如何初步确定样品的冻干工艺——冻干工艺设置要点解析

1 引言

冻干工艺对样品冻干具有重要的意义。一个好的冻干工艺不仅能保证样品顺利冻干，还能够提升冻干效率。然而，在交流过程中，我们发现许多朋友对冻干工艺设置了解并清楚，因此，在这篇文章中，我们将结合自己的经验为大家介绍冻干工艺初步确定的一些要点。

2 冻干过程工艺确定要点

2.1 预冻阶段

预冻阶段的主要目的是使样品固化。需要考虑的参数主要为预冻终点温度和降温速率。

预冻终点温度需要根据样品的物性参数确定，考虑到搁板与样品之间的温差，搁板温度通常需要低于样品冻结温度10-20 ℃。温差的大小需要考虑的因素包括：1）样品高度，当样品温度较高时，由于传热温差的存在，靠近顶端样品温度偏高；2）环境温度，外界环境辐射会改变样品温度；3）容器类型，不同容器条件下样品和搁板之间的热阻不同，使得样品与容器之间温差不同。4）样品量，当处理的样品量较多时，不同样品之间存在边缘效应，温度存在区别，为保证所有样品全部冻结，温度需要适当设置低一些。

降温速率对样品结构存在影响，如较大的降温速率条件下形成的冰晶比较小，而较小的降温速率形成的冰晶较大。如果想要提升后续此外，较大的冰晶对生物样品的活性也会存在影响，这点在冻干生物样品时需要加以考虑。此外，设置降温速率的时候也需要考虑设备自身性能，降温速率设置过高时，设备可能无法实现，这也会影响冻干工艺应用的范围，因此，降温速率不宜设置过高。

此外，在设置预冻阶段参数时，可根据需要考虑引入退火过程和瞬时结晶过程。两种过程介绍如下：

（1）退火过程

退火是指已经冻结的样品升温至退火温度（通常介于湿基质玻璃态转变温度和共晶温度之间），并在此温度保持一段时间，然后再将样品重新冷却至更低的温度，使其固化。退火过程可以提升样品均匀性，减小样品内应力，提升样品塌陷温度等。退火过程的关键在于退火温度的选取，过高的退火温度会使得样品融化，而过低的退火温度则达不到退火的效果。

图1 不同预冻方式下得到的胶原蛋白微观形貌

（2）瞬时结晶技术

样品的成核过程具有一定的随机性，这主要是因为在样品的成核过程中，需要一定的热力学涨落来克服成核势垒。成核温度的不一致性会导致样品的批间差异性较大。为解决这一问题，目前发展出了多种技术，如冰雾技术，真空诱导成核，超声波等，来实现冰晶的瞬时结晶2.2 升华干燥阶段

升华干燥阶段主要调控的参数为腔体内压力（真空度）和搁板温度。主要目的在于保证样品安全的前提下提升干燥过程速率。考虑到在干燥阶段升华界面冰晶升华带走热量，使得升华界面温度较低。当升华界面温度高于塌陷温度时，即样品较低温度都超过了塌陷温度值，样品出现塌陷的风险极大。因此，可以采用升华界面温度作为判断样品是否会发生塌陷的判断依据。

在另一方面，升华界面温度和饱和蒸气压存在对应关系，通过冰晶饱和蒸气压公式可以将升华界面温度与压力联系起来，常用的简化关系式如下所示：

从上式也可以看出，升华界面温度越高，对应的饱和蒸气压也就越高。当压力达到塌陷温度对应饱和蒸汽压时，即可认为样品温度超过了塌陷温度。可以假设这么一种情况，如果干燥腔内压强与塌陷温度对应压强相同，样品内的冰晶如果要升华，则升华界面的压力需要不低于腔体内压强。根据上面的公式，则样品温度超过塌陷温度，干燥过程就失败了。因此，干燥腔内压力必须低于塌陷温度对应的饱和蒸气压P_tc；

目前，根据经验值，一般将腔体内真空度P大小设置为P_tc的1/3到1/2。而样品温度T_p则可以结合上述公式与P的大小确定。确定好样品温度T_p后即可确定搁板温度，在干燥阶段，搁板温度T_s=T_p+15-(辐射升高温度值)；其中，辐射升高温度值与环境温度有关系，环境温度高的时候，辐射升高温度值需要设置高一些。而在环境温度低时，辐射升高温度值需要适当设置低一些。

2.3 解吸干燥阶段

与升华干燥阶段类似，解吸干燥阶段需要考虑的参数也是真空度和搁板温度，但解吸干燥阶段参数的设置与升华干燥阶段参数存在一定区别。由于样品的玻璃态转变温度与样品中的含水量有关，当样品完成升华干燥时，其玻璃态转变温度也随之升高，因此，可以在解吸干燥阶段采用较高的温度，而不用担心样品融化。

同时，由于样品中的自由水在升华干燥阶段都被除去，剩下的结合水先后经历样品内扩散、解吸等阶段，较低的舱压能够形成高压差增加结合水解吸速率，提升解吸驱动力。因此，在解吸干燥阶段一般采用较高的温度和降低的压强值，其中，搁板温度以不超过样品的干基玻璃态转变温度为准。

3 总结

在这篇文章中，我们给大家介绍了冻干工艺确定的要点以及冻干参数设置背后的原因，希望能对大家有所帮助。但是需要指出的是，上述只是对冻干工艺的初步确定，一个“好"的冻干工艺还有许多工作要做，比如，干燥时间的设置就需要借助终点判断功能；不同样品冻干的目的侧重点不同，所需要采用的冻干工艺也有所区别。