在實驗室冷凍干燥過程中，確定凍干終點是最關鍵卻又最容易被誤判的環節之一。過早結束凍干會導致產品含水量超標、儲存期塌陷或活性下降；而過長的凍干時間則浪費設備資源、降低實驗通量。不同于工業批次依賴大量歷史數據建模，實驗室場景更需要在有限樣品量條件下，準確、實時地判斷主干燥和二次干燥的終點。本文詳細闡述壓力升測試與露點判斷法兩種主流技術的原理與實操步驟，幫助實驗人員獲得穩定可靠的凍干結果。
 

　　一、為什么不能僅靠時間和溫度判斷終點
 

　　許多初入門的實驗人員習慣按照“固定時間+固定溫度”的工藝表運行凍干機。然而，凍干速率受樣品裝量、容器傳熱、凍干機性能、真空度波動以及樣品本身配方(如賦形劑種類、固含量)等諸多因素影響。同一個工藝參數在不同批次中，主干燥實際完成時間可能相差數小時。依靠預設時間結束主干燥，要么導致二次干燥階段仍存在大量冰晶，要么白白延長了整體周期。因此必須引入基于實時物理信號的終點判定方法。
 

　　二、壓力升測試法：原理與實操要點
 

　　原理簡述：
 

　　壓力升測試的核心依據是：在主干燥階段，產品中的冰晶不斷升華產生水蒸氣，這些水蒸氣被冷凝器捕獲。如果產品中仍然存在冰晶，當關閉凍干箱與冷凝器之間的閥門(或在中試及以上設備中關閉隔離閥)后，箱體內水蒸氣分壓會持續上升，壓力升高速率大于設備基準泄漏率。反之，當所有冰晶均已升華完畢，關閉閥門后壓力升高僅由設備本底泄漏和產品結合水極少量的脫附引起，升壓速率非常接近于空載泄漏率。因此，通過監測單位時間內的壓力增加量，可以客觀判斷主干燥是否結束。
 

　　操作步驟(實驗室常用方式)：
 

　　1.設定測試條件
 

　　在預計主干燥接近完成時(通常可依據產品溫度探頭升至擱板溫度附近)，將試驗性壓力升測試編入工藝程序，或手動執行。設定閥門關閉時間為1～5分鐘，實驗室常用2分鐘。關閉時間過短(<1分鐘)壓力變化過小不易分辨；過長則可能導致產品短暫受熱(尤其當箱體密封良好、升壓不明顯時)。
 

　　2.測量基準泄漏率
 

　　在同批次凍干開始前，務必對空載冷態系統進行一次壓力升測試，記錄該設備的本底泄漏率(例如2分鐘內壓力上升不超過5 Pa)。該值作為判斷終點的對照基線。
 

　　3.執行過程
 

　　當產品溫度探頭達到設定擱板溫度并穩定一段時間后，觸發壓力升測試：關閉箱體與冷凝器之間的閥門，實時記錄箱體壓力值。
 

　　主干燥尚未結束：壓力迅速上升，2分鐘內升幅可能超過20～50 Pa(具體數值與設備容積、裝液量有關，但通常明顯高于本底泄漏率)。此時應打開閥門恢復真空，繼續主干燥30～60分鐘后再測試。
 

　　主干燥已結束：壓力緩慢上升，2分鐘升幅僅比本底泄漏率高2～5 Pa，或基本持平。當連續兩次壓力升測試結果均指示無顯著升華產生，即可結束主干燥。
 

　　常見誤區與注意事項：
 

　　1.誤判基準泄漏率：若凍干機真空系統本身存在微小泄漏，壓力升測試的升壓主要源于外界空氣進入，掩蓋了水蒸氣信息。因此每次實驗前必須做空載泄漏率測試，確定設備狀態良好。
 

　　2.閥門動作時機：實驗室小型凍干機常無專用隔離閥，此時可通過暫時關閉真空泵(配合放氣閥隔離等方法)制造“壓力升”環境，但需謹慎操作以防泵油反抽。更規范的做法是選用帶箱?冷凝器隔離閥的機型。
 

　　3.升壓速率閾值設定：不同產品因比表面積、殘留冰晶分布差異，嚴格閾值需實驗確定。建議初次接觸某類配方時，采用終點后取樣稱重或卡爾費休法驗證水分，反過來校正壓力升閾值。
 

　　三、露點判斷法：實時水蒸氣分壓監控
 

　　原理簡述：
 

　　露點傳感器能夠直接測量凍干箱內氣體混合物中水蒸氣的含量(通常以露點溫度或水蒸氣分壓表示)。在主干燥期間，大量水蒸氣從產品中逸出，箱體內氣體接近于水蒸氣飽和或露點較高(例如-30℃以上)。隨著冰晶減少，升華水蒸氣量下降，露點逐漸降低。當主干燥結束時，箱體內水蒸氣分壓急劇下降，露點冰點迅速跌至-50℃甚至-60℃以下，且趨于穩定。二次干燥后期，結合水的脫附也會引起微弱水蒸氣釋放，但露點變化率已遠小于主干燥終點時的突變。露點判斷法比壓力升測試更直觀，能夠連續實時監測，無需中斷工藝。
 

　　實操方法：
 

　　1.傳感器安裝與校準
 

　　將露點傳感器安裝在凍干箱體上，確保傳感器處于氣流均勻區域且能耐受真空和低水蒸氣環境。每次凍干運行前通干燥氣體(氮氣)并抽真空，進行零點校準和跨度校準。
 

　　2.監測主干燥終點
 

　　設定工藝程序，在線記錄露點溫度隨時間的變化曲線。在主干燥階段，露點曲線維持在一個相對平臺(如-35℃～-25℃，取決于設備及樣品)。當樣品中最后一批冰晶升華完畢時，露點會出現一個快速下降拐點(從約-30℃下跌至-50℃以下)。記錄該拐點出現的時間，即為理論主干燥終點。
 

　　3.輔助判斷二次干燥終點
 

　　二次干燥階段目標是將結合水從數個百分點降到目標值(如0.5～2%)。該階段露點曲線持續緩慢下降，最終趨于一個與冷凝器溫度和真空泄漏平衡的極小值。當露點變化率連續1小時內小于0.2℃/分鐘，且實測產品溫度已升至目標最高許可溫度(例如30℃)并維持1～2小時，可結合抽樣水分測定結束二次干燥。
 

　　實操優勢與限制：
 

　　1.優勢：實時連續，不中斷真空，可自動集成到凍干曲線記錄中；對主干燥終點判斷靈敏，可精確到分鐘級別。
 

　　2.限制：高質量露點傳感器價格較高，部分實驗室凍干機不具備標準接口；傳感器需定期校準，并防止被揮發性有機溶劑或油脂污染；在極小樣品量(<2mL/瓶)或極低升華通量條件下，露點降幅可能不夠明顯，需配合壓力升測試聯合判別。
 

　　四、兩種方法的選擇與聯用策略
 

　　壓力升測試適用于絕大多數實驗室凍干機(即使只有真空計和隔離能力較差的老舊機型也可改造使用)，是一種“侵入式但普適”的方法；露點判斷法更先進、連續，但依賴專用硬件。通常推薦的實操策略是：
 

　　基礎配置：采用壓力升測試作為主干燥終點的核心判據，并在關鍵批次中配合二次干燥結束前取樣進行水分驗證。
 

　　高級配置：同時安裝露點傳感器和真空計。在主干燥前期和中段依靠露點趨勢指導工藝修正；在主干燥預期終點前后執行一次壓力升測試作為交叉確認。兩種結果一致時，可高度確信凍干終點。
 

　　二次干燥終點：壓力升測試對結合水結束判據不敏感(脫附速率本身很低)，因此二次干燥終點應更多依賴于產品溫度達到設定值后的恒溫時間+抽樣水分測試。露點變化率趨于平臺可作為輔助判斷信號。
 

　　五、實操案例推演(以10%蔗糖溶液為例)
 

　　設定2mL西林瓶裝填1mL 10%蔗糖溶液。
 

　　主干燥預估階段：擱板溫度-5℃，真空10 Pa，運行20小時后，產品溫度探頭讀數為-3℃。此時執行壓力升測試：閥門關閉2分鐘，壓力從12 Pa升至45 Pa，升幅33 Pa，遠高于空載泄漏率(2分鐘升3 Pa)，判定仍有冰晶。繼續干燥4小時后再次測試：2分鐘壓力從12 Pa升至19 Pa，升幅7 Pa，且露點傳感器顯示露點從-32℃下降至-49℃出現拐點。據此判斷主干燥結束。
 

　　二次干燥階段：擱板升溫至30℃，真空壓力維持1 Pa。露點從-50℃緩慢降至-62℃。在30℃恒溫3小時后，露點變化率趨近于0，壓力升測試2分鐘升幅僅4 Pa。取樣測定殘余水分0.8%，符合要求，結束凍干。
 

　　六、結語
 

　　確定凍干終點是冷凍干燥工藝的核心技術之一。壓力升測試以冰晶升華產生的水蒸氣壓力響應為判據，操作簡單、不增加額外傳感器，只要掌握基準泄漏率測試和升壓閾值設定，即可顯著提高主干燥準確性。露點判斷法則實現了水蒸氣濃度的連續在線跟蹤，終點判斷更及時、更智能。無論采用哪一種方法，實驗人員都應當摒棄單純依靠時間表的習慣，將實際物理信號作為凍干終點的核心依據，從而在保證產品質量的同時，優化凍干周期效率。最終，針對不同產品和設備條件，靈活組合兩種方法，是實驗室實現穩健凍干工藝的可靠路徑。