用于少量生物樣品的微波真空干燥裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

孫立權(quán) 白玉迪

1 北京理工大學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 北京 100081 2 北京理工大學(xué)生命學(xué)院 北京 100081

0 引言

在生物科學(xué)研究中經(jīng)常會(huì)遇到樣品除水的問題，市場(chǎng)提供的熱風(fēng)干燥[1]、真空干燥[2]、冷凍干燥[3]、微波干燥[4]等設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)樣品干燥。在科研和教學(xué)中會(huì)遇到干燥少量樣品（小于2 克）的情況，尚未見報(bào)道有干燥克量級(jí)樣品的設(shè)備。

微波具有迅速加熱、可選擇性加熱、即時(shí)性加熱、均勻加熱等特點(diǎn)[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(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)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(gè)單元，每個(gè)單元分別由不同的部件組裝而成，四個(gè)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(yīng)器、樣品皿和與真空系統(tǒng)連接的管道。

微波反應(yīng)器選用微波反應(yīng)器等專業(yè)設(shè)備，能夠更好地進(jìn)行溫度和時(shí)間控制，也可以選用普通家用微波爐進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，利用不同輸出功率擋位進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)嘗試使用家用微波率改裝使用。爐內(nèi)反應(yīng)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(yīng)器能夠密封，并有進(jìn)、出氣口，進(jìn)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(yīng)器為宜，樣品放入其中方便取出。

圖2 干燥反應(yīng)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(shí)，要注意氣體揮發(fā)造成的實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確地控制真空度的真空流量計(jì)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(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，并且能夠穩(wěn)定控制在一個(gè)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(shè)計(jì)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(dāng)樣品量更小和含有水分更少時(shí)，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(yīng)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(dú)容器進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(gè)單元之間連接的管路要在真空條件下使用，采用強(qiáng)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(huì)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(shè)計(jì)中優(yōu)化結(jié)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(jí)樣品的干燥。

2 干燥實(shí)驗(yàn)和參數(shù)條件優(yōu)化

2.1 干燥裝置的組裝

在實(shí)驗(yàn)中，按照前述的設(shè)計(jì)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?qǐng)D1 把各部件進(jìn)行組裝和連接，確認(rèn)整個(gè)系統(tǒng)氣密性良好。

大部分部件采用市場(chǎng)購買的成型設(shè)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(duì)家用微波爐進(jìn)行改裝，對(duì)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(yīng)器和樣品皿等。

從市場(chǎng)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(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；低溫?cái)嚢璺磻?yīng)浴：DHJF-4002，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；真空度控制器：DVR-480，Wiggens Ins Ld Co（德國(guó)）；電子天平：FA2204C，上海越平科學(xué)儀器制造有限公司。使用的干燥反應(yīng)容器為聚四氟乙烯材質(zhì)的自行設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)

將蠶絲蛋白樣品作為干燥對(duì)象，使用該干燥裝置，設(shè)計(jì)和開展干燥參數(shù)條件優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)結(jié)果。

將不同質(zhì)量的濕蠶絲蛋白樣品置于聚四氟乙烯反應(yīng)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(jìn)行研究。微波功率以微波爐全輸出功率為100%時(shí)的五個(gè)不同比率的10%、30%、50%、70%、90%為輸出功率研究對(duì)象。樣品選擇一定含水率的五個(gè)不同初始質(zhì)量1 g、2 g、3 g、4 g、5 g樣品作為研究對(duì)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(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。由于家用微波爐的加熱周期為33 s，每隔33 s 進(jìn)行一次質(zhì)量稱量。當(dāng)樣品的質(zhì)量的變化低于2%時(shí)，作為干燥反應(yīng)的終點(diǎn)。

當(dāng)采用樣品質(zhì)量為2 g，真空度選用-80 kPa 時(shí)，不同的微波功率干燥結(jié)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(jié)合干燥時(shí)間，選擇50%的微波輸出功率作為干燥實(shí)驗(yàn)的首選。

圖3 不同的微波功率干燥結(jié)果

當(dāng)采用樣品質(zhì)量為2 g，微波功率為50%時(shí)，對(duì)不同的真空度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)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(yīng)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(huì)增加設(shè)備部件的成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示-80 kPa 的真空度能夠滿足目前樣品干燥的要求。

當(dāng)真空度為-80 kPa 時(shí)，微波功率為50%時(shí)，針對(duì)不同的樣品質(zhì)量進(jìn)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(shí)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常快，水分蒸發(fā)很迅速，尤其是少量樣品中含有的水分，并不會(huì)因?yàn)闃悠焚|(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(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得優(yōu)化后的干燥反應(yīng)工藝參數(shù)為50%的微波功率，采用-80 kPa 的真空度，對(duì)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(shí)際樣品干燥驗(yàn)證

以蠶絲蛋白的干燥工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果作為依據(jù)，開展另外三種實(shí)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(jìn)行干燥驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

按照前述優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)。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(jié)束。如圖4（b）丙酮水重結(jié)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(shí)間大大縮短。結(jié)果證明該干燥裝置高效地完成了各種生物實(shí)驗(yàn)中少量生物樣品的干燥，也為生物和化學(xué)類教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)課時(shí)。

圖4 三種樣品的干燥過程曲線

4 結(jié)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(shí)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(cè)量樣品含水量。上述優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用于各種科研和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的少量樣品干燥工作。