Bacterial Ice Nucleation in Monodisperse D2O and H2O-in-Oil Emulsions

分散性 成核 化学工程 化学 矿物学 材料科学 高分子化学 有机化学 工程类
作者
Lindong Weng,Shannon N. Tessier,Kyle C. Smith,Jon F.,Shannon L. Stott,Mehmet Toner
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:32 (36): 9229-9236 被引量:28
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.6b02212
摘要

Ice nucleation is of fundamental significance in many areas, including atmospheric science, food technology, and cryobiology. In this study, we investigated the ice-nucleation characteristics of picoliter-sized drops consisting of different D2O and H2O mixtures with and without the ice-nucleating bacteria Pseudomonas syringae. We also studied the effects of commonly used cryoprotectants such as ethylene glycol, propylene glycol, and trehalose on the nucleation characteristics of D2O and H2O mixtures. The results show that the median freezing temperature of the suspension containing 1 mg/mL of a lyophilized preparation of P. syringae is as high as -4.6 °C for 100% D2O, compared to -8.9 °C for 100% H2O. As the D2O concentration increases every 25% (v/v), the profile of the ice-nucleation kinetics of D2O + H2O mixtures containing 1 mg/mL Snomax shifts by about 1 °C, suggesting an ideal mixing behavior of D2O and H2O. Furthermore, all of the cryoprotectants investigated in this study are found to depress the freezing phenomenon. Both the homogeneous and heterogeneous freezing temperatures of these aqueous solutions depend on the water activity and are independent of the nature of the solute. These findings enrich our fundamental knowledge of D2O-related ice nucleation and suggest that the combination of D2O and ice-nucleating agents could be a potential self-ice-nucleating formulation. The implications of self-nucleation include a higher, precisely controlled ice seeding temperature for slow freezing that would significantly improve the viability of many ice-assisted cryopreservation protocols.
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