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(yīng)用于穩(wěn)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(shè)計(jì)合理的凍干工藝。
合理的凍干工藝設(shè)計(jì)是建立具有代表性和準(zhǔn)確的關(guān)鍵配方溫度測量的基礎(chǔ)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(yīng)用的分析方法，一般以最大凍結(jié)濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg’或塌陷溫度tc表示。過去幾十年，差示掃描量熱儀（dsc）經(jīng)常被用來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(zhuǎn)變溫度tg’
最大凍結(jié)濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg’是樣品在凍結(jié)過程中從粘性的、橡膠態(tài)液體向剛性的玻璃態(tài)體系的可逆轉(zhuǎn)變。
如圖1所示，當(dāng)樣品溫度低于冰點(diǎn)后開始形成小冰晶，隨著溫度繼續(xù)降低，溶液濃度增加，直到到達(dá)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，這部分溶液隨著溫度繼續(xù)降低以非晶態(tài)形成過飽和溶液，最終wan全固化形成玻璃態(tài)，此時(shí)對應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg’。
dsc是常用的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度表征技術(shù)，以玻璃化轉(zhuǎn)變過程中熱容cp的階躍變化為特征，表征比熱階躍變化而帶來的熱流階躍變換。
以圖2的dsc熱流曲線為例，左圖是從10℃降溫到-60℃（藍(lán)色曲線），再升溫（綠色曲線）的過程。藍(lán)色曲線中可以看到非常明顯的水的結(jié)晶放熱現(xiàn)象，將升溫曲線放大到右側(cè)可以看到明顯的臺階式變化，即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg’=-36.6℃。
圖2凍干溶液的dsc曲線
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，在加熱過程中，熱流曲線上表現(xiàn)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
03 表征非晶態(tài)中水的結(jié)晶
非晶態(tài)中水的結(jié)晶：由于凍結(jié)過程過快，一些可以結(jié)晶的水以無定型留在玻璃態(tài)基質(zhì)中。當(dāng)對樣品加熱，當(dāng)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg’時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的玻璃會(huì)重新”液化”，并在足夠的時(shí)間內(nèi)發(fā)生結(jié)晶。調(diào)制dsc技術(shù)可以表征該過程的復(fù)雜相變。
調(diào)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(xiàng)）。如圖4所示，可以得到紅色的總熱流曲線，藍(lán)色的可逆熱流曲線和綠色的不可逆熱流曲線。
圖4調(diào)制dsc熱流曲線
以圖5的40%凍干蔗糖水溶液為例，采集調(diào)制dsc升溫曲線，可以得到3條熱流曲線。首先分析綠色的總熱流曲線，看到玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶過程非常接近，普通的dsc曲線很難區(qū)分；而調(diào)制dsc可以看到明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（藍(lán)色），也可以很清晰的看到水的結(jié)晶。
圖5 凍干蔗糖溶液的調(diào)制dsc曲線
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