Dieses Werk stellt ein Protokoll zur Herstellung Natrium Wolframat und Natrium-Molybdat-Mikrokapseln über Bakterien und ihre entsprechenden Nanopartikel.
Präsentieren wir Ihnen eine Methode, die bakterielle mineralischen Ausscheidung (BME), zur Synthese von zwei Arten von Mikrokapseln, Natrium Wolframat und Natrium Molybdat und zwei Metalloxide entsprechende Nanopartikel – das ehemalige sein so klein wie 22 nm und die letzteren 15 nm. Wir fütterten zwei Bakterienstämme, Shewanella Algen und Pandoraea SP., mit verschiedenen Konzentrationen von Wolframat oder Molybdat-Ionen. Die Konzentrationen von Wolframat und Molybdat wurden angepasst, um Mikrokapseln von unterschiedlicher Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis machen. Wir fanden, dass je höheren den Konzentration, desto kleiner wurden die Nanopartikel. Die Nanopartikel kam mit drei Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis: 10:1, 3:1 und 1:1, die durch die Fütterung der Bakterien bzw. mit einer niedrigen Konzentration, eine mittlere Konzentration und eine hohe Konzentration erreicht wurden. Die Bilder der hohlen Mikrokapseln wurden per scanning Electron Mikrosphären (SEM). Ihre Kristallstrukturen wurden verifiziert durch Röntgendiffraktometrie (XRD) — die Kristallstruktur von Molybdat Mikrokapseln ist Na2MoO4 und das Wolframat Mikrokapseln sind Na2WO4 mit Na2W2O7. Alle diese Synthesen wurden unter einer in der Nähe von Umgebungsbedingungen durchgeführt.
Metall-Oxid-Nanopartikel sind für Drug Delivery1, Bau künstlicher Knochen2, heterogene Katalyse3, Feldemission4,5, Solarzellen6, Gas-Sensoren7, ausgebeutet und Lithium Batterien8. Für praktische Anwendungen die mechanische Festigkeit von Nanokristallen und ihre Mikrostruktur sind entscheidend. Hohlen Schalenstrukturen ist unter die Mikrostrukturen lässt sich leicht, mechanisch robusten Materialien9erstellen. Unter hohlen Schalenstrukturen ist eine Kugelform bekannt, mehr als ein Ellipsoid Form steif sein; Letzteres hat eine größeren Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis als die ehemaligen10,11. Diese Arbeit beschreibt ein Protokoll für die Synthese von sphärischer Mikrokapseln über Bakterien mit eine ungiftige Methode unter einer ambient-Bedingung mit der alternative Methoden kontrastiert, einschließlich der Vorlage Synthese Methode12, Ultraschall-Spray-gestützte Synthese Methode13 und hydrothermale Verfahren14. Einige der alternativen Methoden erfordern Vorlagen12, einige einer Temperatur so hoch wie 500 ° C13, und einige ein hohen Druck14. Für die resultierende Struktur die Vorlage-Synthese-Methode unter Verwendung der Hefe-Vorlage bringt eine Kern-Schale-Struktur15, anstatt mit einer einzelnen Wand und derjenige unter Verwendung der E. Coli-Vorlage produziert eine Struktur mit Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 1.7:0.8, und ist nicht kugelförmig. 16.
In dieser Arbeit haben wir Metall-Oxid-Mikrokapseln mit einer einzelnen Wand und der Kugelform unter eine Umgebungsbedingung gemacht, durch die Ausnutzung von bakteriellen Stoffwechsel. In bakterielle Glykolyse, ein chemischer Prozess, der Kohlenstoffquellen wie Glukose und Laktose verstoffwechselt Kohlenstoffquellen gelten die Herkunft des reduzierenden darin erzeugten Stroms. Wir manipuliert bakteriellen Stoffwechsel durch Anpassung der Konzentration von Kohlenstoffquellen gewünschte Ziele zu erreichen. Diese Methode ist umweltfreundlich, ungiftig Agenten und verbrauchen viel weniger Strom. Zu guter Letzt ermöglicht diese Methode die Massenproduktion von Mikrokapseln einfach durch Erhöhung des Volumens der Brühe.
Vor der Methode wurden ein weiteres zwei Methoden, die Verwendung von bakteriellen Stoffwechsel um Mineralien machen: biologisch induzierte Mineralisierung (BIM)17 und biologisch kontrollierten Mineralisierung (BCM)18. BIM weder BCM kann verwendet werden, für die Herstellung von Natrium Wolframat und Molybdat Wolframat Mikrokapseln wie unser Prozess, der als die bakterielle mineralischen Ausscheidung (BME)19bezeichnet wird. In diesem Experiment kann die Form von Mikrokapseln kontrolliert werden, um ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 10:1 bis 1:1 haben, und die Größe der Nanopartikel Körner, bilden die Schalen ist einstellbar von 15 nm bis 110 nm.
Bezüglich der selbst-Konsistenz der Versuchsergebnisse sind die Vorbereitung und die Vermehrung von monoklonalen Bakterien entscheidend. Dieses Experiment, anders als die Vorlage Synthese Experimente15,16, beschäftigt bioaktive Gram-negativen Bakterien. Um eine einzelne Wand zu erhalten, wählten wir prokaryotische Bakterien statt eukaryotischen Bakterien wie Hefe15. Um eine Kugelform mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 1:1, statt ein größeres Verhältnis von Länge zu Durchmesser16zu erreichen, gefüttert, wir Bakterien mit einer viel höheren Konzentration von Oxyanions um in eine Kugelform schrumpfen manipulieren Mikrokapseln machen eine einzelne, Runde und dünne Wand (< 30 nm).
Da der BME stützt sich hauptsächlich auf Anpassung der Konzentration der Oxyanions, den Stoffwechsel der Bakterien zu kontrollieren, verfügt es über zwei Einschränkungen. Erstens ist die Konzentration der Oxyanions durch die Löslichkeit begrenzt, obwohl die Konzentration so hoch wie möglich sein sollte. Zweitens die meisten bakteriellen Stoffwechsel stoppt bei einer Temperatur über 45 ° C oder unter 5 ° C, bzw. der oberen und unteren Grenzen unseres Experiments.
Trotz dieser zwei Einschränkungen hat der BME großes Potenzial für die Herstellung von Metall-Oxid-Materialien von praktischem Interesse. Um diese Behauptung zu untermauern, werden wir versuchen, diese Methode um Zirkon Mikrokapseln und Eisen Mikrokapseln machen — das ehemalige sein ein guter Kandidat, Material für künstliche Knochen, und die letzteren für Drug-Delivery.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wird unterstützt vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, Republik China, die unter Nummer am 105-2221-E-011-008 gewähren, und auch von Advanced-Connectek Inc., Taipei, Taiwan, ROC unter Vertrag und die Nummer RD Ref Nr. 6749 Abt. Ref Nr. 011 durch die Abgestufte Institut von Electro-Optical Engineering, National Taiwan University of Science und 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 |