1 前言

退火是凍干過程中常用的處理方法。退火一般是指在樣品凍結(jié)后將其升高至低于共晶溫度T_e高于濕基質(zhì)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度T_g’的溫度，并維持一段時(shí)間后再降溫的工藝。其工藝曲線如圖1中紫色方框區(qū)域所示。退火處理可以有效改善樣品應(yīng)力集中的問題，提升干燥效率，增加樣品塌陷溫度。因此，退火工藝在凍干技術(shù)中被廣泛采用。

圖1 退火工藝典型溫度曲線（圖中黃色曲線）

然而，退火工藝參數(shù)設(shè)置正確與否，在很大程度決定了退火工藝是否能發(fā)揮效果。在實(shí)際過程中，大家設(shè)置退火過程的升溫速率，降溫速率和恒溫時(shí)間度主要參考經(jīng)驗(yàn)。在這篇文章中，我們將結(jié)合客戶委托實(shí)例，為大家分析退火參數(shù)合理設(shè)置的重要性，闡明如何基于凍干過程原理合理設(shè)置退火參數(shù)。

2 問題描述

本次測試的樣品為抗生素，客戶要求測試不同降溫方式（慢凍，速凍，速凍+退火，慢凍加退火）下的塌陷溫度。在實(shí)際測試過程中，前面三種降溫方式下樣品對應(yīng)的塌陷溫度都能順利測量得到，但是在慢凍+退火模式下，無法觀察在升華過程中到樣品的水線，開譜LyoVision A1 凍干顯微鏡下觀察到的干燥階段樣品圖像如圖2所示。 

圖2 不同干燥溫度下的樣品形態(tài)

從圖中可以看出，在真空條件下，盡管樣品的溫度在不斷上升，但是顯微鏡的視野中卻并未出現(xiàn)升華界面，而當(dāng)溫度進(jìn)一步上升至-14.6 ℃時(shí)，板樣品整體亮度開始逐漸提升，內(nèi)部散射點(diǎn)均勻性下降，局部出現(xiàn)微小亮斑與暗區(qū)，表明樣品內(nèi)部發(fā)生了冰晶融化現(xiàn)象。

這一現(xiàn)象與塌陷測量過程中出現(xiàn)的冰晶融化并不相同，在塌陷測量過程中，冰晶融化是因?yàn)闃悠方Y(jié)構(gòu)塌陷，冰晶升華的水蒸氣無法排出，導(dǎo)致冰晶表面飽和蒸氣壓增加，從而使得冰晶溫度升高發(fā)生融化。而在圖2所示的過程中，樣品并未發(fā)生升華（未觀察到水線），樣品之所以發(fā)生融化是因?yàn)槠錅囟瓤赡艹^其共晶點(diǎn)溫度/玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致冰晶融化。

從以上分析可以看出，對于該樣品，當(dāng)使用慢凍+退火的條件時(shí)，其不能正常升華，也能難以測量其塌陷溫度。

3 問題分析

3.1 原因推斷

上述現(xiàn)象乍看是違背常識(shí)的。一般來說，預(yù)凍速率（慢凍/快凍）會(huì)對樣品的塌陷溫度產(chǎn)生一定的影響，退火也會(huì)對樣品的塌陷溫度有一定的影響，但是這些影響是在一定范圍內(nèi)，而不至于導(dǎo)致樣品測量不出塌陷溫度。而且從圖2所示的測量過程來看，樣品根本沒有發(fā)生升華，冰晶無法升華，也就通過升華產(chǎn)生的冷量降低樣品溫度，最終導(dǎo)致樣品溫度升高至高于共晶點(diǎn)溫度，導(dǎo)致樣品融化且干燥失敗。

那么冰晶無法升華有多種原因，最常見的是低于其三相點(diǎn)壓力與升華通道被堵塞。在上述案例中，其真空度未見異常，那么最有可能的便是升華通道被堵塞，而塌陷溫度測量過程中，樣品上表面覆蓋有玻璃片，以保證樣品厚度均勻與便于觀察，這也意味著冰晶無法從上表面離開。在正常測量過程中，冰晶從側(cè)面開始升華。而在圖2所示的升華干燥過程中，樣品無法升華意味著，冰晶升華形成的水蒸氣無法從樣品側(cè)面逸出，而這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于“結(jié)殼"。樣品側(cè)面形成了一層致密的溶質(zhì)層，不存在孔隙，水蒸氣無法從其中逸出，最終導(dǎo)致了樣品升華失敗。

“結(jié)殼"的原因如下圖所示。

圖3 樣品外表結(jié)殼原因分析

那么這就帶來了另一個(gè)問題，為什么在其他三種預(yù)凍方式下，樣品沒有出現(xiàn)這種“結(jié)殼"現(xiàn)象，而只有在慢凍和退火形式下出現(xiàn)了呢。這其實(shí)和溶質(zhì)遷移速度與冰鋒界面移動(dòng)速度相對大小有關(guān)系。具體關(guān)系如下圖所示，而冰鋒界面移動(dòng)速度與預(yù)凍速率密切相關(guān)，當(dāng)預(yù)凍速率較大時(shí)，冰鋒界面移動(dòng)速率就大，反之亦然。

圖4 預(yù)凍過程中溶質(zhì)遷移速度與冰鋒界面速度關(guān)系示意圖

在慢凍+退火的預(yù)凍方式下。首先溶質(zhì)在慢凍條件下，外表面溶質(zhì)濃度相對較高，而在后續(xù)退火階段，部分冰晶首先升溫融化，被限制在冰晶縫隙中的溶質(zhì)經(jīng)歷了再分布過程，而由于退火工藝默認(rèn)的降溫速率（0.5 ℃/min）較低，溶質(zhì)在樣品外表面堆積，最終形成了致密的外殼，導(dǎo)致冰晶無法正常升華。

3.2 解決思路

基于上述思路，既然是因?yàn)楸h界面速度低于溶質(zhì)擴(kuò)散速率導(dǎo)致的樣品結(jié)殼現(xiàn)象，我們后續(xù)改變了退火工藝降溫階段的降溫速率，圖5和圖6分別展示了退火降溫速率為1 ℃/min和5 ℃/min時(shí)樣品干燥過程記錄。

圖5 退火降溫速率為1 ℃/min時(shí)的樣品干燥過程記錄

圖6 退火降溫速率為5 ℃/min時(shí)的樣品干燥過程記錄

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)退火降溫速率為1 ℃/min 時(shí)，仍然未能觀察到樣品的干燥過程，但當(dāng)退火降溫速率提升到5 ℃/min 時(shí)，便能觀察到樣品的干燥過程，也能測定樣品的塌陷溫度。這也驗(yàn)證了我們的分析與推測。

4 結(jié)論

在這篇文章中，我們結(jié)合工程實(shí)際，分析了樣品退火后不能測定塌陷溫度的原因，即較低的退火降溫速率疊加慢凍的影響，導(dǎo)致樣品外表面發(fā)生結(jié)殼，冰晶無法順利升華。并給大家進(jìn)一步介紹了樣品結(jié)殼現(xiàn)象和溶質(zhì)遷移現(xiàn)象。這個(gè)案例說明參數(shù)的設(shè)置要有根據(jù)，而不能僅僅是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去設(shè)置。像在這次案例中，如果按照經(jīng)驗(yàn)去設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，那我們永遠(yuǎn)不能知道樣品在慢凍+退火情況下的塌陷溫度。只有在深入了解與掌握凍干過程背后原理的前提下，我們才能更好地設(shè)置凍干工藝參數(shù)。

而了解凍干過程背后原理不僅僅需要理論上的掌握，還需要不斷的實(shí)踐，在這個(gè)過程中，合適的工具是非常重要的，開譜自主研發(fā)凍干顯微鏡，原位實(shí)時(shí)觀測凍干全過程，精準(zhǔn)測定凍干關(guān)鍵溫度，高效解決凍干各類工藝難題。