Dit werk presenteert een protocol voor vervaardiging natrium wolframaat en natrium molybdaat microcapsules via bacteriën en hun overeenkomstige nanodeeltjes.
Presenteren we een methode, de bacteriële minerale uitscheiding (BMT), voor de synthese van twee soorten microcapsules, natrium wolframaat en natriummolybdaat en de twee metaaloxiden bijbehorende nanodeeltjes — de eerste zo klein als 22 nm en de laatste 15 nm. We gevoed twee stammen van bacteriën, Shewanella algen jp Pandoraea sp., met verschillende concentraties van wolframaat of molybdaat ionen. De concentraties van wolframaat en molybdaat werden aangepast om microcapsules van verschillende lengte-naar-diameter verhouding. We vonden dat hoe hoger de concentratie hoe kleiner de nanodeeltjes waren. De nanodeeltjes kwam met drie lengte-naar-diameter verhouding: 10:1, 3:1 en 1:1, die werden bereikt door het voeren van de bacteriën respectievelijk met een lage concentratie, een middelgrote concentratie en een hoge concentratie. De beelden van de holle microcapsules werden genomen via de scanning electron microsfeer (SEM). Hun kristalstructuren werden gecontroleerd door röntgendiffractie (XRD) — de kristalstructuur van molybdaat microcapsules is Na2MoO4 en die van wolframaat microcapsules nb2WO4 met Na2W2O7. Deze syntheses alle werden uitgevoerd onder een in de omgeving van ambient voorwaarde.
Metaaloxide nanodeeltjes worden uitgebuit voor drug delivery1, bouw kunstmatige botten2, heterogene katalyse3, veld emissie4,5, zonnecellen6, gas sensoren7, en Lithium batterijen8. Voor praktische toepassingen zijn de mechanische sterkte van nanokristallen én hun microstructuur van cruciaal belang. Onder de microstructuren, kunnen lege huls structuren worden gebruikt voor het maken van lichtgewicht, mechanisch robuuste materialen9. Onder lege huls structuren, is een bolvorm bekend om zijn meer rigide dan een ellipsoïdale vorm; de laatste heeft een grotere lengte-naar-diameter verhouding dan de voormalige10,11. Dit werk beschrijft een protocol voor het synthetiseren van sferische microcapsules via bacteriën met een niet-toxisch methode onder een ambient aandoening, die met de alternatieve methoden contrasteert, met inbegrip van de sjabloon synthese methode12, Ultrasone-spray-bijgewoonde synthese methode13 en hydrothermale methode14. Sommige van de alternatieve methoden vereisen sjablonen12, wat een temperatuur zo hoog als 500 ° C13en sommige een hoge druk14. Wat betreft de resulterende structuur, de sjabloon synthese methode met behulp van de sjabloon gist bewerkstelligt een kern-shell structuur15, in plaats van met een enkele muur, en degene die met behulp van de sjabloon E. coli produceert een structuur met lengte-naar-diameter verhouding van 1.7:0.8, en is niet bolvormig. 16.
In dit werk hebben wij een metaaloxide microcapsules met een enkele muur en van sferische vorm onder een ambient voorwaarde door te profiteren van bacteriële metabolisme. In de bacteriële glycolyse, een chemisch proces dat koolstof bronnen, zoals glucose en lactose metaboliseert, koolstof bronnen worden beschouwd als de oorsprong van het reducerend vermogen gegenereerd daarin. We bacteriële metabolisme gemanipuleerd door de concentratie van koolstof bronnen om gewenste uiteinden passen. Deze methode is milieuvriendelijk, met behulp van niet-toxische agentia en verbruikt veel minder stroom van elektriciteit. Ten slotte, met deze methode kunt de massaproductie van microcapsules gewoon door het verhogen van het volume van Bouillon.
Voorafgaand aan de methode, zijn er een andere twee methoden gebruik te maken van bacteriële metabolisme zodat mineralen: biologisch geïnduceerde mineralisatie (BIM)17 en biologisch gecontroleerde mineralisatie (BCM)18. BIM en niet BCM kan worden gebruikt voor het maken van natrium wolframaat en molybdaat wolframaat microcapsules zoals onze proces, dat is uitgeroepen tot de bacteriële minerale uitscheiding (BMT)19. In dit experiment, de vorm van microcapsules kan worden gecontroleerd om een lengte-naar-diameter verhouding van 10:1 tot 1:1, en de grootte van nanoparticle korrels dat formulier de schelpen kunnen worden aangepast aan de variërend van 15 nm tot 110 nm.
Wat betreft de zelf-consistentie van de experimentele resultaten zijn de voorbereiding en de vermenigvuldiging van monoclonal bacteriën kritisch. Dit experiment, anders dan de sjabloon synthese experimenten15,16, werkzaam bioactieve gram-negatieve bacteriën. Als u op een enkele muur, kozen we voor prokaryote bacteriën in plaats van eukaryotische bacteriën zoals gist15. Om te bereiken een bolvorm met een lengte-naar-diameter verhouding van 1:1, in plaats van een grotere lengte-naar-diameter verhouding16, we gevoed bacteriën met een veel hogere concentratie van oxyanions om te manipuleren om te krimpen in een bolvorm, microcapsules waardoor met een honkslag, ronde, en dunne muur (< 30 nm).
Aangezien de BMT hoofdzakelijk een beroep op het aanpassen van de concentratie van oxyanions om te controleren van het metabolisme van de bacteriën, beschikt het over twee beperkingen. Ten eerste, de concentratie van oxyanions wordt beperkt door de oplosbaarheid, hoewel de concentratie zo hoog mogelijk moet. Tweede, meest bacteriële stofwisseling stopt bij een temperatuur van meer dan 45 ° C of onder 5 ° C, respectievelijk de boven- en ondergrenzen van ons experiment.
Ondanks deze twee beperkingen heeft de BMT een groot potentieel voor het maken van metaaloxide materialen van praktisch belang. Om deze bewering te staven, gaan wij proberen deze methode om zirkonium microcapsules en ijzer microcapsules — de eerste een goede kandidaat materiaal voor kunstmatige botten, en de laatste voor drug delivery.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk wordt ondersteund door het ministerie van wetenschap en technologie, Taiwan, Republiek van China, onder nummer meest 105-2221-E-011-008 verlenen, en ook door Geavanceerd-Connectek Inc, Taipei, Taiwan, ROC onder contract nummer RD Ref. No. 6749 en Dept. Ref. nr. 011 via de Afgestudeerd Instituut voor elektro-optische Engineering, National Taiwan University of Science en technologie.
LB(Lennox)broth with agar tablets | Sigma-Aldrich | L7075 | 1 tablet for 50 mL broth with agar |
LB (Lennox) broth | Sigma-Aldrich | L3022-1KG | LB (Lennox) powder 1 kg |
Dextrose anhydrous | Nihon Shiyaku Reagent | PL 78695 | glucose |
Sodium Tungstate | Nihon Shiyaku Reagent | PL 76050 | Na2WO4 · 2H2O |
Sodium Molybdate | Nihon Shiyaku Reagent | PL103564 | Na2MoO4 · 2H2O |
Sodium Chloride | Nihon Shiyaku Reagent | PL 68131 | NaCl |
Ethanol 99.5% | Acros organics | AC615090040 | CH3CH2OH |
Water | Made in our university | de-ionlized water | |
Autoclave | Tomin Medical Equipmenco, Ltd., Taipei City, Taiwan, ROC | TM-329 | heat to 120 °C for 10 min |
Centrifuge | Digit System Laboratory System, New Taipei City, Taiwan, ROC | DSC302SD | centrifuge at 2025 x g |
-80 °C Refrigerator | Panasonic | MDF-U3386S | Use to deep-freeze cryopreserve strain |
Ultrasonic Homogenizer Sonicator Processor Cell Disruptor | Lenox | UPS-150 | frequency 20 KHz power 150 W |
Incubator | Customer made | custom made | heat to 40 °C or cool to 18 °C with time cotrol |
Reciprocal shaking baths | Kingtech Scientific Co., Ltd | WBS-L | |
Digital Stirring Hot Plate | Corning | #6797-620D | use with PTFE magnetic stirring bar |
Biosafety cabinet | Zong Yen co., LTD | ZYBH-420 | All bacteria related process are done here |
Scanning electron microscope | JEOL | JSM-6500F | SEM Images |
50 mL centrifudge tube | Falcon | 14-432-22 | |
15 mL centrifudge tube | Falcon | 14-959-53A | |
Laboratory bottle 100 mL | Duran | 21 801 24 5 | |
Laboratory bottle 500 mL | Duran | 21 801 44 5 | |
Stainless steel spatula | Chemglass | CG-1981-10 | |
PTFE Disposable Stir Bars | Fisher | S68066 | |
Plastic Petri Dishes | Fisher | S33580A | |
Shewanella algae | Courtesy of author #3 | Courtesy of author #3 | |
Pandoraea sp. | Courtesy of author #3 | Courtesy of author #3 |