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，我們發現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。需要考慮的參數主要為預凍終點溫度和降溫速率。

預凍終點溫度需要根據樣品的物性參數確定，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）環境溫度，外界環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，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時，可根據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

退火是指已經凍結的樣品升溫至退火溫度（通常介于濕基質玻璃態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，來實現冰晶的瞬時結晶2.2 升華干燥階段

升華干燥階段主要調控的參數為腔體內壓力（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生塌陷的判斷依據。

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，如果干燥腔內壓強與塌陷溫度對應壓強相同，樣品內的冰晶如果要升華，則升華界面的壓力需要不低于腔體內壓強。根據上面的公式，則樣品溫度超過塌陷溫度，干燥過程就失敗了。因此，干燥腔內壓力必須低于塌陷溫度對應的飽和蒸氣壓P_tc；

目前，根據經驗值，一般將腔體內真空度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境溫度有關系，環境溫度高的時候，輻射升高溫度值需要設置高一些。而在環境溫度低時，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也是真空度和擱板溫度，但解吸干燥階段參數的設置與升華干燥階段參數存在一定區別。由于樣品的玻璃態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歷樣品內擴散、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別。