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冷凍干燥的原理及操作步驟

冷凍干燥是指通過(guò)升華從凍結(jié)的生物產(chǎn)品中去除水分或其他溶劑的過(guò)程。升華指的是溶劑，比如水，象干冰一樣，不經(jīng)過(guò)液態(tài)，從固態(tài)直接變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程。冷凍干燥得到的產(chǎn)物稱作凍干物（lyophilizer），該過(guò)程稱作凍干（lyophilization）。

為什么要選擇冷凍干燥？

傳統(tǒng)的干燥會(huì)引起材料皺縮，破壞細(xì)胞。在冰凍干燥過(guò)程中樣品的結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，因?yàn)楣腆w成份被在其位置上的堅(jiān)冰支持著。在冰升華時(shí)，它會(huì)留下孔隙在干燥的剩余物質(zhì)里。這樣就保留了產(chǎn)品的生物和化學(xué)結(jié)構(gòu)及其活性的完整性。

在實(shí)驗(yàn)室中，凍干有很多不同的用途，它在許多生物化學(xué)與制藥應(yīng)用中是不可缺少的。它被用來(lái)獲得可長(zhǎng)時(shí)期保存的生物材料，例如微生物培養(yǎng)、酶、血液、與藥品，除長(zhǎng)期保存的穩(wěn)定性以外，還保留了其固有的生物活性與結(jié)構(gòu)。為此，凍干被用于準(zhǔn)備用做結(jié)構(gòu)研究（例如電鏡研究）的組織樣品。冷凍干燥也應(yīng)用于化學(xué)分析中，它能得到干燥態(tài)的樣品，或者濃縮樣品以增加分析敏感度。凍干使樣品成分穩(wěn)定，也不需改變化學(xué)組成，是理想的分析輔助手段。

一、冷凍干燥的實(shí)現(xiàn)

冷凍干燥可以自然發(fā)生。在自然情況下，這一過(guò)程緩慢而且不可預(yù)測(cè)。通過(guò)冷凍干燥系統(tǒng)，人們改進(jìn)、細(xì)分了很多步驟，加速了這一過(guò)程。

二、冷凍干燥系統(tǒng)

一個(gè)基本的冷凍干燥系統(tǒng)包括：

⒈一個(gè)干燥室或者多歧管

⒉一個(gè)抽真空系統(tǒng)克服阻礙因素和加速氣體流動(dòng)

⒊一個(gè)熱源提供能量

⒋一個(gè)低溫冷凝器，用于使蒸氣壓差并捕捉蒸氣使之凍結(jié)，避免水蒸氣污染真空泵。

三、冷凍干燥的步驟

冷凍干燥過(guò)程包含三個(gè)步驟：⒈預(yù)凍，為接下來(lái)的升華過(guò)程準(zhǔn)備樣品。 ⒉初級(jí)干燥，在此過(guò)程中，冰升華而不融化。 ⒊次級(jí)干燥，在此過(guò)程中，鍵和于固體物質(zhì)的殘留水分被除去，從而留下干燥樣品，這一步驟對(duì)保存樣品的穩(wěn)定性非常重要。在殼式預(yù)凍中，凍干瓶中的樣品浸放在低溫?zé)醾鲗?dǎo)液體里旋轉(zhuǎn)，液體樣品沿凍干瓶圓周內(nèi)壁結(jié)凍，以達(dá)到更大的表面積。這層薄的結(jié)凍層能讓水分子更加容易地穿過(guò)。一旦樣品結(jié)冰，就可以與冷凍干燥系統(tǒng)連接了。初級(jí)和次級(jí)干燥發(fā)生在樣品瓶被連接到凍干系統(tǒng)時(shí)，樣品立刻暴露在一個(gè)真空條件下，從而克服氣流阻力。同時(shí)熱量被提供做能量。為接在干燥箱或多歧管的凍干瓶和其它玻璃容器提供熱量的熱源是室溫空氣浴。在自動(dòng)壓蓋上箱，是加熱層供給。真空和熱量這些條件可幫助從冰中升華出的水蒸氣更容易地流離樣品和表層已凍干的物質(zhì)。

四、冷凍干燥過(guò)程的幾個(gè)因素

冰凍樣品的升華效率取決于幾個(gè)因素。其中*重要的冷凍產(chǎn)品與收集器之間的氣壓差。效的冷凍干燥發(fā)生在樣品在它所能承受的溫度，同時(shí)仍能保持冰凍狀態(tài)，與此同時(shí)收集器溫度和系統(tǒng)真空度保持在所能達(dá)到的*低值。干燥時(shí)間的變化依賴于被冷凍干燥的材料的低共熔溫度。對(duì)于絕大多數(shù)的生物材料，這個(gè)溫度低于0oC，有的甚至要低至-40 oC。高的氣壓差和溫差將產(chǎn)生有效的干燥。在初級(jí)凍干完成后，所有的冰即被升華。但是結(jié)合水仍舊存在于產(chǎn)品中，在次級(jí)干燥時(shí)，*后相的干燥，牢固鍵合于固體樣品的水，被稱為吸收水轉(zhuǎn)變成蒸氣。這一過(guò)程被稱為解吸作用。解吸是一個(gè)緩慢的過(guò)程，因?yàn)槲账纫后w水在同一溫度下氣壓更低。冷凍干燥在樣品和收集器的蒸氣壓力相等時(shí)徹底完成。如果樣品在未完全干燥時(shí)過(guò)早的脫離系統(tǒng)，它也許會(huì)很快的降解和失去結(jié)構(gòu)及生物性能。

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