来源｜iNature
2022 年10月24日，芝加哥大学田博之团队在 Nature Chemistry（IF=24）杂志在线发表题为A soil-inspired dynamically responsive chemical system for microbial modulation的研究论文。
这项研究报告了一个受土壤启发的化学系统，该系统由纳米结构矿物，淀粉颗粒和液态金属组成。通过自下而上的合成制造，受土壤启发的化学系统可以实现微生物群落的化学再分布和调节。
值得一提的是，1998年田博之被保送到复旦大学化学系本硕连读，并师从赵东元院士。6年间，他发表科学论文多篇，以第一作者发表了包括Nature Materials,Journal of the American Chemical Society, Chemical Communications 在内的6篇论文，同时还获得7项第一发明人专利，最终被复旦破格授予博士学位。
土壤材料包括蒙脱石纳米粘土、淀粉颗粒和液态金属颗粒。蒙脱石纳米粘土可以复制天然矿物的化学成分。淀粉和液态金属成分增加了天然土壤所不具备的响应性和附加功能。为了引入孔隙率和化学非均质性，研究人员首先采用了冰模板化步骤，然后再进行热压缩。在冷冻干燥之前，液态金属和粘土颗粒的粒径为纳米级。冷冻干燥后，样品形成矿物基分层支架，淀粉颗粒和液态金属颗粒主要附着在矿物膜或层表面。结冰过程选择性地将淀粉颗粒和液态金属颗粒吸引到冰表面，导致组分的非均质分布。热压缩将样品转化为更致密的多层多孔的支架（图1）。
图1. 用于微生物调节的受土壤启发的动态响应化学系统（图源自Nature Chemistry ）基于同步加速器的相关3DX射线荧光和断层扫描技术揭示了分散的液态金属颗粒，其大小从几十纳米到几微米不等。接着，研究人员用荧光成像、透射电子显微镜图像和聚焦离子束断层扫描再次验证了了材料的多孔性。X射线和荧光成像也验证了电子致密纳米颗粒为镓和铟，并且含有液态金属纳米颗粒的基质由纳米粘土组成。在制造过程中，淀粉定位的粘性和颗粒状“垫片”在相邻的矿物基层之间热诱导转变，有助于土壤启发材料的孔隙率和液体/细菌传递能力。为了概括土壤的大量化学和结构异质性，研究人员使用激光书写在空间定义区域中对受土壤启发的材料进行后合成修改。具有高角度环形暗场成像的像差校正扫描透射电子显微镜显示含有纳米粘土的基质，附近具有明亮的液态金属纳米颗粒。放大基质可以发现分散良好的单个金属原子（图2）。
图2. 激光辅助化学修饰用于生物膜生长增强（图源自Nature Chemistry）有趣的是，单原子区域的能量色散X射线光谱（EDS）映射证实了Ga和In元素以及Si和Al的存在，表明Ga和In单金属原子被纳米粘土基质吸附和稳定。X射线吸收近边缘结构（XANES）光谱表明与液态Ga膜相比，Ga的部分氧化，这与基板上单个金属原子的不饱和状态一致。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析表明，激光写入显着去除碳水化合物，特别是那些具有高分子量的碳水化合物，表明淀粉颗粒碳化而金属元素和纳米粘土仍然存在。总的来说，这项工作介绍了受土壤启发的化学系统的合成和表征。并证明了其作为体外和体内微生物调节的动态响应材料平台的实用性。受土壤启发的化学系统显示出作为胃肠道疾病疗法的前景，提出了现有技术的治疗替代方案。除了肠道微生物群之外，这种化学系统还可以扩展到其他微生物组的研究，这将对人类健康产生影响，对农业生态系统的稳定性和生产力产生影响。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-022-01064-2
题图来源：自制
