1 引言
在实际冻干过程中，样品没有完全冻结是导致冻干失败的主要原因之一，而保证样品完全冻结，需要了解样品的关键参数，包括共晶温度Te和玻璃态转变温度Tg’。然后我们发现许多朋友对这两个温度的认识存在模糊的地方，许多问题没有理解清楚，比如，电阻率测试得到的是哪个温度？搁板温度设置选用哪个温度作为参考？又比如，退火一般要求样品温度低于共晶点温度，高于玻璃态转变温度，一个样品能否同时具有玻璃态转变温度和共晶点温度？在这篇文章中，我们将针对这些问题进行一一解答。
2 Te和Tg’的定义
在解答这些问题之前，我们需要首先简单回顾下共晶点温度和玻璃态转变温度的定义，图1是经典的冻干过程转变相图示意图。
图1 相图示意图
从上图中可以看出，对于前驱体溶液而言，不管是共晶转变还是玻璃态转变，在前期都经历了过冷、成核以及冻结等过程，两者的区别在于当剩余未冻结溶液浓度到达临界值（共晶点浓度或者最大浓缩浓度），发生的物理现象有所区别。这主要取决于溶液的物质组成，对于晶体（Crystalline）物质而言，其发生的就是共晶转变，而对于无定形（Amorphous）物质而言，其对应的液固相变即为玻璃态转变。
3 电阻率测量与Te/Tg的关系
在目前大多数冻干机中，都是采用电阻率探头对样品的温度进行测量，电阻率测量原理在于在溶液冻结后，其中的带电粒子移动受到限制，导致测量出的电阻率增大，通过这一特性，可以判断溶液是否完全冻结。
那么这就带来一个问题，我们在实际过程中测量出来的是共晶点温度还是玻璃态转变温度。目前大多数宣传的是用电阻率测量共晶点温度，而在实际冻干过程中，溶液中组分非常多，包括了API，赋形剂，保护剂等物质，绝大部分样品都属于无定形物质，其发生转变对应的温度是Tg’而非Te。即使对于少部分晶体物质，其测量出来的也不是真正的共晶点温度，因为一方面，共晶转变也存在过冷现象，另一方面，当共晶转变开始时，仍然存在液体，此时测量的电阻率仍然未达到最大值，只有在共晶转变完成后，电阻率才能达到最大值。从以上分析可以看出，通过电阻率测量确定的并不是图1所示相图上对应的Te点，而是位于Te以下的一个温度点。而这对于玻璃态转变过程也是类似的。Te和Tg’的准确测量需要通过差热扫描仪（DSC）得到，具体分析可以看我们以前的文章。罗博讲冻干009：怎么理解DSC的数据？
通过上述分析可以看出，通过电阻率探头得到的并不是相图上的Te或者Tg’，其对应的是样品完全冻结的温度，我们称之为冻结温度Tf。这一温度对于设置冻结过程参数具有重要意义，在实际冻结过程中，只需要保证样品温度低于冻结温度，便能保证样品冻结完全。
而准确测量冻结温度Tf的前提在于电阻率，我们的设备配备了原位在线实时电阻率测量功能。目前许多厂家的电阻率测量是离线测量，而不同降温方式得到的冻结温度是不一样的，开谱冻干机采用在线电阻率测量，能更加精准地得到样品的冻结温度，在设置搁板温度时更有针对性。实际测量得到的电阻率曲线和其他冻干参数曲线如下图所示，可以准确的确定冻结温度，为设置搁板温度提供参考。
图2 实测电阻率及冻干参数曲线
开谱原位冻干机实时监测样品情况
4 搁板温度设置与Te/Tg’的关联
上面讲解了共晶温度Te，玻璃态转变温度Tg’和通过电阻率探头测量得到的冻结温度Tf。而在实际操作过程中，样品温度是不能直接调控的，能够改变的只有搁板温度，搁板与样品之间存在温差，因此，搁板温度往往比样品的共晶点温度/玻璃态转变温度要低十几度，一般来说，会选取Tg’作为设置搁板温度的标准，从实验数据来看，共晶温度Te往往高于玻璃态转变温度Tg’。使用Tg’相对而言安全些。而从上面的分析也可以看出，当使用冻结温度Tf时，搁板与样品之间的温差可以比以Tg’作为基准的情况设置低一些，因为此时不需要考虑样品可能存在过冷温差。至于搁板与样品之间的温差，这需要视情况而定，需要考虑的因素包括样品装载量、样品高度、外界热辐射等。
5 样品是否能同时具有Tg’和Te？
冻干有时候会引入退火步。而在退火步骤中，一般要求退火温度高于玻璃态转变温度Tg’低于共晶点温度Te。这就引入了一个新问题，对于一个物质，是既可以有玻璃态转变温度Tg’，又可以有共晶点温度Te吗。答案是肯定的，最典型的就是速冻保存细胞，在冻细胞的过程中，为了避免细胞内部形成冰晶刺破细胞，一般会采用液氮速冻，促使样品内部形成玻璃态，从而避免冰晶的形成。从微观角度上分析，当降温速率过快时，分子没有足够的时间形成有序的晶体结构，最终表现出来就是无定形形态，而退火的原理也是将样品加热到高于Tg’的温度，而后在冷却，使样品中无定形的部分转变为液态后重新结晶，形成新的内部结构。
6 结论
在这篇文章中，我们首先结合相图回顾了共晶点温度和玻璃态转变温度的定义，而后从电阻率检测的原理出发，为大家分析了电阻率检测得到的温度的含义，通过我们自己的实验经验，引入了冻结温度Tf这个概念，并对如何通过这几个关键温度进行搁板温度设置进行了说明，最后针对样品能否同时存在玻璃态转变温度和共晶温度进行了说明，希望这些内容能为大家进行冻干工艺设计提供帮助。
