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化学

나트륨 Tungstate 및 세균성 미네랄 배설을 통해 나트륨 몰 리브 덴 Microcapsules 합성

Published: January 30, 2018
doi:
10.3791/57022
, ,
1Department of Electronic and Computer Engineering,National Taiwan University of Science and Technology, 2Department of Marine Biotechnology,National Kaohsiung Marine University, 3Institute of Applied English,National Taiwan Ocean University

概要

이 작품 박테리아와 그들의 해당 나노 입자를 통해 나트륨 tungstate, 나트륨 몰 리브 덴 microcapsules 제조에 대 한 프로토콜을 제공합니다.

Abstract

우리는 방법을 제시 2 종류 microcapsules, 나트륨 tungstate 및 나트륨 몰 리브 덴, 2 개의 금속 산화물의 해당 나노 입자의 합성에 대 한 세균 미네랄 배설 (공학은)-전 22 작은 되 고 및 후자 15 nm. 우리 먹이 tungstate 또는 몰 리브 덴 이온의 다양 한 농도와 박테리아, Shewanella 조류 와 Pandoraea sp.의 2 개의 긴장. Tungstate 및 몰 리브 덴의 농도 다른 길이-직경 비율의 microcapsules 수 있도록 조정 되었다. 우리가 발견 하는 더 높은 농도 작은 나노 입자 했다. 나노 입자 온 3 길이-직경 비율: 10:1, 3: 1과 1:1, 각각 저 농도, 중간 농도 및 고 농도와 박테리아를 먹이로 달성 했다. 빈 microcapsules의 이미지 스캐닝 전자 스피어 (SEM)을 통해 찍은 사진. 그들의 크리스탈 구조는 x 선 회절 (XRD)에 의해 확인 되었다-몰 리브 덴 microcapsules의 결정 구조 나2무4 이며 tungstate microcapsules의 나2승2O7와 나2화4 . 모든 이러한 종합 근처 주위 조건 하에서 달성 되었다.

Introduction

마약 배달1, 건설 인공 뼈2, 이질적인 촉매3, 필드 방출4,5, 태양 전지6, 가스 센서7, 악용 하는 금속 산화물 나노 입자 및 리튬 배터리8. 실용적인 응용 프로그램에 대 한 나노와 그들의 미세의 기계적인 힘이 중요 합니다. 마이크로 구조, 중 껍데기 구조는 경량, 기계적으로 강력한 자료9를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 껍데기 구조 중 구형 타원 모양; 보다 더 까다로운 것으로 알려져 있다 후자는 전10,11보다 큰 길이-직경 비율이 있다. 이 작업 서식 파일 합성 방법12를 포함 하 여 다른 방법와 대조는 주위 조건 하에서 비 독성 방법으로 박테리아를 통해 구형 microcapsules 합성을 위한 프로토콜을 설명 합니다. 스프레이 이용한 초음파 합성 방법13 그리고 열 수 방법14. 다른 방법의 일부 필요한 템플릿12, 일부 높은 온도 500 ° C13, 그리고 일부는 높은 압력14. 결과 구조에 관해서는 효 모 템플릿을 활용 하 여 서식 파일 합성 메서드는 코어-쉘 구조15, 단일 벽 하나 대신에 대 한 가져오고 대장균 서식 파일을 활용 한 생산 구조와 1.7:0.8의 길이-직경 비율 구형입니다. 16.

이 작품에서는, 우리는 세균성 물질 대사를 이용 하 여 금속 산화물 microcapsules를 단일 벽 및 둥근 모양 주위 조건 하에서 만들었습니다. 세균성 분해, 대사 탄소 소스, 유 당, 포도 당 등 화학 공정에서에서 탄소 소스는 거기 발생 감소 전력의 간주 됩니다. 우리는 원하는 끝을 달성 하기 위해 탄소 소스의 농도 조정 하 여 세균의 신진 대사를 조작. 이 메서드는 환경-친화적인, 비 독성 대리인을 사용 하 고 훨씬 적은 전기 전력. 마지막으로,이 메서드는 단순히 국물의 볼륨을 증가 하 여 microcapsules의 대량 생산을 수 있습니다.

메서드를 전에 미네랄을 세균 대사를 활용 하 여 다른 두 가지 방법을 왔다: 생물학으로 유도 강화 (BIM)17 과 생물학 통제 강화 (BCM)18. BIM도 BCM 만드는 나트륨 tungstate 및 몰 리브 덴 tungstate microcapsules 세균 미네랄 배설 (공학은)19로 지정 된 우리의 프로세스 같은 사용할 수 있습니다. 이 실험에서 microcapsules의 모양 1:1, 10: 1에서 길이-직경 비율을 제어할 수 있습니다 및 나노 입자의 크기 곡물 껍질에서 15까지 조정 될 수 있다 양식 110 nm nm.

Protocol

주의: 라텍스 장갑, 보호 안경, 그리고 실험실 외 투를 사용 하 여 실험을 수행 하기 위한. 때마다 biosafety 내각을 사용 하 여 캐비닛 팬 켜고 캐비닛 문 반 폐쇄 유지. 1입니다. 유리 구슬의 준비 3 m m 직경의 100 유리 구슬 100 mL 실험실 병에 배치 하 고 단단히 뚜껑. 압력솥 10 분 동안 120 ° C에서 내용. 실내 온도에 아래로 냉각 하는 biosafety에 병 장 둡니다. 2. Lysogeny 국물 (파운드)의 준비 디졸브 물 400 mL 500 mL 실험실 병에 파운드-레 녹 스 국물의 파우더 8 g. 20 분, PTFE 자석 교 반 막대 내용을 저 어 하 고 단단히 모자. 압력솥 10 분 동안 120 ° C에서 내용. 실내 온도에 아래로 냉각 하는 biosafety에 솔루션 캐비닛 둡니다. 8 15 mL 원심 분리기 튜브 biosafety 캐비닛에 (각 12.5 mL) 피 펫, aliquot 국물을 사용합니다. 약 수 biosafety 내각에서 세 100 mL 실험실 병에 남은 국물 (각 100 mL). 모자 3 병 단단히. 계속 그들에 biosafety 내각. 3입니다. Shewanella 조류 의 문화 Deep-frozen cryopreserved 긴장을 사용 합니다. 캐비닛 biosafety에 스테인리스 주걱으로 냉동된 관에서 언된 물자의 1 mL에 밖으로 선택 하 고 준비 단계 3.5에서에서 원심 분리기 튜브에 배치. 37 ° C 배양 기에서 24 h에 대 한 문화를 품 어. 4. 파운드-레 녹 스 (Agar와 국물) 접시의 준비 물 100 mL를 100 mL 실험실 병에 파운드-레 녹 스 (agar와 국물)의 2 개의 정제를 분해. PTFE 자석 교 반 바 20 분에 대 한 내용을 저 어 하 고 단단히 모자. 압력솥 10 분 동안 120 ° C에서 내용. 캐비닛 biosafety에 4 접시, 각각 보장으로 솔루션의 100 mL 손으로 약 수 ~ 25 mL를 받을. 실내 온도에 냉각 솔루션을 둡니다. 5입니다. 단일 클로 널 박테리아의 준비 Biosafety 내각에서 각각 2.6, #1, #2 및 #3 단계에서 준비 3 병 라벨. 3.3 병 #1 단계에서 결과 세균 현 탁 액의 0.1 mL 플라스틱 병 모자를 손으로 동종 솔루션 1 분. 5.2 병 #2 단계에서 결과 세균성 액체의 0.1 mL 플라스틱 병 모자를 손으로 동종 솔루션 1 분. 5.3 병 #3 단계에서 결과 세균성 액체의 0.1 mL 플라스틱 병 뚜껑 하 고 동종 솔루션을 1 분 동안 그것을 손으로 흔들어. 준비 단계 4.4, 0.02 mL의 볼륨을 사용 하 여에서 4 페 트리 디쉬에 병 # 3에서에서 액체 플라스틱 4 페 트리 접시 사용, 각 접시에 4 구슬에 1.3 단계에서 준비 된 유리 구슬을 넣어. 페 트리 접시의 뚜껑을 닫고 1 분 동안 그들을 손으로 흔들어. 페 트리 접시를 거꾸로 돌아서 24 h에 대 한 37 ° C 배양 기에서 품 어. 6입니다. 단일 클로 널 박테리아의 곱셈 7 튜브를 2.5 단계에서 준비를 가져옵니다. 4 페 트리 요리 단계 5.8 스테인리스 주걱에서에서 준비에서 결과 단일 클로 널 박테리아를 선택 하 고 별도로 7 튜브에 넣어. 24 h에 대 한 37 ° C 배양 기에서 7 튜브를 둡니다. 시각적 색도계 메서드를 사용 하는 가장 큰 산란 한 골라 내십시오. 7. 파운드-레 녹 스 포도 소금으로 국물의 준비 500 mL 실험실 병에 넣어 국물 LB-레 녹 스의 10 g, 10 g의 NaCl, 그리고 포도의 10 g. 볼륨 450 mL에 도달할 때까지 물을 추가 합니다. PTFE 자석 교 반 바 20 분에 대 한 내용을 저 어. 압력솥 10 분 동안 120 ° C에서 내용. 8입니다. 나트륨 Tungstate의 준비 스테인리스 주걱으로 나트륨 Tungstate 나2화4.2H2O 100 mL 실험실 병으로 16.5 g을 넣어. 볼륨 50 mL에 도달할 때까지 물을 추가 합니다. PTFE 자석 교 반 바 20 분에 대 한 내용을 저 어. 압력솥 10 분 동안 120 ° C에서 내용. Biosafety 내각에서 1 µ m의 숨 구멍 진공 유리 섬유 필터를 통해 여과 액을 얻을. 9. 포도 당, 소금, 및 나트륨 Tungstate 파운드의 준비 캐비닛 biosafety에 포도와 소금 준비 단계 7.3에서에서 솔루션으로 손으로 단계 8.4에서에서 얻은 여과 액을 붓는 다. 에 biosafety 내각, 피 펫 단계 9.1 10 x 50 mL 원심 분리기 튜브에서에서 500ml 결과 솔루션으로 aliquot. 10입니다. 박테리아의 문화 Biosafety 내각에서 준비 단계 6.4 및 aliquot에서 그것을 피 펫 10 테스트 튜브 각 튜브 0.05 mL를 받는 단계 9.2에서 준비 하는 액체를 가져옵니다. 10 튜브 120 h 37 ° C 배양 기에서 품 어. 11입니다. 공학은 미네랄의 수확 150 W 1 h 단계 9.2 20 KHz에서에서 10 튜브의 각 ultrasonicate. 2,025 x g 1 h에서 튜브 원심 튜브는 피 펫에 투명 한 액체를 제거, 물, 추가 하 고 단계 11.1과 11.2 한 번 더 반복. 튜브는 피 펫에 투명 한 액체를 제거, 알코올, 추가 하 고 150 W 1 h 20 KHz에서 그들을 ultrasonicate. 2,025 x g 1 h에서 튜브 원심 11.4-11.5 단계를 반복 하 여 한 번 더 피 펫; 튜브에 투명 한 액체를 제거 하 여 수확 공학은 미네랄 그 후, 즉시 모든 건조 과정을 실행 하지 않고 튜브 모자. 12. Pandoraea sp. 와 몰 리브 덴 진동 온도 단계 2, 3, 4, 5, 및 6 Shewanella 조류에서와 같은 방법에 문화 Pandoraea sp. 이 단계의 결과 단계 6.4에 해당합니다. 나트륨 tungstate 단계 7.1에서에서의 16.5 g의 나트륨 몰 리브 덴, 나2무4 · 12 g으로 대체 한다는 점을 제외 하면 7, 8, 9, 단계에서와 같은 방법에 포도와 소금 파운드 국물 만들기 2 H2o. 이 단계의 결과 단계 9.2에 해당합니다. 캐비닛 biosafety 인출 액체 준비 단계 12.1, 그리고 aliquot 그것 12.2, 각 단계에서 준비 10 튜브에 피 펫을 받는 0.05 mL 튜브. 단계 12.3 진동 온도에서 목욕, 12 h에 대 한 지속적인 각 온도와 5 번 25 ° C와 37 ° C 사이 온도 진동 떨고 상호에서 120 h에서에서 10 튜브를 품 어.

Representative Results

그림 1 에서는 진짜 구형 microcapsules. 모두 두 개의 변종 박테리아, Shewanella 조류 와 Pandoraea sp의., 원래 3: 1의 길이-직경 비율을가지고. 1:1, 높은 농도의 길이-직경 비율을 달성 하기 위한 (> 100 m m) 금속 oxyanions의 필요입니다. 낮은 농도 (< 5 m m) oxyanions의 발생할 수 있습니다 길이에 직경 비율 10: 1로의 그림 2에 있는 박테리아의 이진 분열을 차단 oxyanions의 유입에서 발생할 수 있습니다. 마지막으로, 그런 그림 3, 3: 1의 길이-직경 비율을 달성 하기 위한 oxyanions의 중간 농도 (~ 20 m m)이 필요 하다. 1: 1의 길이-직경 비율 구형 포탄의 형성 oxyanions 세포 막을 통해 확산 하는 동안 oxyanions의 섭취 량을 균형 그들의 노출 영역을 축소 스스로 세균 드라이브에 의해 초래 될 수 있습니다. 3 개의 숫자를 함께 길이-직경 비율 단순히 oxyanions의 농도 조정 하 여 10:1 ~ 1: 1을 튜닝할 수 있습니다 나타냅니다. 그림 4 및 그림 5 는 나노 나트륨 몰 리브 덴의 곡물에에서 표시 다른 크기: 작은 하나 되는 15 nm, 그리고 더 큰 한 110 nm. 그림 5, 부서진 비 쉘, 110 nm의 입자에는 아직도 다공성 포탄을 형성, 서로 연결할 수 있습니다. 하나의 큰 진동 12 h에 대 한 지속적인 각 온도 25 ℃와 37 ℃, 5 번 사이 자란 국물의 온도 통해 얻고 있었다. 온도 진동 하는 동안 다양 한 크기의 곡물만 생성 될 수 있다 하지만 우리가 다른 곡물 크기, 15에서 microcapsules를 만들 수 있습니다 즉 마이크로 구형 구조 유지 110 nm nm, 그냥 국물 온도 제어 하 여 . 그림 6 은 벽의 개통 옆 머물고 더 큰 곡물을 가진 깨진된 벽을 보여준다. 벽 두께 약 22 nm 및 더 큰 곡물은 40-60 nm. 크기 차이 아직 식별 되지 않은 다른 대사 과정에서 발생할 수 있습니다. 그림 1: 1: 1의 길이-직경 비율 빈 구형 포탄의 이미지는 SEM. 나트륨 tungstate 탄소 소스로 포도와 Shewanella 조류 에 의해 배설이 구조가 되었다. 단단한 국가 과학 및 기술, 6(3), N3113 (2017) ECS 제이에서 허가로 증 쇄. 저작권 2017, 전기 화학 사회 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 2: 10: 1의 길이-직경 비율 빈 긴 필 라 멘 트 포탄의 이미지는 SEM. 이 구조는 나트륨 몰 리브 덴 탄소 소스로 포도와 Pandoraea 특검팀 에 의해 배설의 되었다. 단단한 국가 과학 및 기술, 6(3), N3113 (2017) ECS 제이에서 허가로 증 쇄. 저작권 2017, 전기 화학 사회 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 3: 3: 1의 길이-직경 비율 깨진된 빈 막대 모양의 포탄의 이미지는 SEM. 나트륨 tungstate 탄소 소스로 포도와 Shewanella 조류 에 의해 배설이 구조가 되었다. 단단한 국가 과학 및 기술, 6(3), N3113 (2017) ECS 제이에서 허가로 증 쇄. 저작권 2017, 전기 화학 사회 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 4: 15의 곡물 입자 크기 부서진된 나트륨 몰 리브 덴 포탄의 이미지는 SEM nm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 5: 110의 곡물 입자 크기 부서진과 부서진 비 나트륨 몰 리브 덴 포탄의 이미지는 SEM nm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 6: 1: 1의 길이-직경 비율 깨진된 빈 포탄의 이미지는 SEM. 나트륨 tungstate 탄소 소스로 포도와 Shewanella 조류 에 의해 배설이 구조가 되었다. 에 대 한 크기와과 립 40-60 nm 꽉 껍질 밖 바로 옆 큰 구멍과 립 크기 약 22의 자체 셸 반면 nm. 단단한 국가 과학 및 기술, 6(3), N3113 (2017) ECS 제이에서 허가로 증 쇄. 저작권 2017, 전기 화학 사회 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Discussion

준비 및 단일 클로 널 박테리아의 증식에 관한 실험 결과의 자기 일관성, 중요 하다. 이 실험, 다른 서식 파일 합성 실험15,16고용 생리 그램 음성 박테리아. 단일 벽을 얻으려면, 우리는 간결한 박테리아 효 모15같은 진 핵 박테리아 대신 선택 했다. 큰 길이-직경 비율16대신 1: 1의 길이-직경 비율 구형 모양을 달성 하기 위해, 우리는 먹이 박테리아 oxyanions의 훨씬 더 높은 농도로 구형 모양으로 축소 조작 microcapsules를 만들기 단일 라운드, 그리고 얇은 벽 (< 30 nm).

이후는 공학은 주로 조정 박테리아의 대사를 제어 하는 oxyanions의 농도에 의존, 그것은 두 제한 기능. 첫째, oxyanions의 농도 농도 가능 한 한 높은 해야 하지만 가용성에 의해 제한 됩니다. 두 번째, 가장 세균성 물질 대사는 45 ° C 이상 온도에서 중지 됩니다 또는 5 ° C이 하, 우리의 실험의 각각 위 및.

이러한 두 제한에도 불구 하 고는 공학은 금속 산화물 재료의 실질적인 관심을 만들기 위한 큰 잠재력이 있다. 지르코늄 microcapsules와 철 microcapsules이이 방법을 시도 하겠습니다이 주장을 입증할-전 인공 뼈에 대 한 자료와 약물 전달에 대 한 후자는 좋은 후보를 되 고.

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

숫자 가장 105-2221-E-011-008, 부여에서이 작품은 사역의 과학 및 기술, 대만, 중국의 지원 그리고 또한 고급 Connectek 주식 회사, 계약에서 타이 페이, 대만, ROC RD 참고 번호 6749 및 통해 부 참고 번호 011 고 졸업 전자 광학 기술 연구소, 국립 대만 대학의 과학 및 기술.

Materials

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
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参考文献

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記事を引用
Lin, P., Huang, Y., Lin, F. Synthesizing Sodium Tungstate and Sodium Molybdate Microcapsules via Bacterial Mineral Excretion. J. Vis. Exp. (131), e57022, doi:10.3791/57022 (2018).
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