冰雪世界固然美丽，但同时也给人类及大多数生物体带来诸多不便甚至灾害，了解和控制冰晶的形成尤为重要。大自然通常有自己独特的方式控制冰晶，很多生物如极地鱼和生活在我国东北地区的冬尺蛾可以在酷寒的环境下生存，主要是由于生物体内的抗冻蛋白可以有效地抑制冰晶生长和重结晶，从而保护生物体免受冰冻伤害。近日，中科院化学研究所的王健君研究员课题组和福州大学的郭良洽教授团队通过仿生模拟抗冻蛋白，利用简单可量产的方法合成了氧化类氮化碳量子点，实现了对冰晶生长和重结晶的有效抑制，并将其应用于绵羊红细胞的冷冻保存，取得了优异的效果。
抗冻蛋白可以非依数性地降低溶液冰点，有效抑制冰晶的生长和重结晶，是目前最高效的生物抗冻剂。但是，抗冻蛋白的价格昂贵且大多数容易变性失活，所以相关仿生材料的合成备受关注。几十年来，尽管有一些化合物如聚乙烯醇、聚两性电解质以及简单的糖类化合物等被发现具有一定程度抑制冰重结晶的作用，但抗冻蛋白的其他重要特性并没有得到很好的体现，并且抗冻蛋白仿生材料的设计合成目前尚无一般性的原则，处于盲目的试验阶段。
中科院化学研究所的王健君研究员课题组和福州大学的郭良洽教授团队设计了一种合成抗冻蛋白仿生材料的简单方法弥补了上述缺陷，并探讨了设计抗冻蛋白仿生材料的一般性原则。从微观角度来看，冰晶生长涉及水分子之间以氢键为纽带形成固定的有序结构，最常见的为Ih型冰。受抗冻蛋白的启发，冰晶生长可以通过吸附结构与冰晶晶格匹配的材料得到抑制，而石墨化氮化碳恰好具有相似的结构：三级氮原子具有孤对电子，可作为氢键受体，相邻三级氮原子之间的距离与Ih型冰晶沿c 轴方向O原子间的距离接近。他们巧妙地利用氮化碳的这一特性合成了两种石墨化氮化碳的衍生物，其中一种是氧化氮化碳量子点，其结构继承了氮化碳中相邻三级碳间距的特点；另一种是氧化类氮化碳量子点，其结构中大部分sp2杂化的N被C取代，造成相邻三级氮原子之间的距离增大，而该距离与冰晶晶格的位错更小，更有利于其吸附在冰晶表面。冰晶生长的实验结果说明晶格匹配是设计抗冻蛋白仿生材料需要考虑的关键因素。
图1.（a）石墨化氮化碳；（b）氧化氮化碳量子点；（c）氧化类氮化碳量子点面内结构示意图；（d）Ih型冰主棱面结构示意图，过冷度为0.08 °C时，冰晶在纯水（e）、氧化氮化碳分散液（f）、氧化类氮化碳分散液（g）中生长的显微镜图像。
另外，他们通过对一系列的氧化类氮化碳量子点的控冰性能进行分析，发现氧化类氮化碳量子点上有效吸附位点的密度是决定其抑制冰晶生长能力的重要因素。他们进一步将氧化的类氮化碳量子点应用于绵羊红细胞的冷冻保存，在不添加任何其他冷冻保护剂的情况下，复苏成活率大大提高至商用羟乙基淀粉的2.2倍。
图2.（a）氧化类氮化碳量子点的红细胞相容性；（b）红细胞冷冻保存，4 °C复苏后的成活率。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是中科院化学研究所的博士研究生白国英。
该论文作者为：Guoying Bai, Zhiping Song, Hongya Geng, Dong Gao, Kai Liu, Shuwang Wu, Wei Rao, Liangqia Guo, Jianjun Wang
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Oxidized Quasi-Carbon Nitride Quantum Dots Inhibit Ice Growth
Adv. Mater., 2017, 29, 1606843, DOI: 10.1002/adma.201606843
导师介绍
王健君
http://www.x-mol.com/university/faculty/15560
郭良洽
http://www.x-mol.com/university/faculty/9526
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