1 引言

凍干工藝對樣品凍干具有重要的意義。一個好的凍干工藝不僅能保證樣品順利凍干，還能夠提升凍干效率。然而，在交流過程中，我們發(fā)現(xiàn)許多朋友對凍干工藝設置了解并清楚，因此，在這篇文章中，我們將結合自己的經(jīng)驗為大家介紹凍干工藝初步確定的一些要點。

2 凍干過程工藝確定要點

2.1 預凍階段

預凍階段的主要目的是使樣品固化。需要考慮的參數(shù)主要為預凍終點溫度和降溫速率。

預凍終點溫度需要根據(jù)樣品的物性參數(shù)確定，考慮到擱板與樣品之間的溫差，擱板溫度通常需要低于樣品凍結溫度10-20 ℃。溫差的大小需要考慮的因素包括：1）樣品高度，當樣品溫度較高時，由于傳熱溫差的存在，靠近頂端樣品溫度偏高；2）環(huán)境溫度，外界環(huán)境輻射會改變樣品溫度；3）容器類型，不同容器條件下樣品和擱板之間的熱阻不同，使得樣品與容器之間溫差不同。4）樣品量，當處理的樣品量較多時，不同樣品之間存在邊緣效應，溫度存在區(qū)別，為保證所有樣品全部凍結，溫度需要適當設置低一些。

降溫速率對樣品結構存在影響，如較大的降溫速率條件下形成的冰晶比較小，而較小的降溫速率形成的冰晶較大。如果想要提升后續(xù)此外，較大的冰晶對生物樣品的活性也會存在影響，這點在凍干生物樣品時需要加以考慮。此外，設置降溫速率的時候也需要考慮設備自身性能，降溫速率設置過高時，設備可能無法實現(xiàn)，這也會影響凍干工藝應用的范圍，因此，降溫速率不宜設置過高。

此外，在設置預凍階段參數(shù)時，可根據(jù)需要考慮引入退火過程和瞬時結晶過程。兩種過程介紹如下：

（1）退火過程

退火是指已經(jīng)凍結的樣品升溫至退火溫度（通常介于濕基質(zhì)玻璃態(tài)轉變溫度和共晶溫度之間），并在此溫度保持一段時間，然后再將樣品重新冷卻至更低的溫度，使其固化。退火過程可以提升樣品均勻性，減小樣品內(nèi)應力，提升樣品塌陷溫度等。退火過程的關鍵在于退火溫度的選取，過高的退火溫度會使得樣品融化，而過低的退火溫度則達不到退火的效果。

圖1 不同預凍方式下得到的膠原蛋白微觀形貌

（2）瞬時結晶技術

樣品的成核過程具有一定的隨機性，這主要是因為在樣品的成核過程中，需要一定的熱力學漲落來克服成核勢壘。成核溫度的不一致性會導致樣品的批間差異性較大。為解決這一問題，目前發(fā)展出了多種技術，如冰霧技術，真空誘導成核，超聲波等，來實現(xiàn)冰晶的瞬時結晶2.2 升華干燥階段

升華干燥階段主要調(diào)控的參數(shù)為腔體內(nèi)壓力（真空度）和擱板溫度。主要目的在于保證樣品安全的前提下提升干燥過程速率。考慮到在干燥階段升華界面冰晶升華帶走熱量，使得升華界面溫度較低。當升華界面溫度高于塌陷溫度時，即樣品較低溫度都超過了塌陷溫度值，樣品出現(xiàn)塌陷的風險極大。因此，可以采用升華界面溫度作為判斷樣品是否會發(fā)生塌陷的判斷依據(jù)。

在另一方面，升華界面溫度和飽和蒸氣壓存在對應關系，通過冰晶飽和蒸氣壓公式可以將升華界面溫度與壓力聯(lián)系起來，常用的簡化關系式如下所示：

從上式也可以看出，升華界面溫度越高，對應的飽和蒸氣壓也就越高。當壓力達到塌陷溫度對應飽和蒸汽壓時，即可認為樣品溫度超過了塌陷溫度。可以假設這么一種情況，如果干燥腔內(nèi)壓強與塌陷溫度對應壓強相同，樣品內(nèi)的冰晶如果要升華，則升華界面的壓力需要不低于腔體內(nèi)壓強。根據(jù)上面的公式，則樣品溫度超過塌陷溫度，干燥過程就失敗了。因此，干燥腔內(nèi)壓力必須低于塌陷溫度對應的飽和蒸氣壓P_tc；

目前，根據(jù)經(jīng)驗值，一般將腔體內(nèi)真空度P大小設置為P_tc的1/3到1/2。而樣品溫度T_p則可以結合上述公式與P的大小確定。確定好樣品溫度T_p后即可確定擱板溫度，在干燥階段，擱板溫度T_s=T_p+15-(輻射升高溫度值)；其中，輻射升高溫度值與環(huán)境溫度有關系，環(huán)境溫度高的時候，輻射升高溫度值需要設置高一些。而在環(huán)境溫度低時，輻射升高溫度值需要適當設置低一些。

2.3 解吸干燥階段

與升華干燥階段類似，解吸干燥階段需要考慮的參數(shù)也是真空度和擱板溫度，但解吸干燥階段參數(shù)的設置與升華干燥階段參數(shù)存在一定區(qū)別。由于樣品的玻璃態(tài)轉變溫度與樣品中的含水量有關，當樣品完成升華干燥時，其玻璃態(tài)轉變溫度也隨之升高，因此，可以在解吸干燥階段采用較高的溫度，而不用擔心樣品融化。

同時，由于樣品中的自由水在升華干燥階段都被除去，剩下的結合水先后經(jīng)歷樣品內(nèi)擴散、解吸等階段，較低的艙壓能夠形成高壓差增加結合水解吸速率，提升解吸驅(qū)動力。因此，在解吸干燥階段一般采用較高的溫度和降低的壓強值，其中，擱板溫度以不超過樣品的干基玻璃態(tài)轉變溫度為準。

3 總結

在這篇文章中，我們給大家介紹了凍干工藝確定的要點以及凍干參數(shù)設置背后的原因，希望能對大家有所幫助。但是需要指出的是，上述只是對凍干工藝的初步確定，一個“好”的凍干工藝還有許多工作要做，比如，干燥時間的設置就需要借助終點判斷功能；不同樣品凍干的目的側重點不同，所需要采用的凍干工藝也有所區(qū)別。