Dette arbeidet presenterer en protokoll for produksjon natrium tungstate og natrium molybdate microcapsules via bakterier og deres tilsvarende nanopartikler.
Vi presenterer en metode, bakteriell mineral utskillelse (BME), for å syntetisere to typer microcapsules, natrium tungstate og natrium molybdate og to metalloksider tilsvarende nanopartikler, det tidligere er så liten som 22 nm og de siste 15 nm. Vi matet to stammer av bakterier, Shewanella algene og Pandoraea sp., med ulike konsentrasjoner av tungstate eller molybdate ioner. Konsentrasjonen av tungstate og molybdate ble justert for å gjøre microcapsules av forskjellige lengde-til-diameter ratio. Vi fant at jo høyere konsentrasjon mindre nanopartikler var. Nanopartikler kom med tre lengde-til-diameter ratio: 10:1, 3:1 og 1:1, som ble oppnådd ved å fôre bakterier henholdsvis med en lav konsentrasjon, en middels konsentrasjon og en høy konsentrasjon. Bilder av de hule microcapsules ble tatt via skanning elektron microsphere (SEM). Deres krystall strukturer ble bekreftet av X-ray Diffraksjon (XRD)-krystallstruktur av molybdate microcapsules er Na2MoO4 og av tungstate microcapsules Na2WO4 med Na2W2O7. Disse synteser alle ble oppnådd under en nær ambient tilstand.
Metal Oxice nanopartikler er utnyttet til stoffet levering1, bygging kunstig bein2, heterogene katalyse3, feltet utslipp4,5, solceller6, gass sensorer7, og litium batterier8. For praktiske anvendelser, mekanisk styrke av både nanokrystaller og deres mikrostruktur er avgjørende. Blant microstructures, kan hult skall strukturer brukes til å lage lett, mekanisk robust materialer9. Blant hult skall strukturer kjent en sfærisk figur for å være stivere enn en ellipsoidisk figur. Sistnevnte har en større lengde-til-diameter ratio enn de tidligere10,11. Dette verket beskriver en protokoll for å syntetisere sfærisk microcapsules via bakterier med en giftfri metode under en ambient betingelse som kontrasteres med de alternative metodene, inkludert den mal syntese metoden12, ultralyd-spray-assistert syntese metoden13 og hydrotermal metode14. Noen av de alternative metodene krever maler12, noen temperatur som høy som 500 ° C13og noen en høytrykk14. Som for den resulterende strukturen, metoden for mal-syntese utnytte malen gjær bringer om en kjerne-shell struktur15, i stedet for én med en enkelt mur, og den bruker malen E. coli produserer en struktur med lengde-til-diameter ratio på 1.7:0.8, og er ikke sfærisk. 16.
I dette arbeidet har vi gjort metalloksid microcapsules med en enkel vegg og sfærisk form under en ambient tilstand ved å utnytte bakteriell metabolisme. I bakteriell Glykolysen, en kjemisk prosess som metabolizes karbon kilder, som glukose og laktose, anses karbon kilder å være opprinnelsen til å redusere kraften generert der. Vi manipulert bakteriell stoffskifte ved å justere konsentrasjonen av karbon kilder å oppnå ønskede mål. Denne metoden er miljøvennlig, bruker ikke giftig agenter og forbruker mye mindre elektrisitet strøm. Til slutt, kan denne metoden masseproduksjon av microcapsules ved å øke volumet av kjøttkraft.
Før metoden har det vært en annen to metoder utnytte bakteriell metabolism å gjøre mineraler: biologisk indusert mineralisering (BIM)17 og biologisk kontrollert mineralisering (BCM)18. BIM verken BCM kan brukes for å lage natrium tungstate og molybdate tungstate microcapsules som vår prosess, som er utpekt som bakteriell mineral ekskresjon (BME)19. I dette eksperimentet, formen på microcapsules kontrolleres for å ha en lengde-til-diameter ratio fra 10:1 til 1:1, og størrelsen på hydrogenion korn skjemaet skjellene kan justeres fra 15 nm til 110 nm.
Om selv-konsistensen av eksperimentelle resultatene er forberedelse og multiplikasjon av monoklonale bakterier avgjørende. Dette eksperimentet, forskjellig fra malen syntese eksperimenter15,16, ansatt bioaktive gram-negative bakterier. For å få en enkel vegg, valgte vi prokaryote bakterier i stedet for eukaryote bakterier som gjær15. For å oppnå en sfærisk figur med lengde-til-diameter forholdet 1:1, i stedet for en større lengde-til-diameter ratio16, matet vi bakterier med en mye høyere konsentrasjon av oxyanions for å manipulere dem til å inn i en sfærisk form, gjør microcapsules med en enkelt, runde og tynn vegg (< 30 nm).
Siden BME hovedsakelig avhengig justere konsentrasjonen av oxyanions å kontrollere metabolismen av bakterier, har det to begrensninger. Først er konsentrasjonen av oxyanions begrenset av løselighet, men konsentrasjonen bør være så høyt som mulig. Sekund, mest bakteriell metabolisms stopper ved en temperatur over 45 ° C eller under 5 ° C, henholdsvis øvre og nedre grensen av eksperimentet vårt.
Til tross for disse to begrensninger har BME stort potensial for å gjøre metalloksid materialer praktiske rundt. For å underbygge denne påstanden, vi skal prøve denne metoden for å gjøre zirkonium microcapsules og jern microcapsules, det tidligere er en god kandidat materiale for kunstig bein, og sistnevnte for narkotika-leveranser.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet er støttet av departementet for vitenskap og teknologi, Taiwan, Kina, under gi nummer mest 105-2221-E-011-008, og også av avansert-Connectek Inc., Taipei, Taiwan, ROC kontrakt nummer RD Ref. nr. 6749 og Dept. Ref. nr 011 til det Uteksaminert Institute of elektro-optiske Engineering, National Taiwan University of Science og teknologi.
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 |