临界点干燥的原理与操作步骤

样品在干燥最后一步塌陷，原因是毛细压力

液体从孔隙中蒸发时，气液界面在孔壁之间弯成弯月面，表面张力沿着界面把孔壁拉向孔内。这股拉力可以用 Young–Laplace 方程估算：

ΔP = 2γ·cosθ / r其中 γ 为液体表面张力，θ 为接触角，r 为孔半径

孔越细，拉力越大。水的表面张力约 72 mN/m，在半径 10 nm 的孔里产生的毛细压力约 14.6 MPa，相当于 140 多个大气压。乙醇的表面张力约为水的三分之一，在同样的孔里仍有约 4.5 MPa。

这股力造成三种常见损伤：气凝胶的孔道塌陷、整体收缩；细胞和组织表面起皱变形；MEMS 悬臂梁被拉向基底、粘在一起。

越过临界点，气液界面随之消失

温度和压力同时高于临界值时，液体与气体的界限消失，物质成为单一的超临界流体，表面张力为零。没有界面，也就没有毛细力。

临界点干燥用 CO₂ 作为干燥介质，原因有三：

• 临界温度 31.1 °C，接近室温，热敏样品不必经受高温。
• 临界压力 7.38 MPa；相比之下，水的临界点高达 374 °C、22.1 MPa，样品无法承受。
• 无毒、不燃，卸压后直接挥发，不在样品中留下残余。

在相图上，常规蒸发从液态区穿过气液共存线进入气态区，界面必然出现。临界点干燥先升温升压进入超临界区，再保持温度卸压、回到气态，整条路径绕开这条线。

水先换成乙醇，再换成液态 CO₂

水和 CO₂ 几乎不互溶，直接通入 CO₂ 换不出孔隙里的水，残留的水在卸压时仍会形成弯月面。所以样品先用乙醇或异丙醇（IPA）把水换出，再在设备里用液态 CO₂ 置换这层中间溶剂。

前处理的原则是样品始终浸在液体里。电镜生物样品通常经梯度乙醇逐级脱水到无水乙醇（完整流程见扫描电镜生物样品的临界点干燥制样流程）；从脱水到装进样品仓，样品都不露出液面，哪怕短暂风干，表面也已经经历过一次弯月面。

溶剂没换干净，是临界点干燥失败最常见的原因。按 Peng–Robinson 方程估算，40 °C 下孔里只要残留一两个百分点的乙醇，泄压途中 CO₂–乙醇混合物就会进入两相区，重新凝出液滴，毛细力又回来了。

孔里的乙醇只能靠扩散出来，所需时间随样品厚度的平方增加：厚度加倍，时间约为四倍。

厚样品用循环置换：充液、置换、二充、静置，按设定轮数重复。静置时不排液，等乙醇从样品内部扩散出来，下一轮再把它冲走。难干的样品可以从静置 2400 s、3 轮开始验证。

样品装在样品笼里，始终浸在液体中

装样要同时做到三点：样品始终浸在液体里；流体能穿过样品，带走溶剂；样品自身不被冲走。

• 块体和组织放在网板上，用组合样品笼分层叠装。
• 小样品各占多孔承载件的一个孔位，干燥后不会混。
• 悬浊液装进径向密封样品笼，流体上进下出，颗粒留在笼内。

样品笼、填充环与承载件按仓体空间配套，特殊样品的样品笼可以按样品设计。

KiMax 极境干燥仪把干燥过程分成九个步骤

在 KiMax 极境干燥仪上，干燥过程固定为九个步骤，每一步由一个配方参数决定何时结束：温度到达、计时结束或压力到达。表中数值是用户手册给出的起始参数。

加热时，设备核对两路信号的先后：压力先升过约 1150–1200 psi，温度再越过约 34–38 °C，CO₂ 从液体一侧绕过临界点。顺序不对，设备报「临界点故障」。

顺序颠倒，通常是加热前仓里的液体不够。液态 CO₂ 不足时，受热会先沿气液共存线蒸干，液面从样品上扫过，样品在这一刻已经受损。二充就是为此在加热前补液。

泄压决定最后的结果

泄压有两条底线：温度保持在临界温度以上，速度足够慢。

CO₂ 膨胀时会降温。卸得太快，仓内温度可能跌破 31.1 °C，CO₂ 重新凝结成液体，界面又回来了。大块凝胶内部的气体来不及排出，还会把样品撑裂；凝胶尺寸越大，允许的泄压速度越低（见气凝胶超临界干燥）。

KiMax 极境干燥仪在泄压期间保持加热，进液和泄压通路由自研耐低温微调阀调节，慢充和泄压都按设定斜率匀速进行。液态 CO₂ 在阀口节流时会析出干冰，微调阀针对这一低温、易堵工况设计，已获实用新型专利授权（ZL 2024 2 2566585.5）。

机械泄压、电子报警与程序互锁三重保护，贯穿高压阶段全程。

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