, (Б) Fe (II / III), -гидроксид химические сады, содержащие K 2 P 4 O 7, и (С) Fe ( II / III) -гидроксид химические сады, содержащий аланин. Все изображения являются химических садов только после первичной инъекции. Осадки, которые включены аланин появились округлые и менее чем кристаллический выделений только Fe (II / III) -гидроксид и Fe (II / III), содержащего -гидроксид K 2 P 4 O 7..jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 
Рисунок 10. Химические сады, выращенные в водохранилище решения 75 мм FeCl 2 • 4H 2 O + 25 мм FeCl 3 решения • 6H 2 O. (А) для инъекций содержится 0,1 М NaOH + 10 мМ K 2 P 4 O 7. Раствор (B) инъекци содержала 0,1 М NaOH + 10 мМ К 2 Р 4 O 7 + 10 мМ аланина. В химических садов, где инъекционный раствор, содержащихся К 2 Р 4 O 7, зеленые перья осадок (стрелки), образующихся вблизи твердой прecipitate филиалов, но эти перья не были полностью объединены с основной конструкцией и рухнул, когда резервуар раствор удаляли. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 
Рисунок 11. Мембранный потенциал генерируется с помощью химических садов выращивают в пластовых решений 75 мм, FeCl 2 • 4H 2 O + 25 мМ FeCl 3 6H • 2 O. Четыре повтора каждого эксперимента показаны. Потенциал был сгенерирован, как только раствор для инъекций поездку вверх по трубке, и связалсяРезервуар раствора для получения структуры осадка обволакивает внутреннюю электрод. Структура продолжает расти, как основной впрыск приступил. Когда шприц местами для сульфида натрия и вторичный впрыск начал (стрелки), потенциал увеличился до 0,9 - 1,0 В. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Водохранилище Решение (100 мл) Первичная впрыска (6 мл) Первичная скорость впрыска В 1max (ср) Вторичный впрыска (6 мл) Вторичный впрыска Оценить В 2max (ср) 75 мм, FeCl 2 • 4H 2 O + 25 мМ FeCl 3 • 6H 2 O 0,1 М NaOH 3 мл / час 0,431 В, σ = 0,002 Na 2 S • 9H 2 O 2 мл / ч 0.881 В, σ = 0,047 0.1 М NaOH + 10 мМ K 4 P 2 O 7 3 мл / час 0,473 В, σ = 0,016 2 мл / ч 0.914 В, σ = 0,040 0,1 М NaOH + 10 мМ аланина 3 мл / час 0,485 В, σ = 0,044 2 мл / ч 0,929 В, σ = 0,015 0.1 М NaOH + 10 мМ K 4 P 2 O 7 + 10 мМ аланина 3 мл / час 0,239 В, σ = 0,061 2 мл / ч 0,923 В, σ = 0,033
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Формирование химической структуры сада с методом впрыска может быть достигнуто путем взаимодействия любых двух растворов, содержащих реакционноспособные ионы, которые производят осадок. Есть много возможных реакционных систем, которые будут производить осадок структуры и найти правильный рецепт активных ионов и концентрации, чтобы вырастить желаемой структуры является вопросом проб и ошибок. Расход инъекционного раствора регулируют с помощью программируемого шприцевой насос, и это также может варьироваться от экспериментов для имитации различных скоростей потока жидкости в природной системе. Структура химического садов зависит от многих факторов, в том числе состава и скорости потока, и можно выращивать структуры в качестве лишь несколько часов, и в течение более длительных периодов дней до нескольких недель. Также можно добавить другие компоненты трассировки, представляющие интерес в инъекции или резервуара раствором, таким как органические молекулы или других компонентов как считается, геологически или биологически значимым <SUP> 27,28. В зависимости от химического состава, эти компоненты могут быть включены в осадок и / или пройти реакции.
Есть различные методы, которые были использованы в предыдущей работе для выращивания химической сад осадков, в том числе прямых роста от растворения кристаллов или гранул »» 18,29 и нагнетательных эксперименты, подобные тем, признакам здесь 30,31. Чтобы создать химический эксперимент сад, где можно надежно оценить мембранный потенциал, нужно создать какой-то способ полностью обволакивая "Интерьер" провод внутри осадка мембраны на протяжении всего эксперимента. Это трудно (хотя и не невозможно 14), чтобы выполнить в экспериментах роста кристаллов. В предыдущих экспериментах инъекции 13, мы обычно наблюдается, что провод должен быть размещен непосредственно в точке инжекции, в противном случае химический сад часто "избежать" провод, как он растет, тем самым лeaving оба провода в растворе резервуара и не мембранного потенциала может быть измерена. Химические сады, выращенные с помощью инъекции варьироваться в структурной устойчивости в зависимости от системы (систем) химический реагент используется - например, железо-силикатные или железа гидроксид системы дают более надежные структуры, которые остаются стоять, когда резервуар жидкость сливают, а чистых систем железо-сульфидных как правило, дают гораздо более гелеобразную, тонкий осадок, который легко разрушается, если решение нарушается. Крах химической саду или какого-либо значительного разрыва мембраны вызовет немедленный эффект мембранного потенциала, как неравные распределения заряженных частиц через мембрану кровоточить. Таким образом, в этом типе эксперимента, очень важно, чтобы провода были тщательно закреплены перед инъекцией, так что они не будут двигаться в химический сад растет, и что установка экспериментальной / впрыска является стабильной и не толкают в процессе роста.
Потому какпосле инъекции жидкости, протекающей в резервуар полезно, гибкий шланг прозрачный Tygon рекомендуется по сравнению с другими возможностями, такими как нержавеющая сталь. Ясное трубки позволяет для наблюдения осадка частиц, образующих в трубопроводе, позволяет сместить сабо и позволяет обнаружение / удаление пузырьков воздуха. Недостатком этого является то, что трубы можно легко проткнуть иглой шприца (рис 6). Опыты проводились с переключением шприцы, вставив иглу второй непосредственно в трубке со стороны перед первой инъекцией, а не фактического перемещения трубки из одного шприца в другой, но этот метод был очень трудно осуществить, не прокалывая. Еще одно преимущество трубки Tygon, что, в случае случайного прокола при вставке иглы, можно просто отрезать проколотого часть трубки и заново ввести иглу.
Рост мембраны направлено на Buoyancy и, в меньшей степени, давление впрыска. Резкое изменение давления впрыска может вызвать крах химической саду, особенно в системах, которые не производят надежные осадков. При переключении шприцы, важно провести шприц удаляется на или чуть выше, уровень жидкости для предотвращения обратного потока и, вероятно, дезагрегации. Такое событие может быть также избежать путем создания эксперимент таким образом, что шприц насос на примерно на уровне водоемов. Не имеет большого значения с потенциалом данных мембранных если эксперимент "паузы" в течение промежутка времени при переключении шприцы, при условии, что химический сад остается нетронутой. Таким образом, рекомендуется внимательно переключения шприцы, по одному, и закрепите шприц, который держит внутреннее давление химической саду, так что он не может "течь обратно", прежде чем перейти к следующему. Скорость впрыска должна быть достаточно строительствамуравей между первым и вторым инъекций, и в целом не должна быть слишком быстро (минимальное время эксперимента ~ нескольких часов), так как избыточное давление впрыска приведет к разрыву мембраны.
Этот эксперимент является универсальным в том, что она позволяет исследования самосборки роста осадка в различных реакционных систем, в том числе те, в которых один или несколько реагентов присутствует в том же растворе. Замена шприцев допускает возможность выращивания стабильный химический сад использованием одного реакционного химию, то с помощью этой структуры в качестве "химического реактора" для второго компонента, проходящего через. Например, если кто-то хочет, чтобы исследовать ли органические молекулы могут абсорбироваться и / или реагировать в течение гидротермической трубу, состоящей из минералов железа 26, можно вырастить химический сад соответствующих неорганических компонентов, а затем кормить через второй шприц раствором, содержащим, для Например, нуклеотиды, аминокислоты, пептиды,или РНК 28. Это будет иметь эффект адсорбции и поглощает органические компоненты в осадок, а не рассеивать их в резервуар. В наших экспериментах мы наблюдали, что вторичный инъекции вызвало железосульфидных трубы расти на верхней части существующих труб гидроксида железа, по-видимому через разрывы в исходном мембраны вследствие давления жидкости. Таким образом, внутренние пространства различных труб может быть по крайней мере несколько подключен и участки различных минералов в мембране может обслуживать различные функции в сценарии Происхождение срока службы, например, сульфиды металлов окислительной гидротермальной Н 2 / уменьшения океанической CO 2 32,33 и железа оксигидроксиды вождение фосфатных реакций и снижение нитратов до аммиака на сайте 5,34,35. Материаловедение исследования могут быть проведены с использованием этого типа эксперимента, а также, например, намеренно формирования химических сады каталитических компонентов (например, алюминийminosilicates), а затем кормить другие компоненты (например, органические молекулы или фосфаты) через них реагировать. Также можно было бы изучить формирование слоистых материалов путем переменного шприцы для получения различных неорганических осадков (как в Roszol и Стейнбоком 2011 23). Это простой вопрос, чтобы сохранить отдельные реакционные сосуды в анаэробных условиях или любой желаемой свободном пространстве газа в процессе формирования химического сад.
Ограничения этого типа эксперимента в основном из-за того, что химические структуры сад в системах, управляемых наполнения, плавучести и конвекции очень трудно контролировать. Осадок структуры могут быть хрупкими и трудно удалить и проанализировать после эксперимента. Кроме того, поскольку рост химической саду всегда непредсказуем, с тем чтобы обеспечить измерение потенциала мембраны, «внешний» провод в резервуаре должен быть на расстоянии от точки ввода, чтобы предотвратить CHEMICAл сад обволакивая оба провода. Однако, принимая этой меры предосторожности означает, что провода, как правило, не идеально близко к мембране. Вместо этого, точные неорганического мембранного потенциала измерений может быть достигнута путем выращивания мембрану на шаблоне пергаментной бумагой между двумя решениями 36. В химических опытов сад это не всегда возможно попробовать и / или иным измерения (например, рН) внутренней решение; Подробный анализ в режиме реального времени может быть сделано только на водохранилище решения.
Природные отверстия также будет принимать температурные градиенты между нагреваемой жидкости гидротермальной (~ 70-100 ° C) и океаном 4, и так, чтобы имитировать гидротермальные системы может быть желательно выращивать химический сад при более высокой температуре и давлении 37, который представляет проблемы с установкой, описанной здесь. Можно было бы, чтобы обернуть бутылью в нагревательной спиралью, чтобы регулировать температуру перед началом; однако, отличаютсяENT тип насоса может быть необходимо для того, чтобы нагреть аналогично инъекционного раствора. Для имитации природной системы, это может быть необходимо включить растворенные газы (например, СО 2) в любом растворе; в то время как это может быть легче выполнить в водохранилище (океана имитирующей), это потребует более тщательной подготовки для инъекций (гидротермальной имитирующей). В глубоководных систем, высокое давление может повлиять на дымоход рост и химию, и, в зависимости от эксперимента, увеличивая давление газа в обоих жидкостей может иметь значительный эффект (например, растворенного CO 2 может привести к осаждению карбоната железа в химической саду , также зависит от гидростатического давления 6). Включение повышенную температуру и давление в химических опытов сад этого типа приведет к много интересных возможностей, так как температура и давление влияют на растворимость, осаждение, и специфические свойства многих минералов.
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).
