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技術文章

凍干機樣品預凍的原因是什么？
      凍干機的樣品為什么要預凍？首先，了解下凍干機的工作原理，是將含水物質，先低溫凍結，使水轉變為冰，然后在較高真空下將冰轉變為汽態，升華出來，以去除水份而保存物質的方式。

      所謂預凍，就是把含有大量水分的產品凍結成固體的過程。 

     預凍的目的有三個：

    其一，固定產品，如果產品沒能凍結成固體即直接抽真空，在真空制冷作用下，當真空抽到一定的時候，溶解在水中的空氣會“沸騰"起泡，產品從容器中逸出，到壓力低于6.11mbar時，產品則凍結成冰，但沒有固定的形狀，玻璃容器甚至還會破裂，凍干失敗。

    其二，形成有利于升華的結晶，已知凍干產品大都數是溶液，可能不止一種成分，有些還含有蛋白質、生物體等生物活性物質，在凍結時有可能會形成玻璃態，產品在干燥一段時間后，會形成上層的干燥層和下層的凍結層，凍結層的產品繼續干燥時，升華的氣流必需通過干燥層，由于玻璃態幾乎無間隙，升華氣流沒有通道，產品的繼續干燥將受到影響，干燥失敗。其三，保證所有產品獲得相同的細微結構，凍干時通常應把所有的產品冷凍到某一低溫，進箱溫度一般是5 ℃，并持續一段時間，確保所有產品達到同一溫度后再一起降溫預凍，使所有產品的冷凍工藝相同，防止造成產品結構不均顏色不一等情況。為使產品在真空下升華時不會鼓泡，預凍時溫度必須低于產品的共晶點溫度，一般應低于產品的共晶點溫度至少5℃。 

       預凍階段是在常壓下進行的，預凍過程是一個液相轉化為固相的變化過程，同時也是一個放熱過程，產品的凍結過程需要克服凍結過程中產品釋放的熔化熱，產品的熱量（熔化熱）通過輻射、傳導、對流三種方式傳給板層，板層傳給硅油，硅油的熱量再由冷凍機帶走，因此預凍需要維持一定的時間，時間的長短與裝量及容器有關，也與產品的共晶點有關，共晶點低的產品，達到低溫所需時間較長，預凍時間一般為共晶點5 ℃之下持續2-3 h。同時，為了改善板層與產品間的熱傳導，應盡量增加產品容器與板層的接觸面積，并減少傳遞層次。 

       預凍階段的冷凍速率會影響冰晶尺寸的大小，因此也會影響干燥產品的質量。冷凍過程中，冰晶的數量和大小受兩個因素影響，即成核速率和晶體生長速率，而這二者都受溫度的影響。 

       在0℃時晶體的生長速率增加，而成核速率卻很低，因此在0 ℃保持一段時間，將產生數量少而尺寸大的晶體，可理解為慢速預凍（見下圖左），但在0℃以下凍結時，將得到數量多且尺寸小的晶體，可理解為快速預凍（見下圖右）。冰晶的大小也影響干燥速率和干燥后產品的溶解速度和產品質量。大的冰晶利于升華，小的冰晶不利于升華；大的冰晶溶解慢，小的冰晶溶解快；冰晶越小干燥后越能反映產品的原來結構。

  

       對于細胞及一些生命體，冷凍干燥會產生一定的破壞作用，其作用機理目前尚不明確，一般認為是由機械效應和溶質效應引起的。機械效應是細胞內外冰晶生長而產生的機械應力引起的，特別是對有細胞膜這樣的生命體影響較大，一般冰晶越大，細胞膜越易破裂，從而造成細胞的死亡，冰晶小，細胞膜的損傷小。 

       另一方面，產品冷凍時，隨著冰晶的生長，溶液逐漸的濃縮（即電解質的濃縮），已知蛋白質活性受電解質濃度的影響，電解質濃度的增加，將誘發蛋白質的變性，造成生命體的死亡。同時，電解質濃度增加也會引起細胞脫水而死亡。 

       溶質效應在某一溫度范圍，這個范圍在水的冰點和該液體的固化溫度之間，如果能以較高的降溫速率越過這一溫度范圍，則溶質效應產生的影響就能減小。因此，針對細胞及一些生命體的凍干，設臵合適的預凍參數（預凍時間、溫度等），對于保護其生命活性，具有較高的意義。

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