用于少量生物樣品的微波真空干燥裝置設計與應用*

孫立權 白玉迪

1 北京理工大學生物實驗教學中心 北京 100081 2 北京理工大學生命學院 北京 100081

0 引言

在生物科學研究中經(jīng)常會遇到樣品除水的問題，市場提供的熱風干燥[1]、真空干燥[2]、冷凍干燥[3]、微波干燥[4]等設備都能實現(xiàn)樣品干燥。在科研和教學中會遇到干燥少量樣品（小于2 克）的情況，尚未見報道有干燥克量級樣品的設備。

微波具有迅速加熱、可選擇性加熱、即時性加熱、均勻加熱等特點[5]，在低真空度的空間里可使樣品水分在低溫下迅速蒸發(fā)。用于少量生物樣品的微波真空干燥裝置兼顧干燥速度、溫度、樣品量等要素，能迅速、安全地干燥少量生物樣品。

1 微波真空干燥裝置的設計思路

設計的裝置要適合干燥少量生物樣品，能夠在低溫下迅速地干燥樣品并保持其生物活性。

本干燥裝置的組成如圖1 所示，主要包括微波干燥、冷卻、真空控制和液體收集等四個單元，每個單元分別由不同的部件組裝而成，四個單元之間通過管道密封連接。

圖1 微波干燥裝置示意圖

1.1 微波干燥單元

微波干燥單元包括微波加熱器（微波爐）、爐內(nèi)反應器、樣品皿和與真空系統(tǒng)連接的管道。

微波反應器選用微波反應器等專業(yè)設備，能夠更好地進行溫度和時間控制，也可以選用普通家用微波爐進行簡單改造，利用不同輸出功率擋位進行功率調(diào)節(jié)。本設計嘗試使用家用微波率改裝使用。爐內(nèi)反應器為容納樣品皿的罐裝的小容器，用聚四氟乙烯材質(zhì)或者聚醚砜材質(zhì)制造，如圖2 所示。爐內(nèi)反應器能夠密封，并有進、出氣口，進氣口與壓力控制裝置和氣體過濾裝置相連，出氣口直接與冷卻系統(tǒng)相連。樣品皿可以采用在微波爐內(nèi)不吸收微波的材料制成，可以用陶瓷或玻璃等材質(zhì)，也可以采用聚四氟乙烯或者聚醚砜材質(zhì)制備，容器尺寸為能夠恰好放入爐內(nèi)反應器為宜，樣品放入其中方便取出。

圖2 干燥反應器示意圖

1.2 冷卻單元

包括冷阱和提供低溫環(huán)境的制冷器。冷阱可以采用玻璃或者聚四氟乙烯等材質(zhì)制作的容器，冷阱的容積要能夠充分容納干燥過程中產(chǎn)生水分的液態(tài)體積的10 ～20 倍。

制冷器可以選用循環(huán)制冷裝置，要求該裝置能夠提供不高于-20 ℃的低溫浴，其中的制冷媒介可以采用乙二醇等液體，也可以采用干冰或者液氮冷卻冷阱。采用低溫氣體冷卻時，要注意氣體揮發(fā)造成的實驗室內(nèi)的氧含量降低，出現(xiàn)窒息的安全隱患。

1.3 真空控制單元

真空控制單元包括真空控制器和真空泵。真空控制器選用能夠準確地控制真空度的真空流量計或者真空控制器。由于在干燥工藝參數(shù)優(yōu)化過程中要進行真空度調(diào)節(jié)，因此，需要真空控制器可以在30 ～90 kPa 之間進行調(diào)節(jié)，并且能夠穩(wěn)定控制在一個真空度。

真空泵可以采用水循環(huán)泵或者油泵等，氣體流速要能夠滿足干燥過程中產(chǎn)生水汽抽出[5]。按照本設計要求，真空泵要最低提供-90 kPa 的真空度和大于30 L/min 的氣體流量。當樣品量更小和含有水分更少時，真空泵的氣體流量可以更小一些。

1.4 液體收集單元

液體收集單元主要用來收集從濕物料中干燥出來的水分，從干燥反應器中出來的水汽經(jīng)過充分冷凝后凝集在冷阱中為液體狀態(tài)。該單元既可以采用單獨容器進行收集干燥過程產(chǎn)生的冷凝水，也可以與冷阱合用，收集冷凝水。為了便于實驗研究，要求液體收集單元能夠定量水分。

1.5 單元間連接

由于四個單元之間連接的管路要在真空條件下使用，采用強度較高的聚四氟乙烯或者聚醚砜材質(zhì)管路。根據(jù)水汽的流通量選用管內(nèi)徑在1.25 ～10 mm 之間的管。與聚醚砜材質(zhì)比較，雖然聚四氟乙烯硬度和耐熱較差，但是在干燥過程中溫度不會超過80 ℃，而且管路材質(zhì)的柔軟性讓其使用起來更加方便。本設計中優(yōu)化結果顯示最佳管徑為8 mm，能夠很好地完成含水量80%的生物克級樣品的干燥。

2 干燥實驗和參數(shù)條件優(yōu)化

2.1 干燥裝置的組裝

在實驗中，按照前述的設計思路，該微波真空干燥裝置主要由微波干燥單元、冷卻單元、真空控制單元和液體收集單元四部分組成，按照圖1 把各部件進行組裝和連接，確認整個系統(tǒng)氣密性良好。

大部分部件采用市場購買的成型設備與器材，比如管路、接頭、坩堝、微波爐、真空泵、真空控制器和冷卻循環(huán)器等。對家用微波爐進行改裝，對比水循環(huán)泵和油真空泵等。少部分部件采用自制的部件，比如冷阱、加熱反應器和樣品皿等。

從市場直接采購的部件如下：

微波爐：P70F20CL-DG（B0），廣東格蘭仕微波生活電器制造公司；循環(huán)水式多用真空泵：SHB-Ⅲ，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；低溫攪拌反應?。篋HJF-4002，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；真空度控制器：DVR-480，Wiggens Ins Ld Co（德國）；電子天平：FA2204C，上海越平科學儀器制造有限公司。使用的干燥反應容器為聚四氟乙烯材質(zhì)的自行設計和加工的部件，如圖2 所示。使用的樣品皿利用瓷坩堝來替代。

2.2 干燥蠶絲蛋白的實驗

將蠶絲蛋白樣品作為干燥對象，使用該干燥裝置，設計和開展干燥參數(shù)條件優(yōu)化的實驗，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)結果。

將不同質(zhì)量的濕蠶絲蛋白樣品置于聚四氟乙烯反應器中的樣品皿中，選擇不同的微波功率、真空度作為工藝參數(shù)變量進行研究。微波功率以微波爐全輸出功率為100%時的五個不同比率的10%、30%、50%、70%、90%為輸出功率研究對象。樣品選擇一定含水率的五個不同初始質(zhì)量1 g、2 g、3 g、4 g、5 g樣品作為研究對象，真空度調(diào)節(jié)在-50到-90 kPa 范圍內(nèi)，選取了-90 kPa、-80 kPa、-70 kPa、-60 kPa、-50 kPa 進行單因素實驗。由于家用微波爐的加熱周期為33 s，每隔33 s 進行一次質(zhì)量稱量。當樣品的質(zhì)量的變化低于2%時，作為干燥反應的終點。

當采用樣品質(zhì)量為2 g，真空度選用-80 kPa 時，不同的微波功率干燥結果如圖3（a）所示。隨著微波功率增加，干燥速率加快。干燥過程中發(fā)現(xiàn)高功率微波干燥生物樣品容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，甚至樣品出現(xiàn)焦煳狀，因此，結合干燥時間，選擇50%的微波輸出功率作為干燥實驗的首選。

圖3 不同的微波功率干燥結果

當采用樣品質(zhì)量為2 g，微波功率為50%時，對不同的真空度進行了實驗研究，其結果如圖3（b）所示。高真空度能夠加速水分的蒸發(fā)，但是由于微波加熱快，干燥反應容器比較小，較低的真空度就能夠獲得很好的干燥效果。而獲得高真空度，要求高質(zhì)量的真空泵，也會增加設備部件的成本。實驗結果顯示-80 kPa 的真空度能夠滿足目前樣品干燥的要求。

當真空度為-80 kPa 時，微波功率為50%時，針對不同的樣品質(zhì)量進行比較。隨著樣品質(zhì)量的增加，如圖3（c）所示，干燥需要的時間增加，但并不是呈線性增加，說明微波干燥的過程樣品溫度升高非?？?，水分蒸發(fā)很迅速，尤其是少量樣品中含有的水分，并不會因為樣品質(zhì)量影響太大，主要影響因素還是微波功率和真空度。

分析上述實驗結果，獲得優(yōu)化后的干燥反應工藝參數(shù)為50%的微波功率，采用-80 kPa 的真空度，對于含水70%～80%的樣品1 ～5 g 都可以獲得較好的干燥效果。

3 三種實際樣品干燥驗證

以蠶絲蛋白的干燥工藝參數(shù)優(yōu)化結果作為依據(jù)，開展另外三種實際樣品的干燥研究。選用靈芝多糖作為生物大分子、香紫蘇醇作為小分子藥物、柴胡根作為中藥材類的代表，進行干燥驗證實驗。

按照前述優(yōu)化的工藝參數(shù)進行干燥實驗。如圖4（a）水提醇沉離心的靈芝多糖粗品2 g 放入干燥裝置，2 分鐘后靈芝多糖粗品已經(jīng)干燥結束。如圖4（b）丙酮水重結晶的香紫蘇醇晶體2 g 放入干燥裝置，經(jīng)過4.5 分鐘，樣品基本干燥。如圖4（c）取2 g 清洗和晾干的柴胡藥材粉末放入本干燥裝置，6 分鐘后樣品質(zhì)量不再減少。三種樣品干燥比用真空干燥箱和冷凍干燥的時間大大縮短。結果證明該干燥裝置高效地完成了各種生物實驗中少量生物樣品的干燥，也為生物和化學類教學實驗中少量樣品干燥提供了更方便的選擇，使用該裝置可以大大節(jié)約教學課時。

圖4 三種樣品的干燥過程曲線

4 結束語

用于少量生物樣品的微波真空干燥裝置提供的真空環(huán)境有利于水分的快速蒸發(fā)以及低溫蒸發(fā)，能夠保證生物樣品活性。與其他成型干燥裝置比較，該干燥裝置能夠大幅度地縮短干燥過程的時間；樣品皿盛裝樣品便于樣品取用；蒸發(fā)出的水分被集中收集在水分收集單元中便于測量樣品含水量。上述優(yōu)點都說明該干燥裝置提高了樣品干燥過程的效率，可以廣泛應用于各種科研和教學實驗的少量樣品干燥工作。