溶液的结晶:晶核与冰晶生长存在自然的随机性，而冰晶的形态对整个冻干过程有重要的影响，并且也会影响冻干制品的最终产品性能和质量。

水的特性

     水的密度在 4℃时最大，为 1 克/ml ，温度升高或降低时密度均减小，冰的密度为0.92 克/ml，所以冰比水轻，并且结冰时会发生体积膨胀现象。温度降低时，水蒸汽很容易液化，在不同的温度时。纯水几乎不导电，当水中溶有其他物质时，导电性会明显增加。冰是热的不良导体，水结晶后电阻会变大。

    水是构成生命的重要物质，水在生物系统中有多种存在形式。一种叫做自由水以溶液或悬浮液形式存在，这种水冷冻时能结冰；另一种以氢键方式结合在一些极性基团上，包含在极性基团形成的网状结构之中， 这部分水即使在极低的温度下也不会结冰， 叫做结合水；另外生物系统中还有至今仍未搞清楚的其他形式存在的水。

   水结晶，需要晶核，可以是一个气泡；也可以是一颗尘埃；也可以是包材上的一个凸点；也可以是溶液中饱和溶质的结晶析出。成晶核与冰晶生长存在自然的随机性。

※过冷

    水的结冰过程：当水的温度降到冰点 0℃时，如果缺乏晶核，水并不结冰，温度继续下降，水还是保持在液体状态，这叫做水的过冷现象；当水中存在一些外来物质时，外来物质便成为水结冰的晶核，于是水分子以晶核为核心，并以一定的排列方式结合成固态的晶格结构。一旦结冰开始之后温度会从过冷温度迅速上升到 0℃（结冰时的放热所引起） ，在结冰过程中保持 0℃不变，只有全部水都结成冰之后温度才继续下降。

※冷冻速率与冰晶形成

    冰晶的数量和大小受二个因素的影响:晶核数量和晶体生长速率。预冻过程是一个液相变为固相的过程，它是放热过程，只有把放出的熔化热被交换走之后产品才会冻结， 因此预冻需要维持一定的时间。 时间长短与产品的装量和容器有关，也与产品的共晶温度有关，共晶温度低的产品，达到低温的时间就较长，一般在产品温度达到低于共晶温度 5℃之后还需要保持 2～3 小时左右的时间。

    冷冻速率的快慢会影响冰晶尺寸的大小， 因此也会影响干燥产品的质量。冷冻过程中，冰晶的数量和大小受二个因素影响：成核数量和晶体生长速率， 而这二者都受温度的影响。

    冷冻过程，结晶放出大量的热，溶液内部存储的冷量，不足以支撑冰晶的成长，就会慢慢沿着冰晶生长，成为较大的晶体。而过冷度高的溶液，内部产生很多的晶核，因此溶液冻结后，就会形成多而小的晶体。

    冰晶的大小也影响干燥速率和干燥后产品的溶解速度和产品质量。大的冰晶利于升华，小的冰晶不利于升华；大的冰晶溶解慢，小的冰晶溶解快；冰晶越小干燥后越能反映产品的原来结构。冷冻的工艺对产品的质量有较大的影响。

※冷冻对生物活性的影响

    冷冻会对细胞和生命体产生一定的破坏作用， 其机理非常复杂， 目前尚无统一的理论，但一般认为主要是由机械效应和溶质效应引起的。机械效应是细胞内外冰晶生长而产生的机械应力引起的，特别是对有细胞膜这样的生命体影响较大，一般冰晶越大，细胞膜越易破裂，从而造成细胞的死亡，冰晶小，细胞膜的损伤小。产品冷冻时首先水开始结冰，冰晶的生长逐步造成溶液的浓缩，即电解质的浓缩，而蛋白质对电解质的浓度是很敏感的，电解质浓度的增加会引起蛋白质的变性，而生命体是由蛋白质组成的，蛋白质的变性会引起生命体的死亡，电解质浓度增加也会引起细胞脱水而死亡。溶质效应在某一温度范围最明显，这个范围在水的冰点和该液体的固化温度之间，如果能以较高的降温速率越过这一温度范围，则溶质效应产生的影响就能减小。

    一定温度下溶质在溶剂中的溶解度是一定的，含有最大量已溶溶质的溶液称饱和溶液，大都数溶液的溶解度随温度的降低而减小，超过溶解度时会有晶体析出，称为结晶。

    溶液的冰点和沸点与溶媒和溶质都不同，它随溶质的浓度不同而有不同的冰点和沸点。以水溶液为例来说明溶液的凝结过程。水溶液的凝结与纯水不一样，它不是在某一固定温度下完全凝结成固体，溶液温度降低到某一温度时，晶体开始析出，随着温度的降低，晶体的数量不断增加，最后溶液全部凝结。在溶液的结晶过程中溶液的溶质浓度会增加，冰点会下降，稀溶液变为浓溶液，并逐步成为饱和溶液，温度继续降低时，由于溶解度降低，将会有溶质的晶体析出，最后成为冰晶体和溶质晶体的共晶混合物，这时的温度就是溶液的共晶温度。这个过程也是一个放热过程，在冷冻曲线上也会像水结冰那样出现过冷和一个平台。

    大部分IVD试剂的冻干结晶过程，由于冰晶的形成和生长，部分溶质（如盐分、糖分、蛋白质等）被包裹在冰晶内部或被冰晶推挤到溶液的未冻结部分，导致溶质分布不均一。

     IVD冻干试剂大都数是多种组分的水溶液， 有些是溶液和悬浮液的混合液。一些成分复杂的液体在冷冻时会形成二种状态，一种是晶体状态，一种是无定形态（也称玻璃态） 。如果形成晶体状态，那完全冻结或固化的温度叫共晶温度；如果形成玻璃态，完全冻结或固化的温度叫玻璃态转化温度。在冻结过程，溶液内部有些物料在结晶过程随着水的结晶，局部浓度过高并且没达到他的结晶条件，会产生部分的非晶体结果。绝大多少的冻干试剂，都是晶体和非晶体共存，而且结晶的大小空间在内部也是不均匀，保护剂是可以改善晶体的均匀和分布。

    对于IVD试剂，结晶后，溶质的分布不均、晶体大小结构有差异、存在非晶体形态，这些都会共存于试剂中，里面也会存在着应力（物理学、材料学）。还有一些试剂由于芯片和产能工业化需求，需要做成微球形式，需要把溶液均匀地滴入液氮中。有些物料滴入液氮中会形成透明的形式，这种是玻璃化状态，这种状态是不适合冻干，通过退火可让其转变为晶体形态，若无法转换，则需要选择更换物料或核心原料。液氮成形的工艺较为复杂，落入液氮前的需要温度控制，以及生产工艺过程存在较多的不可控风险，我们在后续章节中再详细介绍。

    让冻干后的结构更为均一，一般有两种途径：一是调整保护剂，二是引入退火工艺。对于冻干试剂，冻干工艺中的退火，需要找到溶液的关键温度，但试剂的组分和浓度较为复杂，如果通过材料学的方法去测定溶液的特性是极为困难的。因此，需要特殊的设备和仪器来测定其冻结过程的特性。一般我们采用共晶区间测定仪，测定冻结和融化过程温度和溶液电阻的变化，或者采用DSC测定溶液的相变时的能量转化。这两部分我们后面章节再进行详细介绍。