凍干工藝開發關鍵溫度---玻璃態轉變溫度（Tg’、Tg)

前言

樣品的玻璃態轉變溫度（Tg'），是凍干工藝開發前樣品需要檢測的最基本的關鍵溫度之一；
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；
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揮參考和指導作用。

概念：

玻璃化轉變溫度（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晶和析出，剩余冷凍濃縮溶液的濃度逐漸增加，當達到某一溫度時，很小的溫度變化就導致冷凍濃縮溶液黏度的顯著增加同時冰不再結晶析出，此時的溫度叫玻璃化轉變溫度(Tg’)，即指最大濃縮溶液發生玻璃化轉變的溫度；

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

圖一：溫度和樣品流動能力的關系

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

原理相關的基本：

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，橫坐標為蔗糖濃度；

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

靠近橫坐標的最右端，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；

縱坐標為溫度（產品溫度而非板層溫度）；
處方為無定形物質或者含有無定形物質的部分結晶物質樣品，則可以在凍干過程中選擇此溫度作為關鍵溫度指導凍干工藝；

預凍階段，純的冰晶不斷析出，剩余冷凍濃縮溶液的濃度逐漸增加，當達到某一溫度時，很小的溫度變化就導致冷凍濃縮溶液黏度的顯著增加同時冰不再結晶析出，此時的溫度為玻璃化轉變溫度(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雜現象非常重要，所以我補充一張圖，希望能夠幫助大家理解）：

圖三：預凍降溫階段不同物質發生的相變

一次干燥階段為升華階段，Tg'保持不變；

升華干燥結束后，進入二次干燥階段為干相物質Tg參數工作階段；

Tg對于一個樣品來說，不是一個固定的數值；

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

一個經驗數值為，水分每增加1%則產品Tg降低10℃；

二次干燥或者產品存儲階段，如果產品溫度高于Tg，則會導致產品發生塌陷；

Tg'、Tg與凍干工藝參數結合：

圖四：關鍵參數在凍干工藝過程中的指導作用曲線由TELSTAR中試凍干機生成

預凍階段，產品溫度需低于Tg‘;
如果預凍階段加入退火，則退火溫度高于Tg‘低于初始融化溫度；

一次干燥階段，產品溫度需低于Tc或者Tg’；

非常要注意的是：是產品溫度而非板層溫度；

產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，產品溫度低于Tg；

以上為凍干工藝開發的一條條“紅線"，也是凍干工藝曲線申報時，每個參數設置合理的依據；

Tg'與Tc及塌陷的關系：

常常有同學問我，產品的Tg'和Tc是什么關系。

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

Tc為樣品發生塌陷時被觀察，這個時刻所對應的溫度；

圖五：塌陷發生的過程

圖五清晰的表達了塌陷發生的過程；

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

冷凍濃縮矩陣溫度超過Tg'是塌陷現象發生的起點；

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象，通常發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"對產品影響騰挪的一個區間.

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