冰晶的成核与生长控制在食品与生物工程领域具有重要的应用价值。自然界的一些极地鱼类、昆虫和阿拉斯加树蛙等体内存在冰结合蛋白（IBPs），能够调控冰晶的成核与生长，从而免受冰冻伤害。近年来，受IBPs的启发，冰重结晶抑制（IRI）材料制备及其在食品与生物工程领域的低温保存应用引起了广泛的关注。然而，到目前为止，IBPs的冰结合位点上的亲水和疏水基团在识别和结合冰方面的作用仍然知之甚少，其潜在机制仍存在争议，由于缺乏足够的理论和实验指导，这对通用IRI材料的合理设计具有很大的挑战。因此，迫切需要在分子水平上阐明IRI的机理并建立一个简单的模型指导IRI材料的合成。

近日，合肥工业大学食品与生物工程学院刘洪林教授在Nano Letters上发表了纳米金表面小分子抗冻羟基单分子层的研究。基于五种外露的羟基或甲基结构类似物在纳米金表面形成单分子层，证明了IRI活性的来源。实验及分子动力学模拟一致表明IRI活性与纳米金表面的羟基密度密切相关，该模型中的疏水相互作用对宏观的IRI活性不是必要的，甚至轻微阻碍了氢键的形成。

图1 小分子偶联的GNPs控制冰晶的生长

实验上，将小分子通过化学键偶联在GNPs表面，其中小分子作为冰结合位点，GNPs作为硬核提供钉板的作用吸附在冰晶表面形成曲率，从而抑制了冰晶的生长。以纯水和纯GNPs作为对照，表明羟基在该模型中发挥了至关重要的作用，而甲基不是必需的。

图2 小分子吸附在GNPs表面的密度效应

研究团队巧妙地设计了一个非常简单但通用的模型，在分子水平上探索潜在的IRI机制。本文结果解释了羟基密度和纳米级刚性表面的重要作用，为利用带羟基的小分子合成IRI材料提供了一种新的策略，在未来食品与生物工程领域的低温保存应用方面具有重要的科学意义。

相关论文发表在Nano Letters 上，合肥工业大学博士研究生丁中祥和中国科学技术大学王超副研究员为文章的共同第一作者，刘洪林教授为通讯作者。丁中祥负责了本文整体实验开展和论文撰写，王超副研究员负责了分子动力学模拟等理论计算工作，硕士研究生周宝梅、青年教师苏梦可、博士研究生杨士萱、李雨竹和瞿丞分别参与了纳米金合成、拉曼实验、低温实验、数据处理和论文修改等方面的研究工作。

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