凍干工藝中關鍵溫度的測量方法

【概述】

      凍干過程中進行工藝設計或工藝優化時，首先要做的是測量樣品的幾個關鍵溫度：共晶點溫度、共熔點溫度、玻璃化轉變溫度、崩解溫度，我們才能根據這些溫度設計凍干曲線。

【實驗/設備條件】

       凍干機性能穩定，可進行精準的溫度控制。

【樣品提取】

       研究樣品：多肽

【實驗/研究成功】

凍干工藝中的關鍵溫度如何測量？

　　凍干過程中進行工藝設計或工藝優化時，首先要做的是測量樣品的幾個關鍵溫度，我們才能根據這些溫度設計凍干曲線。

　　那幾個關鍵溫度要用何種方法測量呢?今天我們就來探討一下。

　　1、共晶點溫度（共熔點溫度）的測量方法

　　測量共晶點溫度可采用電阻測定法、電容測定法、差示掃描量熱儀法、低溫顯微鏡直接觀察法、數字公式計算法，幾種方法各有優劣。

　　(1)電導或電阻測定法

　　電導(阻)法測共晶點操作簡單、方便易行，目前應用Z多，但對非電解質溶液則無法準確測定。

　　樣品預凍過程中，從外表觀察來確定樣品是否凍結是不可能的。通過測量凍結過程中產品結構發生變化時的導電性能變化，可判斷凍結是否完成。

　　原理：根據S.A.Arrhenius(阿侖尼烏斯)電離學說原理，當水中含有雜質時，部分雜質就分解成電離子，這時水是導電的，溫度下降溶液電阻會逐漸增大，當溶液全部凝固成固體時，溶液中的離子會失去自由活動能力，電阻突然增大，此時 溫度即為共晶點；反之，凍結的制品在升溫過程中，電阻突然減少時的溫度即為共熔點。

　　北京四環起航原位硅油凍干機可選配共晶點測試儀，采用電阻測定法，測定樣品的共晶點溫度。

　　(2)電容測定法

　　原理：在樣品冷凍與加熱過程中，隨水分的結晶與熔化，電容量將發生顯著改變，利用這一性質，可用于測定共晶點并探測產品是否凍結，也可設定一個合適的電容值直接控制加熱升華。

　　水和冰的介電常數不同，水的介電常數為78.3(水溫25℃)，冰的介電常數為3~4.而物理吸附和化學結合的水分隨著結合程度的不同，介電常數在10~80之間。采用絕緣體分開的兩片金屬電極組成一電容器，將樣品溶液作為電介質置于電極之間，則在凍干各相變化過程中，電容器的電容量將發生不同程度變化。在升華過程中，由于冰晶逐漸減少，電容量隨之降低，故電容量隨時間的變化的斜率反應了質量轉移的速率，所以實際上電容變化曲線就是冰晶的干燥曲線。另外，電介質的性能在真空與空氣間差別很小，介電常數的測定可認為與壓力無關，因此電容法可直接在凍干過程中應用。

　　電容測定法較電阻測定法可應用范圍更廣泛，可用于電解質和非電解質溶液，也可用于粒狀或不均勻的塊狀物。

　　(3) 熱分析法

　　差示掃描量熱法(DSC)是在溫度程序(升溫或降溫)控制下，測量輸送給樣品和參比物質的能量差值隨溫度變化的方法。DSC可以精確快速地計算熱效應的吸放熱量(熱焓)與特征溫度(起始點、峰值、終止點等)。

　　DSC測量方法是目前醫藥、無機材料、金屬材料、復合材料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑、生物有機體、食品等領域測量共晶點和共熔點的常用方法。

　　除以上3個常用方法外，也可采用低溫顯微鏡直接觀察或數字公式計算等方法得到溶液的共晶(熔)點。

　　2、玻璃化轉變溫度的測量方法

　　測量樣品的玻璃化轉變溫度常用的方法是DSC法。由于玻璃化轉變溫度是物質由流動性較強的液體狀態轉變為粘度極大、流動性差的玻璃化狀態時的溫度。因此，使用DSC法記錄樣品與參比物質的能量差值，DSC圖譜上的比熱變化即為樣品的玻璃化轉變溫度。

　　樣品未發生熱效應的情況下，參比端與樣品端的信號差接近于0.在DSC圖譜上，體現為一段近乎水平的線，即“基線”。一旦樣品發生熱效應，樣品端與參比端即會產生溫差/熱流信號差。根據DIN標準與熱力學規定，正值為樣品的吸熱峰，較為典型的吸熱效應有熔融、分解、解吸附等;負值為放熱峰，較為典型的放熱效應有結晶、氧化、固化等;比熱變化則體現為基線高度的變化，即曲線上的臺階狀拐折，玻璃化轉變就是一種較為典型的比熱變化。

　　此外，還可用差熱分析法(DTA)法、低溫顯微鏡直接觀察法進行測量。

　　3、崩解溫度的測量方法

　　凍干工藝設計之前，測量樣品的崩解溫度，是工藝設計和優化的重要步驟。目前主流的崩解溫度測量方法主要是低溫顯微鏡直接觀察法。

　　低溫顯微鏡直接觀察法即用低溫顯微鏡觀測制品的結晶過程，根據所拍攝的圖像或視頻得出共晶點(共熔點)溫度、塌陷溫度、玻璃化轉變溫度。

　　樣品凍干前首先測量樣品的各關鍵溫度才能設計出更為高效合理的凍干曲線，對于樣品整個凍干過程的控制也會更加游刃有余。

【儀器/耗材清單】

       北京四環起航LGJ-T30真空冷凍干燥機