BE/IDEA: Multifunctional Scanning Nanoprobes for In-Situ Analysis of Chemical Processes at Microbe/Mineral Interfaces

BE/IDEA:用于微生物/矿物界面化学过程原位分析的多功能扫描纳米探针

基本信息

  • 批准号:
    0216368
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 128.73万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2002
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2002-09-01 至 2007-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

0216368MizaikoffThe main thrust of this multi-disciplinary BE (IDEA) project is to develop and apply novel scanning probe microscopic (SPM) techniques for imaging chemical and biochemical processes at microbe-mineral interfaces. The ability to obtain chemical, topographical and ultimately optical information simultaneously at microbe-mineral interfaces has limited investigation of complex biological systems in previous research. Our project fosters interactions between experts in the fields of chemistry, biochemistry, geochemistry, microbiology, fluids and mass transport, microfabrication and spectroscopy. For the investigation of complex chemical and physical processes at microbe-mineral interfaces, correlation of in-situ obtained chemical, topographical and optical information is necessary, in order to understand microbial cell chemistry. Micro- and nanoelectrodes are integrated into atomic force microscopy (AFM) or scanning nearfield optical microscopy (SNOM) tips based on optimized microfabricated cantilevers. Besides mercury/gold amalgam electrodes for detecting Fe2+ production, nano-pH-electrodes will be integrated into scanning probe tips, mapping pH variations at the microbe-mineral interface. Such multifunctional SPM tips will provide simultaneous topographical, optical and (electro)chemical information correlated in space and time down to the nanoscale. Quantitative mathematical modeling and simulation of the electrochemical and physical processes taking place during the scanning process is essential for fundamental understanding and interpretation of obtained results. The developed multifunctional scanning nanoprobes will be used to determine the mechanism of reductive dissolution of Fe(III) minerals in the presence of FeRB and/or chemical reductants. Dissimilatory Fe(III) reduction is a relatively recent addition to the suite of anaerobic respiratory processes carried out by microorganisms and plays a significant role in global carbon cycling. Finally, this combined analytical technique can be extended to other environmental microbial processes involving minerals, such as the reductive dissolution of uranium, the precipitation of rhodochrosite and siderite, and the formation of manganese oxides. In addition, multifunctional scanning nanoprobes will be applicable to a wide variety of electrochemically active complex processes in a multitude of relevant fields, such as corrosion/biocorrosion, neurophysiology and cell signaling.
0216368众多的多学科BE(IDEA)项目的主要力量是开发和应用新颖的扫描探针显微镜(SPM)技术,以在微生物接口上进行化学和生化过程成像化学和生化过程。在以前的研究中,对微生物界面上同时获得化学,地形和最终光学信息的能力的研究有限。我们的项目促进了化学,生物化学,地球化学,微生物学,流体和质量运输,微型制动和光谱学领域的专家之间的相互作用。 为了研究微生物矿物质界面的复杂化学和物理过程,必须使用原位获得的化学,地形和光学信息的相关性,以了解微生物细胞化学。基于优化的微型悬臂基于优化的悬臂,将微电极和纳米电极整合到原子力显微镜(AFM)或扫描近场光学显微镜(SNOM)尖端。除了用于检测Fe2+生产的汞/金汞合金电极外,还将将纳米ph-电极集成到扫描探针尖端中,并在微生物 - 阵线界面绘制pH变化。这样的多功能SPM技巧将提供与纳米级相关的同时地形,光学和(电)化学信息。 扫描过程中发生的电化学和物理过程的定量数学建模和模拟对于对获得的结果的基本理解和解释至关重要。开发的多功能扫描纳米探针将用于确定在FERB和/或化学还原剂存在下Fe(III)矿物质还原性溶解的机理。异化性FE(III)的减少是在微生物进行的厌氧呼吸过程中相对较新的,并且在全球碳循环中起着重要作用。 最后,这种结合的分析技术可以扩展到涉及矿物质的其他环境微生物过程,例如铀的还原性溶解,犀牛的沉淀和岩岩的沉淀以及锰氧化物的形成。此外,多功能扫描纳米探针将适用于多种相关领域的各种电化学活跃的复杂过程,例如腐蚀/生物腐蚀,神经生理学和细胞信号传导。

项目成果

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