冷冻干燥、冻干和低温干燥都是用于描述在低温下从样品中除去水的过程的术语。冻干低温脱水过程最大限度地提高产品或样品的稳定性和保质期，保持化学或生物功能，并使运输和储存比冷链更容易。

该方法可用于测定试剂盒的开发，可在室温下运输和储存试剂并进行完整测定。  通过冻干使样品稳定，可以生产预先分配的单剂量试剂，这有助于：

• 简化分析装置，
• 提高分析的稳定性和可靠性，
• 降低样品污染的风险

什么是冻干？

冻干是一种冷冻干燥过程（也称为低温干燥），通过冷冻样品或产品并将其置于真空中去除其中水分（1）。此技术依赖于水的三相点—现象，即水的三相（固态、液态和气态）共存且处于同等稳定状态的一个温度和压强的数值。冻干过程通常包括三个阶段（图 1）：

1. 冷冻
2. 初级干燥
3. 二次干燥

首先用防冷冻赋形剂将产品或样品放在专用冷冻干燥机或冷冻机中冷冻，温度大约设置为-40° C（低于水的三相点）。赋形剂在冷冻干燥过程中提供了一层保护，并有助于维持预期功能的稳定性。每种产品或样品的赋形剂最佳组合和浓度都是唯一的。

渐进冷冻通常的冻干效率最高，会形成大的冰晶。但是，大的冰晶会干扰和破坏结构敏感的材料（例如细胞）。在这些情况下，在冷冻步骤采用快速冷却，从而将冰晶尺寸降到最小。

初级干燥阶段包括将周围环境的压强降低到水的三相点以下。然后，稍微加热使游离的冰晶升华，直接从固相转变为气相。

此步骤除去了大约 95％ 的水分，将产品或样品从玻璃态冷冻状态转变为基本干燥的粉末。

最后一步去除吸附在产品或样品上的任何剩余的未冻结的水分子。温度略有升高，破坏了水分子与冷冻物质之间的相互作用，通过解吸将其除去。

所以，冻干粉末比原产品或样品更轻，更小。制备冻干粉末留作备用时，只需要将其加入无菌蒸馏水或适当的缓冲液中，即可在通过复溶过程形成溶液。

图 1. 冻干过程，包括三个阶段，将样品冷冻并置于特定的真空压强和温度下，去除其中水分。

样品长期储存的挑战

通常，需要在生物技术和制药行业中长期保存的样品非常不稳定。因此，通过加热脱水会对样品的稳定性和质量产生影响。

例如，酶被用于许多不同的测定试剂盒中，并且经常被脱水以延长保存期限并简化运输。这些蛋白质具有维持特定的生物学功能所必需的精确的大分子结构。热应力会破坏维持这些结构的非共价键和相互作用，进而破坏体内功能。

在许多情况下，也不可能不对需长期保存的样品进行脱水。水可以作为强溶剂，并且在冷冻时会发生化学结构的巨大变化。因此，水可以破坏生物大分子中的共价键，并且由于固体结构与液体结构相差很大，这些分子可能会沉淀。

冻干技术如何解决样品储存的挑战

尽管过程很复杂，但冻干已成为许多行业的标准做法，包括制药、生物技术和农业。考虑到热量和水的不利影响，冻干脱水具有几个优点，包括提高样品稳定性和纯度、延长保质期和降低成本。

由于不再需要加热脱水，采用冻干技术，不仅能够方便且安全地长期保存实验室样品和药物产品，同时还能保留它们的活性。

除了延长保质期，冷冻干燥的样品还可以减少重量和体积，帮助减少运输成本和对环境的影响。不再需要专门为保持样品稳定性而设计运输程序（如干冰），也简化了物流，有助于进一步降低成本。

当将样品和测定运输到设施和预算有限的发展中国家时，这些好处尤显重要。否则，长距离的运输以及经常在炎热和潮湿的环境中会给冷链运输和存储带来巨大压力。冻干不需要温度控制链。

早在第二次世界大战时，冷冻干燥就作为一种商业技术得到了首次使用（2）。冻干使血浆和青霉素在不冷藏的情况下保持稳定性与可行性。因此，无论是否使用冷链运输，两者都可以被运输到其预定的收货人手中。该流程至今仍在使用。

完整、稳定的单管测定

除了运输、成本和保质期方面的实际和物流上的优势外，冻干还为科学家提供了可靠、高效和准确的研究工具，包括单一试剂和测定试剂盒中的完整、即用型制剂。

通过冻干，测定试剂盒的各个组分可以合并在单个管中。从而产生一种预先配制的单剂量试剂，极大地简化了测定设置（图 2）。

在许多情况下，尤其是对于药品和生物产品，赋形剂在制剂中对维持大分子结构（1、3）的稳定性至关重要。例如，酶在脱水过程中仍然容易不稳定，即使不加热也会失去活性。可以将氨基酸和非水溶剂之类的赋形剂用作防冻剂，从而最大程度地降低这种脱水压力。

使用这种冻干方法，研究人员无需单独吸取微升量的可能很昂贵的测定试剂，从而大大简化了他们的工作流程。移液步骤和样品处理流程减少也有助于最大程度地减少培训要求，降低成本并节省时间。测定的稳定性和可靠性以及数据质量也得到了改善，并且样品污染的风险降到了最低。

图 2. 在单个试管中的完整测定。基于扩增的定制 Lyo-Stable 制剂的成分示例。

定制的 Lyo-Stable 制剂服务和委托冻干

实验室自身进行冻干通常不切实际，因为需要投入大量资金购买复杂的设备，包括冷冻干燥机本身。获得每个批次所需的化学或生物完整性和活性也是一个挑战。每种产品和样品都是独特的，需要优化的冷冻干燥周期和赋形剂配方，这可能需要花费时间和精力来确定。

Cytiva 的 Lyo-Stable 定制稳定服务使研究人员能够不用花费这些大额支出，也能享受冻干带来的所有优势。该服务使用专有的赋形剂来提供试剂和测定，在室温下可以完全稳定数年。此项服务已帮助各大公司提高成本效率，延长产品的保质期，进入具有挑战性的市场，例如在冷链运输和储存困难的发展中国家的实验室和现场研究人员。

利用委托冻干服务可以减轻研究人员的赋形剂和工艺优化负担，从而节省宝贵的时间和资源。  Lyo-Stable 服务可提供从 Cytiva 悠久的即用型冻干技术中获得的专业知识和经验。专门的定制解决方案团队拥有专业知识、设备和 ISO 认证的制造能力，可确保每一批产品均能实现目标。

Lyo-Stable 冻干在各个行业中的优势

从稳定产品质量到降低成本和节省时间，Lyo-Stable 冷冻干燥技术具有许多优势。表 1 为完整的摘要。

表 1. 冻干优势的摘要*

*基于 Cytiva 的标准即用型产品组合

从简单的缓冲液到多组分试剂盒，Cytiva的 Lyo-Stable 服务可以根据要求开发和生产小批量或大批量的定制产品。定制生产基因组学包括委托测定服务和定制试剂服务，可简化客户工作流程并补充现有功能。

Lyo-Stable 服务可提供专业知识、设备、专有赋形剂、ISO 认证的制造服务，以及基于成熟的即用型技术开发目录和定制冻干产品数十年的经验。

如欲了解有关定制服务的更多信息，请联系 Cytiva 科研支持团队，或查看公司从产品概念到商业化如何为客户提供全程支持。