研发实验室工作中
冷冻干燥技术 Essential
流程关键点分享
冻干应用
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简介
在标准化学研发实验室的工作流程中，首先通常通过旋转蒸发减少溶剂体积，对合成混合物进行初步浓缩。得到的粗提物随后进入纯化步骤，采用快速色谱法实现化合物的快速分离；为去除残留溶剂（特别是热敏性物质中的溶剂），通常采用冷冻干燥技术。这一步有助于防止热降解，保持化合物的完整性。
冷冻干燥，也称为冻干，是一种温和的脱水过程，广泛用于保持热敏性化合物的稳定性和活性。在真空下通过升华去除溶剂，可以确保最小程度的降解并延长产品的保质期。BüCHI Lyovapor? L-210 和 L-250 冷冻干燥机提供可靠的性能，并具有灵活的腔室尺寸，以适应不同的样品量。
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评估溶剂对冷冻干燥的适用性
许多水性样品可以轻松进行冷冻干燥，因为在大多数过程中水通常完全收集在冷凝器上。然而，有机溶剂由于其凝固点通常较低（可能远低于冷凝器表面温度），带来了额外的挑战。
要确定溶剂是否适合冷冻干燥，必须使用该溶剂的蒸汽压曲线评估四个关键因素：
冷冻能力：哪种方法可以达到足够低的温度以完全冷冻样品？
冷冻浓度：溶剂是否需要稀释才能有效冷冻？
冷凝器效率：冷凝器温度是否至少比溶剂的凝固点低 15-20℃ 以确保收集？
样品相稳定性：能否将压力维持在足够低的水平，以在整个过程中保持样品冷冻？
关键注意事项包括：
有机溶剂通常需要用水稀释或使用液氮才能达到凝固温度。
许多有机溶剂的凝固点过低，即使是 85℃ 或 -105℃ 的冷凝器也无法有效捕集，这限制了 -55℃ 与更冷冷凝器之间的蒸汽收集差异。
如果冷凝器未捕集到溶剂，溶剂将以蒸汽形式通过真空泵排出系统。
由于凝固点和三相点较低，即使达到极限真空，也可能难以足够快地抽空腔室或维持足够低的压力以防止熔化。
稀释溶液可能会出现溶剂熔化并蒸发，而水仍保持冻结状态（在溶剂表中标示为黄色区域），这可能会影响也可能不影响样品质量，具体取决于要求。
过量的溶剂体积可能妨碍维持所需的真空压力，导致样品熔化并蒸发（溶剂表中的红色区域），需要终止过程。
以下列表列出了经常与水结合使用的溶剂，并显示它们是否可以通过 Lyovapor? L-210 和 L-250 进行冷冻干燥去除。
表2：溶剂的颜色描述
样品能够妥善进行冷冻干燥处理，发生升华现象。 | |
干燥室内的压力无法设置得足够低以使溶剂保持固态。溶剂会融化，而水则会保持冰态。溶剂蒸发，压力会随之上升，直至蒸发完全。随后冰会升华。尽管溶剂并未升华，但蒸发对于许多应用来说已经足够了。 | |
无法工作——不可能进行。 |
Lyovapor? L-210
▲图1: Lyovapor? L-210 的溶剂列表（左）和对应图示（右）。
Lyovapor? L-250
▲ 图2: Lyovapor? L-250 的溶剂列表（左）和对应图示（右）。
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Lyovapor? 配置
为您的应用选择合适的冷冻干燥配置时，以下几点很重要：
如果可能，在使用冷冻干燥机之前，尽可能去除样品中的大部分溶剂，例如使用旋转蒸发仪（如 R-80）。
当溶剂蒸汽离开系统时，选择合适的泵至关重要。对于涉及大量溶剂的所有冷冻干燥应用，建议使用涡旋泵。确保泵的排气口位于通风柜中，以避免人员接触溶剂。
Lyovapor? L-210 和 L-250 提供全自动、连续的升华过程，精确控制过程参数，确保可靠且可重复的冷冻干燥结果。
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样品量
在典型的冷冻干燥操作中，仪器通常处理多种样品，这些样品具有不同的溶剂体积、成分和表面积。这种多样性要求冰凝器具有足够的冷凝能力，以有效捕获来自烧瓶、托盘和其他容器中升华样品所释放的蒸汽。为了满足这些需求，Lyovapor? 提供三种冰凝器容量——每24小时4kg/6kg——确保系统始终为高样品通量和优化的干燥效率做好准备。这些单元实现 95-99% 的溶剂回收率，能够在 -55℃ 和 -85℃ 的冷凝器温度下进行安全可靠的干燥。
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容器
冷冻步骤中产生的表面积对冷冻干燥时间有显著影响。冷冻干燥从上向下进行，在剩余的冷冻产品上形成干燥层。随着该层增厚，水蒸气逸出变得越来越困难，从而减慢过程。
为了优化干燥效率，重要的是最大化样品的表面积。这从选择合适的容器尺寸和类型开始。BüCHI 提供各种尺寸的烧杯和圆底烧瓶，以及适用于液体和固体样品的托盘。
▲ 图3: 用于歧管干燥腔的 Lyovapor 样品容器。
对于圆底烧瓶，液体样品可以在装有干冰或液氮的冷却浴中旋转冷冻。旋转使样品均匀分布在烧瓶内壁上，形成约2厘米厚的薄层（具体取决于样品体积和烧瓶尺寸）。与在传统冰箱中静态冷冻的样品相比，这种方法显著增加了可用的升华表面积，将冷冻干燥时间减少高达 50%。
▲ 图4: 使用 Rotavapor R-300 和杜瓦瓶附件进行旋转冷冻（左）。在有（红色）和没有（蓝点）旋转冷冻的情况下，每烧瓶的升华速率（g/烧瓶）对比（右）。
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真空和温度设定
不设定具体压力值的冷冻干燥——也称为低压干燥——是最简单的方法。然而，设定并精确维持压力可以显著缩短干燥时间，并获得更可重复、更可靠的结果。
压力控制是高效升华的关键：升华由对流热传递以及冷凝器冰面与冷冻样品之间的压力差驱动。将设定压力从 0.2mbar 增加到 1mbar 可使升华速率提高约 5%。
先进真空控制确保精度和可重复性：BüCHI Lyovapor? 系统配备主阀、调节阀和充气阀。这使得在 1 至 0.03mbar 范围内可实现仅 ±5% 偏差的精确真空控制。结果是最大化的过程一致性和可重复性。
通过可加热搁板提升性能：升华需要能量输入；对于放在搁板上的样品，热量通过传导传递。增加热量输入会加速干燥，但必须与样品的临界温度相平衡，以避免产品损坏。
可控加热实现安全高效干燥：可加热搁板是提供热能最常见的附件。搁板温度根据设定的程序自动调整。结合样品温度探头，可以实时跟踪加热的影响。这些温度数据对于开发优化的冷冻干燥程序（具有理想的压力和搁板温度设定）至关重要，可确保快速干燥并防止样品塌陷。
▲ 图5: 用于持续热能供应的加热搁板以及与样品温度跟踪的连接。
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终点判定
在冷冻干燥过程的三个阶段中，初级干燥是迄今为止最长的阶段。优化此步骤可以显著节省时间并提高整体过程效率。缩短一次干燥的持续时间，同时确保不过早结束，对于保持产品质量至关重要。
过早结束初级干燥（在冰完全去除之前）可能导致严重的产品缺陷，如塌陷或低共熔混合物熔化。影响此阶段持续时间的因素有多个：
样品浓度。
样品体积和尺寸。
样品容器的类型和几何形状。
即使在大体相同的条件下，不同批次的一次干燥时间也可能不同。由于这种可变性，拥有一个自动检测初级干燥终点的方法将带来经济和质量上的双重优势。
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压力差测试
该技术依赖于两种类型的压力计：皮拉尼传感器和电容压力计。
皮拉尼传感器基于热导率测量压力，并且仅在其校准条件下（通常在纯氮气或空气环境中）提供准确读数。由于水蒸气的热导率大约是氮气的两倍，当系统中仍存在水蒸气时，皮拉尼传感器将显示较低的压力读数。
相比之下，电容压力计独立于气体成分测量绝对压力。它基于传感器内电容的物理变化来检测压力变化，而不是基于热导率。这使其成为无论存在何种蒸汽类型时实际压力的更可靠指标。
压力差测试适用于各种干燥腔，包括歧管系统和配备加热搁板的 PMMA 干燥腔。一旦所有样品都牢固连接到歧管且系统正确密封，即可手动开始测试。
▲ 图6: 适用于带搁板干燥腔和歧管应用的压力差测试。
通过比较两个传感器的读数，可以确定一次干燥的终点。当皮拉尼传感器和电容压力计的读数之差落在较小范围内（通常在 0.025 到 0.05 mbar 之间）时，表明升华几乎完成，初级干燥已结束。
为建立用于终点检测的可靠压力差值，建议使用代表性测试配方进行多次测试运行。此外，在每次冷冻干燥循环之前，必须进行真空测试以校准皮拉尼传感器。该校准对于确保整个干燥过程中压力读数的准确性至关重要。
▲ 图7: 皮拉尼传感器（深蓝色），电容传感器（浅蓝色），初级干燥终点（A）。
压力差测试已被证明能有效准确地确定干燥终点，与传统方法相比具有明显优势。它不限于纯水性样品，也适用于水-溶剂混合物。通过精确识别初级干燥的结束，该方法提高了可重复性，并通过防止过早终止干燥过程来确保产品干燥度。
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温度差测试
该测试使用热电偶测量产品温度，并将其与产品所放置搁板的设定温度进行比较。在升华过程中，产品温度保持低于搁板温度，因为需要搁板的热量来驱动相变。一旦升华完成，产品温度上升并接近搁板温度。当产品温度与搁板温度匹配时（通常温差小于 1℃，即认为初级干燥完成。
关键注意事项包括：
由于热量通过探头导线传导，装有热电偶的样品瓶可能无法准确代表整个批次，导致带热电偶的样品比其他样品干燥更快。
当将其集成到包含初级和次级干燥阶段的干燥程序中时，该测试允许自动优化初级干燥时间并平滑过渡到次级干燥。
将温度测量与压力差测试相结合可增强终点判定，因为两种方法通常同时达到终点并提供相当的精度。这种双重方法适应各种样品条件：
无法放置热电偶的样品依赖于压力差测试。
初始湿度非常低（低于压力传感器检测限）的样品更适合基于温度的终点检测。
▲ 图8: 使用压力差和温度差测试监测 50mg/mL 甘氨酸溶液的冷冻干燥循环，终点标准设定为压力差 0.025 mbar 和温差小于 0.5℃。图表显示了初级和次级干燥阶段搁板温度（黄色）、样品温度（红色）、腔室压力（橙色）和皮拉尼传感器读数（蓝色）。图中也标出了达到压力终点（黑色实线）和温度终点标准（黑色虚线）的时间点，展示了干燥参数的精确控制和同步。
BüCHI 的 Rotavapor R-80/R-180、Pure Essential 和 Lyovapor? L-210/L-250 系统旨在支持从纯化到溶剂去除和冷冻干燥的集成实验室工作流程。此配置的一个关键优势是三个系统间的玻璃器皿兼容性。标准的 Rotavapor? 烧瓶可用于收集来自 Pure Essential 色谱的馏分，然后直接转移到旋转蒸发仪进行溶剂去除，随后再转移到冷冻干燥机进行稳定化处理。这减少了步骤间的烧瓶转移需求，有助于最大限度地减少样品损失，并简化整个工作流程中的可追溯性。
▲ 图9: 蒸发烧瓶与 Rotavapor R-80 和 R-180（左）、Pure Essential（中）以及 Lyovapor? L-210 或 L-250（右）兼容。
Pure Essential 和 Rotavapor R-80 系统都针对紧凑的台式使用进行了优化。允许将两台仪器紧密放置，节省实验室空间，并实现连续样品处理过程，支持实验室资源的高效利用，同时保持过程完整性。紧凑的 Lyovapor 系统可以安装在推车上以节省实验台空间。此外，Lyovapor? 出色的冷却性能使得能够在一台冷冻干燥仪器中干燥来自纯化步骤的大量样品，带来稳定的冷冻干燥样品饼块以及冰凝器上完全的溶剂收集，确保安全的实验室环境。
瑞士步琦
BUCHI 集团是实验室蒸发、提取、浓缩、纯化、干燥及化学合成等前处理和分析技术的市场领导者。旋转蒸发仪、平行蒸发仪、喷雾干燥仪、冷冻干燥、固液萃取仪、中压/高压制备液相色谱、超临界流体色谱、二维液相色谱、凯氏定氮系统、熔点测定仪、近红外光谱仪等相关产品构成了 BUCHI 实验室前处理与分析技术的产品线。同时，BUCHI 还提供从便携式，实验室到在线过程近红外分析的全套解决方案，确保数据的准确性与可靠性。BUCHI 与全球广大科学家进行着密切的合作, 支持其在科研道路上不断探索。我们致力于为客户提供智慧实验室整体解决方案, 帮助客户获得成功。
BUCHI 成立于1939年，集团总部位于瑞士的弗拉维尔，在美国、中国、日本、印度、巴西、英国等国家都设有分公司或代表处。 步琦实验室设备贸易（上海）有限公司 是 BUCHI 集团在华设立的全资子公司，主要负责为中国市场提供产品、技术和服务支持。2024年步琦仪器设备（上海）有限公司成立，致力于为中国客户提供国产化设备服务。
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