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干貨 | DSC在凍干工藝優(yōu)化中的應(yīng)用
更新時間:2023-05-10 瀏覽次數(shù):1617
冷凍干燥是把含有大量水分的物料在低溫下冷凍,然后將其由固態(tài)直接升華為氣態(tài)的一種干燥技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定蛋白質(zhì)、多肽等生物藥物制劑的干燥。凍干技術(shù)具有高度的特異性,需要高度可控的生產(chǎn)方案,因此需要設(shè)計合理的凍干工藝。
合理的凍干工藝設(shè)計是建立具有代表性和準(zhǔn)確的關(guān)鍵配方溫度測量的基礎(chǔ)上的。在初級干燥中為了避免產(chǎn)品坍塌或收縮,必須將樣品溫度控制在關(guān)鍵溫度以下,這個溫度被稱為"臨界配方溫度"。
對于晶體體系,最大耐受溫度是共晶溫度;對于非晶體系,臨界溫度取決于應(yīng)用的分析方法,一般以最大凍結(jié)濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’或塌陷溫度Tc表示。過去幾十年,差示掃描量熱儀(DSC)經(jīng)常被用來確定凍干臨界配方溫度。
差示掃描量熱儀(DSC)是指在程序控溫下,通過量測樣品吸收或釋放的熱量,從而定性或定量地表征樣品物理或化學(xué)變化的一種分析測試技術(shù)。
01 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’
最大凍結(jié)濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’是樣品在凍結(jié)過程中從粘性的、橡膠態(tài)液體向剛性的玻璃態(tài)體系的可逆轉(zhuǎn)變。
如圖1所示,當(dāng)樣品溫度低于冰點后開始形成小冰晶,隨著溫度繼續(xù)降低,溶液濃度增加,直到到達共晶點Teu形成共晶體;此時仍有部分溶液不能形成共晶,這部分溶液隨著溫度繼續(xù)降低以非晶態(tài)形成過飽和溶液,最終wan全固化形成玻璃態(tài),此時對應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’。
DSC是常用的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度表征技術(shù),以玻璃化轉(zhuǎn)變過程中熱容Cp的階躍變化為特征,表征比熱階躍變化而帶來的熱流階躍變換。
以圖2的DSC熱流曲線為例,左圖是從10℃降溫到-60℃(藍色曲線),再升溫(綠色曲線)的過程。藍色曲線中可以看到非常明顯的水的結(jié)晶放熱現(xiàn)象,將升溫曲線放大到右側(cè)可以看到明顯的臺階式變化,即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’=-36.6℃。
圖2 凍干溶液的DSC曲線
02 共晶熔融溫度Teu
晶體體系的最大耐受溫度就是共晶熔融溫度。DSC也是常用的表征方法,在加熱過程中,熱流曲線上表現(xiàn)為明顯的吸熱峰,將吸熱峰的外推起始點溫度(Onset溫度)定義為共晶熔融溫度。
圖3 共晶熔融溫度測量熱流曲線
03 表征非晶態(tài)中水的結(jié)晶
非晶態(tài)中水的結(jié)晶:由于凍結(jié)過程過快,一些可以結(jié)晶的水以無定型留在玻璃態(tài)基質(zhì)中。當(dāng)對樣品加熱,當(dāng)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’時,亞穩(wěn)態(tài)的玻璃會重新"液化",并在足夠的時間內(nèi)發(fā)生結(jié)晶。調(diào)制DSC技術(shù)可以表征該過程的復(fù)雜相變。
調(diào)制DSC(MDSC)技術(shù)采用正弦升溫速率,將DSC總的熱流信號分成可逆熱流信號(樣品熱容)和不可逆熱信號(動力學(xué)相關(guān)項)。如圖4所示,可以得到紅色的總熱流曲線,藍色的可逆熱流曲線和綠色的不可逆熱流曲線。
圖4 調(diào)制DSC熱流曲線
以圖5的40%凍干蔗糖水溶液為例,采集調(diào)制DSC升溫曲線,可以得到3條熱流曲線。首先分析綠色的總熱流曲線,看到玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶過程非常接近,普通的DSC曲線很難區(qū)分;而調(diào)制DSC可以看到明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(藍色),也可以很清晰的看到水的結(jié)晶。
圖5 凍干蔗糖溶液的調(diào)制DSC曲線
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