利用差示掃描量熱法（DSC）在監(jiān)測凍干過程中的二次結(jié)晶過程

瀏覽次數(shù)：1103　發(fā)布日期：2025-3-10　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

利用差示掃描量熱法（DSC）、同步加速器 X 射線衍射法以及熱通量傳感器監(jiān)測二次（溶質(zhì) + 水）結(jié)晶過程

凍干過程中輔料的結(jié)晶會對生產(chǎn)過程（如干燥速率）和成品質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。在本研究中，通過差示掃描量熱法（DSC）、低溫同步加速器小角和廣角 X 射線衍射法（XRD）以及熱通量傳感器（HFT，安裝在米爾羅克科技公司配備 LyoPAT II 的 MicroFD 凍干機(jī)擱板上）對水 + 氯化鈉以及水 + 表面活性劑（泊洛沙姆）二元溶液進(jìn)行了研究。在 HFT 實(shí)驗(yàn)中，在冷卻 / 升溫循環(huán)過程中測量層板與樣品瓶之間的熱通量。對于氯化鈉 - 水溶液，HFT 檢測到冷卻過程中的初級冰核形成和二次溶質(zhì) + 水結(jié)晶（相當(dāng)于二元體系的共晶結(jié)晶），以及升溫過程中的二次（共晶）溶質(zhì) + 冰和冰的熔化。泊洛沙姆 - 水體系的行為更為復(fù)雜，在冷卻過程中至少發(fā)生了三個連續(xù)的轉(zhuǎn)變，即初級水結(jié)晶、液晶（暫定為立方相）相的形成，以及最終具有三維平移有序的結(jié)晶泊洛沙姆相的出現(xiàn)。該研究證實(shí)，基于實(shí)驗(yàn)室測試（DSC 和 XRD）觀察到的結(jié)晶行為可能與實(shí)際凍干過程中配方的行為不同，同時(shí)表明 HFT 是一種有用的非侵入性工具，可用于監(jiān)測樣品瓶中輔料的結(jié)晶情況。

凍干時(shí)輔料結(jié)晶會影響生產(chǎn)過程與成品質(zhì)量。本研究利用DSC、低溫XRD和HFT，對水+氯化鈉和水+泊洛沙姆溶液的展開研究，對水 + 氯化鈉、水 + 泊洛沙姆二元溶液展開研究。HFT 實(shí)驗(yàn)測量冷卻 / 升溫循環(huán)時(shí)擱板與樣品瓶間熱通量。研究發(fā)現(xiàn)，氯化鈉 - 水溶液冷卻時(shí)有初級冰核形成和二次溶質(zhì) + 水結(jié)晶，升溫時(shí)有二次溶質(zhì) + 冰和冰的熔化；泊洛沙姆 - 水體系冷卻時(shí)至少經(jīng)歷三個轉(zhuǎn)變。研究證實(shí)，實(shí)驗(yàn)室測試與實(shí)際凍干中結(jié)晶行為有差異，HFT 可用于監(jiān)測輔料結(jié)晶。

目的

評估在凍干過程中使用熱通量傳感器檢測二次溶質(zhì) + 水結(jié)晶的可行性。

方法

使用 0.22μm 過濾器過濾二元模型溶液水 + 氯化鈉（溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 和 15%）和水 + 泊洛沙姆（溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 和 10%），將其裝入玻璃樣品瓶，并放置在米爾羅克科技公司 MicroFD 凍干機(jī)（如下圖所示）的 HFT 上方。在不同測試中分別使用 1 個或 7 個樣品瓶；下圖展示了使用 7 個樣品瓶的實(shí)驗(yàn)裝置照片。在冷凍 / 解凍循環(huán)過程中，通過熱電偶監(jiān)測產(chǎn)品溫度。HFT 實(shí)驗(yàn)采用受控冰核形成方法。共進(jìn)行了 13 次實(shí)驗(yàn)。

對溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10% 的泊洛沙姆 - 水溶液，同時(shí)采用 DSC 和低溫同步加速器小角和廣角 X 射線散射法（WAXS/SAXS）進(jìn)行研究；對溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.63% 和 0.17% 的泊洛沙姆 - 水溶液，采用 DSC 進(jìn)行研究。SAXS/WAXS 實(shí)驗(yàn)在法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射設(shè)施（ESRF）進(jìn)行。

結(jié)果：DSC

圖 1. 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%（左）和 0.17%（右）泊洛沙姆溶液的 DSC 冷卻 / 加熱曲線。在質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10% 的溶液升溫過程中，于 - 45℃至 - 35℃之間觀察到溶質(zhì) + 水結(jié)晶現(xiàn)象。在質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.63%（未展示）和 0.17% 的溶液中，無論是冷卻還是升溫過程中均未檢測到結(jié)晶事件。

結(jié)果：sSAXS/WAXS

圖 2a. 室溫下 P188 的 SAXS（右）和 WAXS（左）圖譜。SAXS 圖譜中峰位置的比值為 1.82，接近六方相的特征比值 1.73。

圖 2b. 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10% 泊洛沙姆溶液冷卻過程中獲得的低溫同步加速器 SAXS 和 WAXS 圖譜。在 - 15℃至 - 20℃之間觀察到冰的形成（WAXS 圖譜，左圖），而 P188 的結(jié)晶峰（三維結(jié)構(gòu)）在較低溫度 - 25℃至 - 30℃之間出現(xiàn)（WAXS 圖譜，中圖）。SAXS 在與冰形成相同的溫度范圍（ - 15℃至 - 20℃，右圖），即三維結(jié)構(gòu)形成之前，檢測到長程結(jié)構(gòu)的發(fā)展。請注意，純的 “原樣” P188 具有六方結(jié)構(gòu)，而冷凍溶液對應(yīng)立方結(jié)構(gòu)。

圖 2c. 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10% 泊洛沙姆溶液升溫過程中獲得的低溫同步加速器 SAXS 和 WAXS 圖譜。升溫?cái)?shù)據(jù)顯示，P188 的熔化分兩步進(jìn)行，首先是三維位置有序性消失（WAXS，中圖， - 20℃至 - 15℃），然后是二維長程位置有序性消失（SAXS， - 15℃至 - 10℃）。
結(jié)果：HFT（15% 氯化鈉溶液）

圖 3. 15% 氯化鈉溶液冷卻 / 加熱循環(huán)的溫度和 HFT 數(shù)據(jù)（左）以及氯化鈉 - 水體系的相圖（右）。冷卻過程：HFT 檢測到初級冰形成和二次 NaCl・2H₂O + 水結(jié)晶。升溫過程：HFT 檢測到共晶熔化和冰融化。升溫過程中 HFT 測得的轉(zhuǎn)變溫度（Te = - 21℃，TL = - 11℃）與相圖中的溫度（Te = - 21.4℃，TL = - 13.1℃）接近。
結(jié)果：HFT（5% 氯化鈉溶液）

圖 4. 5% 氯化鈉溶液（7 個樣品瓶）冷卻 / 加熱循環(huán)的溫度和 HFT 數(shù)據(jù)。HFT 在冷卻過程中檢測到二次結(jié)晶，在加熱過程中檢測到二次熔化，表明其具有足夠的靈敏度。檢測到多個二次結(jié)晶事件，這表明受控冰核形成并不一定能保證二次結(jié)晶的一致性。
結(jié)果：HFT（10% 和 5% P188 溶液）

圖 5. 10%（左）和 5%（右）P188 溶液冷卻 / 加熱循環(huán)的溫度和 HFT 數(shù)據(jù)。兩種情況下在升溫過程中均檢測到 P188 + 冰的融化，HFT 測得的溫度與 DSC 和 XRD 測量結(jié)果一致。然而，HFT 未檢測到二次結(jié)晶。
結(jié)論

SAXS/WAXS：P188 的結(jié)晶 / 熔化分兩步進(jìn)行。冷卻過程中，先形成二維立方結(jié)構(gòu)，隨后發(fā)展為三維有序結(jié)構(gòu)；升溫過程中轉(zhuǎn)變順序相反，三維結(jié)構(gòu)在較低溫度下熔化，而二維立方結(jié)構(gòu)仍保持完整。

HFT：在氯化鈉 - 水溶液中檢測到二次結(jié)晶和熔化。冷卻過程中檢測到多個二次結(jié)晶事件，表明受控冰核形成不一定會導(dǎo)致一致的二次結(jié)晶。盡管在P188水體系中觀察到升溫過程中的二次熔化現(xiàn)象，但即便在最高濃度條件下，也未檢測到二次結(jié)晶，這可能與體系的過飽和度、溫度和機(jī)械攪拌等因素有關(guān)。P188 - 水體系在樣品瓶內(nèi)的行為似乎更為復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究。此外需要注意的是，根據(jù) DSC 結(jié)果，在冷凍溶液升溫過程中觀察到 P188 結(jié)晶，而 SAXS/WAXS 在冷卻過程中檢測到 P188 結(jié)晶。

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