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后將其升高至低于共晶溫度T_e高于濕基質玻璃態轉變溫度T_g’的溫度，并維持一段時間后再降溫的工藝。其工藝曲線如圖1中紫色方框區域所示。退火處理可以有效改善樣品應力集中的問題，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，退火工藝參數設置正確與否，在很大程度決定了退火工藝是否能發揮效果。在實際過程中，大家設置退火過程的升溫速率，降溫速率和恒溫時間度主要參考經驗。在這篇文章中，我們將結合客戶委托實例，為大家分析退火參數合理設置的重要性，闡明如何基于凍干過程原理合理設置退火參數。

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。在實際測試過程中，前面三種降溫方式下樣品對應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

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升華界面，而當溫度進一步上升至-14.6 ℃時，板樣品整體亮度開始逐漸提升，內部散射點均勻性下降，局部出現微小亮斑與暗區，表明樣品內部發生了冰晶融化現象。

這一現象與塌陷測量過程中出現的冰晶融化并不相同，在塌陷測量過程中，冰晶融化是因為樣品結構塌陷，冰晶升華的水蒸氣無法排出，導致冰晶表面飽和蒸氣壓增加，從而使得冰晶溫度升高發生融化。而在圖2所示的過程中，樣品并未發生升華（未觀察到水線），樣品之所以發生融化是因為其溫度可能超過其共晶點溫度/玻璃態轉變溫度，導致冰晶融化。

從以上分析可以看出，對于該樣品，當使用慢凍+退火的條件時，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

上述現象乍看是違背常識的。一般來說，預凍速率（慢凍/快凍）會對樣品的塌陷溫度產生一定的影響，退火也會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，而不至于導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，樣品根本沒有發生升華，冰晶無法升華，也就通過升華產生的冷量降低樣品溫度，最終導致樣品溫度升高至高于共晶點溫度，導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面逸出，而這種現象出現的原因在于“結殼"。樣品側面形成了一層致密的溶質層，不存在孔隙，水蒸氣無法從其中逸出，最終導致了樣品升華失敗。

“結殼"的原因如下圖所示。

圖3 樣品外表結殼原因分析

那么這就帶來了另一個問題，為什么在其他三種預凍方式下，樣品沒有出現這種“結殼"現象，而只有在慢凍和退火形式下出現了呢。這其實和溶質遷移速度與冰鋒界面移動速度相對大小有關系。具體關系如下圖所示，而冰鋒界面移動速度與預凍速率密切相關，當預凍速率較大時，冰鋒界面移動速率就大，反之亦然。

圖4 預凍過程中溶質遷移速度與冰鋒界面速度關系示意圖

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

3.2 解決思路

基于上述思路，既然是因為冰鋒界面速度低于溶質擴散速率導致的樣品結殼現象，我們后續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時樣品干燥過程記錄。

圖5 退火降溫速率為1 ℃/min時的樣品干燥過程記錄

圖6 退火降溫速率為5 ℃/min時的樣品干燥過程記錄

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

4 結論

在這篇文章中，我們結合工程實際，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，導致樣品外表面發生結殼，冰晶無法順利升華。并給大家進一步介紹了樣品結殼現象和溶質遷移現象。這個案例說明參數的設置要有根據，而不能僅僅是根據經驗去設置。像在這次案例中，如果按照經驗去設置相應參數，那我們永遠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，我們才能更好地設置凍干工藝參數。

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