Instec 凍干顯微鏡是一種專為觀察物質在低溫凍干過程中物理變化而設計的高精度熱控顯微系統。它集成了溫度控制、顯微成像、真空環境與凍干技術，常用于藥物研發、生物制品凍干工藝優化、玻璃化溫度測定、結晶行為研究等場合。該系統由美國 Instec 公司開發，是微觀尺度凍干研究中的重要設備之一。

一、基本工作原理

Instec 凍干顯微鏡的工作核心是將樣品置于受控溫度和真空環境下，在顯微鏡下實時觀察其在冷凍與升華過程中發生的形貌變化，包括冰晶生成、界面移動、塌陷點、干燥終點等關鍵物理現象。

其原理可概括為：

制冷階段：將樣品降溫至低于冰點（如 -40°C 或更低），使水分凍結。

一次干燥（升華）階段：在真空環境下，加熱樣品使冰直接升華為氣體，稱為主干燥過程。

二次干燥階段：繼續升溫以去除殘余水分（結合水），直到樣品徹底脫水。

在整個過程中，顯微鏡實時記錄樣品狀態，判斷升華界面是否塌陷、冰晶是否出現再結晶，從而為工業凍干工藝提供參數依據。

二、設備系統組成

Instec 凍干顯微鏡系統主要包括以下核心部件：

控溫樣品臺（Thermal Stage）

比如 Instec HCS621V 或 TSA02 系列；

控溫范圍一般為 -196°C 至 150°C；

溫度精度達 ±0.1°C，冷卻方式可采用液氮、Peltier 冷卻等；

臺面帶真空腔體，支持連接真空泵。

真空系統

與樣品腔體聯通；

控制環境壓力至數帕（Pa）以下，模擬工業凍干真空環境；

可調節升溫/升壓速率，模擬實際凍干曲線。

顯微成像模塊

支持正置或倒置顯微鏡接入；

搭載高分辨率相機，記錄溫度-時間-圖像序列；

可用于偏光、DIC、熒光等成像方式。

控制與記錄軟件（Instec GUI）

實現溫度編程、圖像自動拍攝、視頻輸出、壓力曲線監測；

支持設定多段溫度/時間梯度程序；

可導出溫度-圖像同步數據報告。

三、技術參數概覽

控溫范圍：-196°C ～ 150°C（取決于型號）

溫控精度：±0.1°C

最大升溫速率：20~30°C/min（根據冷卻系統不同而異）

觀察窗口：高透光藍寶石或石英玻璃，耐壓、抗冷裂

真空范圍：< 1 Pa，支持連接油泵或干泵

樣品兼容尺寸：常見為0.1~2 ml凍干樣本液滴，可使用標準玻璃片、蓋玻片封樣

數據導出格式：圖像序列（JPEG/TIFF）、溫度日志（CSV）、視頻（AVI）

四、典型應用場景

1. 藥物凍干工藝優化

觀察藥物在凍干過程中的冰點、塌陷溫度、再結晶點，為實際制藥工藝提供關鍵參數，避免產品失活或形態變化。

2. 玻璃化溫度測定（Tg’）

確定溶液玻璃化轉變溫度，是凍干工藝安全窗口設置的基礎。

3. 生物樣品保護研究

研究蛋白質、疫苗、血清等生物制劑在凍結干燥過程中的結構穩定性，評估賦形劑效果。

4. 材料科學

觀察高分子溶液、凝膠材料在凍干狀態下的孔隙形成機制，指導多孔結構材料的定向設計。

五、使用操作流程簡述

樣品準備

將測試樣品滴加在樣品載玻片上，蓋上蓋玻片或置于開放式腔體內。

安裝樣品

將載玻片放入控溫樣品臺中心，關閉腔體窗口以形成密封環境。

設置程序

在軟件中設定溫度-時間程序，如：

快速降溫至 -50°C；

保溫20分鐘；

逐步升溫至 -10°C；

恒溫顯影過程60分鐘等。

啟動觀察

打開顯微鏡、相機系統與照明，開始拍攝圖像序列或錄制視頻。

分析與導出

使用軟件導出圖像、溫度與時間數據，用于科研報告或工業工藝開發。

六、優勢與價值

實時微觀觀測：相比傳統DSC（差示掃描量熱）等測量手段，凍干顯微鏡可以直觀看到冰晶、塌陷、起泡等物理現象。

高度集成：將溫控、顯微、真空于一體，實驗便捷；

高精度：溫度可精確調節至0.1°C，適合玻璃化溫度、塌陷點等參數的微分辨檢測；

軟件友好：支持自動記錄、分析，提升數據處理效率；

數據可追溯：圖像與溫度時間同步記錄，便于工藝審計與再現。

七、總結

Instec 凍干顯微鏡是一種將物理變化可視化、量化并與時間同步記錄的高端實驗工具，它彌補了傳統凍干設備“看不到過程”的缺陷，讓科研人員能在微觀層面理解物質干燥行為。特別在藥物開發、生物制品質量控制、新材料設計等領域，Instec 凍干顯微鏡已經成為不可或缺的重要儀器。