凍干工藝開發(fā)關(guān)鍵溫度---玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg’、Tg)

前言

樣品的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg'），是凍干工藝開發(fā)前樣品需要檢測的最基本的關(guān)鍵溫度之一；
凍干完成后，干燥樣品的Tg，也是樣品二次干燥和存儲溫度的重要參考溫度指標(biāo)；
今天希望能用一篇文章，全面的講解Tg‘和Tg的概念、原理，以及在凍干工藝過程中的具體如何發(fā)揮參考和指導(dǎo)作用。

概念：

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（最大濃縮溶液,Tg’）：在降溫過程中隨著溶液溫度的降低水不斷以冰晶的形式結(jié)晶和析出，剩余冷凍濃縮溶液的濃度逐漸增加，當(dāng)達到某一溫度時，很小的溫度變化就導(dǎo)致冷凍濃縮溶液黏度的顯著增加同時冰不再結(jié)晶析出，此時的溫度叫玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg’)，即指最大濃縮溶液發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的溫度；

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（最大濃縮溶液,Tg’）在Tg’以下，冷凍濃縮溶液以硬的玻璃態(tài)存在，而在Tg’以上冷凍濃縮溶液為具有流動性的橡膠態(tài)。

圖一：溫度和樣品流動能力的關(guān)系

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Glass ransition emperature,Tg）是分子鏈段能運動的最底溫度。我們通常把玻璃態(tài)與高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，稱為玻璃化轉(zhuǎn)變，它所對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度即是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，或是玻璃化溫度；

原理相關(guān)的基本：

圖二：10%蔗糖溶液的補充相圖

箭頭指示的方向為冷凍干燥的過程方向

圖二中，橫坐標(biāo)為蔗糖濃度；

越靠近橫坐標(biāo)的左邊則代表稀蔗糖溶液（含量0%到20%、50%），越靠近橫坐標(biāo)的右邊則代表高濃度蔗糖溶液及干相物質(zhì)；

靠近橫坐標(biāo)的最右端，可以理解為含有5%、2%等水分的蔗糖（干）；

由圖二可見，樣品Tg隨著其水分的下降而升高；

縱坐標(biāo)為溫度（產(chǎn)品溫度而非板層溫度）；
處方為無定形物質(zhì)或者含有無定形物質(zhì)的部分結(jié)晶物質(zhì)樣品，則可以在凍干過程中選擇此溫度作為關(guān)鍵溫度指導(dǎo)凍干工藝；

預(yù)凍階段，純的冰晶不斷析出，剩余冷凍濃縮溶液的濃度逐漸增加，當(dāng)達到某一溫度時，很小的溫度變化就導(dǎo)致冷凍濃縮溶液黏度的顯著增加同時冰不再結(jié)晶析出，此時的溫度為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg’)；

如果上面的曲線理解有困難，還可以再看一下下圖（這張圖對于大家理解凍干過程中的復(fù)雜現(xiàn)象非常重要，所以我補充一張圖，希望能夠幫助大家理解）：

圖三：預(yù)凍降溫階段不同物質(zhì)發(fā)生的相變

一次干燥階段為升華階段，Tg'保持不變；

升華干燥結(jié)束后，進入二次干燥階段為干相物質(zhì)Tg參數(shù)工作階段；

Tg對于一個樣品來說，不是一個固定的數(shù)值；

樣品的Tg和產(chǎn)品的水分相關(guān)，如圖二所示越靠近橫坐標(biāo)右端（水分越低）則Tg越高；

一個經(jīng)驗數(shù)值為，水分每增加1%則產(chǎn)品Tg降低10℃；

二次干燥或者產(chǎn)品存儲階段，如果產(chǎn)品溫度高于Tg，則會導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生塌陷；

Tg'、Tg與凍干工藝參數(shù)結(jié)合：

圖四：關(guān)鍵參數(shù)在凍干工藝過程中的指導(dǎo)作用曲線由TELSTAR中試凍干機生成

預(yù)凍階段，產(chǎn)品溫度需低于Tg‘;
如果預(yù)凍階段加入退火，則退火溫度高于Tg‘低于初始融化溫度；

一次干燥階段，產(chǎn)品溫度需低于Tc或者Tg’；

非常要注意的是：是產(chǎn)品溫度而非板層溫度；

產(chǎn)品溫度測量要盡量準確，PT100溫度探頭的工作原理會影響其測溫的準確性；

二次干燥階段，產(chǎn)品溫度低于Tg；

以上為凍干工藝開發(fā)的一條條“紅線"，也是凍干工藝曲線申報時，每個參數(shù)設(shè)置合理的依據(jù)；

Tg'與Tc及塌陷的關(guān)系：

常常有同學(xué)問我，產(chǎn)品的Tg'和Tc是什么關(guān)系。

要理解這兩個參數(shù)之間的關(guān)系，先看一下這兩個參數(shù)的本質(zhì)是什么；
Tg'為無定形溶質(zhì)剛性和橡膠態(tài)（具有一定的流動性）之間的一個臨界溫度；

Tc為樣品發(fā)生塌陷時被觀察，這個時刻所對應(yīng)的溫度；

圖五：塌陷發(fā)生的過程

圖五清晰的表達了塌陷發(fā)生的過程；

冷凍濃縮物質(zhì)矩陣的剛性，不足以支撐其形狀（有了一定的流動態(tài)）；
變形的已干燥相阻擋升華通道；
冰無法順暢升華導(dǎo)致升華界面壓力上升，從而發(fā)生塌陷現(xiàn)象；

冷凍濃縮矩陣溫度超過Tg'是塌陷現(xiàn)象發(fā)生的起點；

綜合以上過程，可以知道我們通過凍干顯微鏡觀察到的塌陷現(xiàn)象，通常發(fā)生在冷凍濃縮矩陣溫度超過Tg’之后；

所以通常Tg'＜Tc（但也有例外）；

不同樣品Tg’和Tc之間的溫度區(qū)間不同，這樣常常是我們對比“激進凍干工藝"和“保守凍干工藝"對產(chǎn)品影響騰挪的一個區(qū)間.

文章來源——凍干工藝之家公眾號  •  星德科 TELSTAR 凍干工藝實驗室