冷凍干燥是把含有大量水分的物料在低溫下冷凍，然后將其由固態(tài)直接升華為氣態(tài)的一種干燥技術(shù)。它廣泛應用于穩定蛋白質(zhì)、多肽等生物藥物制劑的干燥。凍干技術(shù)具有高度的特異性，需要高度可控的生產(chǎn)方案，因此需要設計合理的凍干工藝。

合理的凍干工藝設計是建立具有代表性和準確的關(guān)鍵配方溫度測量的基礎上的。在初級干燥中為了避免產(chǎn)品坍塌或收縮，必須將樣品溫度控制在關(guān)鍵溫度以下，這個(gè)溫度被稱(chēng)為"臨界配方溫度"。

對于晶體體系，最大耐受溫度是共晶溫度；對于非晶體系，臨界溫度取決于應用的分析方法，一般以最大凍結濃縮液的玻璃化轉變溫度Tg’或塌陷溫度Tc表示。過(guò)去幾十年，差示掃描量熱儀（DSC）經(jīng)常被用來(lái)確定凍干臨界配方溫度。

差示掃描量熱儀（DSC）是指在程序控溫下，通過(guò)量測樣品吸收或釋放的熱量，從而定性或定量地表征樣品物理或化學(xué)變化的一種分析測試技術(shù)。

 01  玻璃化轉變溫度Tg’

最大凍結濃縮液的玻璃化轉變溫度Tg’是樣品在凍結過(guò)程中從粘性的、橡膠態(tài)液體向剛性的玻璃態(tài)體系的可逆轉變。

如圖1所示，當樣品溫度低于冰點(diǎn)后開(kāi)始形成小冰晶，隨著(zhù)溫度繼續降低，溶液濃度增加，直到到達共晶點(diǎn)Teu形成共晶體；此時(shí)仍有部分溶液不能形成共晶，這部分溶液隨著(zhù)溫度繼續降低以非晶態(tài)形成過(guò)飽和溶液，最終wan全固化形成玻璃態(tài)，此時(shí)對應的溫度即玻璃化轉變溫度Tg’。

DSC是常用的玻璃化轉變溫度表征技術(shù)，以玻璃化轉變過(guò)程中熱容Cp的階躍變化為特征，表征比熱階躍變化而帶來(lái)的熱流階躍變換。

以圖2的DSC熱流曲線(xiàn)為例，左圖是從10℃降溫到-60℃（藍色曲線(xiàn)），再升溫（綠色曲線(xiàn)）的過(guò)程。藍色曲線(xiàn)中可以看到非常明顯的水的結晶放熱現象，將升溫曲線(xiàn)放大到右側可以看到明顯的臺階式變化，即玻璃化轉變溫度Tg’=-36.6℃。

圖2 凍干溶液的DSC曲線(xiàn)

02  共晶熔融溫度Teu

晶體體系的最大耐受溫度就是共晶熔融溫度。DSC也是常用的表征方法，在加熱過(guò)程中，熱流曲線(xiàn)上表現為明顯的吸熱峰，將吸熱峰的外推起始點(diǎn)溫度（Onset溫度）定義為共晶熔融溫度。

圖3 共晶熔融溫度測量熱流曲線(xiàn)

03   表征非晶態(tài)中水的結晶

非晶態(tài)中水的結晶：由于凍結過(guò)程過(guò)快，一些可以結晶的水以無(wú)定型留在玻璃態(tài)基質(zhì)中。當對樣品加熱，當溫度高于玻璃化轉變溫度Tg’時(shí)，亞穩態(tài)的玻璃會(huì )重新"液化"，并在足夠的時(shí)間內發(fā)生結晶。調制DSC技術(shù)可以表征該過(guò)程的復雜相變。

調制DSC（MDSC）技術(shù)采用正弦升溫速率，將DSC總的熱流信號分成可逆熱流信號（樣品熱容）和不可逆熱信號（動(dòng)力學(xué)相關(guān)項）。如圖4所示，可以得到紅色的總熱流曲線(xiàn)，藍色的可逆熱流曲線(xiàn)和綠色的不可逆熱流曲線(xiàn)。

圖4 調制DSC熱流曲線(xiàn)

以圖5的40%凍干蔗糖水溶液為例，采集調制DSC升溫曲線(xiàn)，可以得到3條熱流曲線(xiàn)。首先分析綠色的總熱流曲線(xiàn)，看到玻璃化轉變和結晶過(guò)程非常接近，普通的DSC曲線(xiàn)很難區分；而調制DSC可以看到明顯的玻璃化轉變溫度（藍色），也可以很清晰的看到水的結晶。

圖5 凍干蔗糖溶液的調制DSC曲線(xiàn)

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