动态蒸汽吸附入门：什么是、为什么以及如何做？

动态蒸汽吸附入门：什么是、为什么以及如何做？

水无处不在。无论是研究物理世界的人，还是在该领域从事材料制造的人，最终都不得不承认水分对其所研究的物质所产生的影响。

更具体地说，水——无论是作为材料本身，还是存在于其周围——都是决定产品或材料如何使用、可在何处使用、何时会降解、是否需要（如有）进行处理或涂层，以及是否需要彻底重新配方的关键因素。

水分绝不能被忽视——那么，该如何衡量并考虑其影响呢？

通过蒸汽吸附分析。

什么是动态蒸汽吸附（DVS）？

蒸气吸附分析的目标是了解某种物质（通常是水）被材料吸附或脱附的量，以及这一过程发生的速度。

为了弄清这一点，将材料样品置于一个能够控制和调节溶剂蒸气（湿度）含量的环境中。随后测量样品重量的变化，并据此计算其吸附或脱附的蒸气量。

动态蒸汽吸附法（DVS）是分析蒸汽吸附的一种常用方法。直到几十年前，使用干燥瓶进行的缓慢手动操作仍是蒸汽吸附分析的主要方法。1991年，达里尔·威廉姆斯开发了DVS法，以减少获取有效数据所需的大量时间和人工。

动态蒸汽吸附的工作原理

DVS设备有多种类型，但大多数的作用机制相似。

典型的动态蒸汽吸附装置将样品置于恒温腔室内。随后，该装置利用加湿或干燥的空气将腔室的相对湿度调节至设定值。当样品与腔室的相对湿度达到平衡（通过重量变化判断）后，便记录其质量变化。随后，该装置在提高或降低相对湿度的情况下重复该过程，并记录进一步的变化。 在收集到所需数据点后，部分DVS设备会利用这些数据生成等温线。

样品制备并装入后，动态蒸气吸附仪会自动进行蒸气吸附分析。在采用DVS技术之前，要记录相同的数据，需要多个干燥箱、一个温度严格受控的房间，以及数周或数月的时间，才能将样品在不同腔室中轮换并记录结果。

何时以及为何使用动态蒸汽吸附法

激烈的市场竞争和日益严格的监管，促使各行各业的企业研究其产品在不同环境条件下的表现。这或许正是动态蒸汽吸附技术自发明以来30多年间得以广泛应用的原因。

如今，蒸汽吸附分析正不断向新的行业拓展。蒸汽吸附分析最常用于解答以下这类问题：

• 在什么情况下，粉末状物料（无论是成品还是原料）会结块、结团，从而变得无法使用或外观不佳？
• 某种包装材料在运输、天气或储存条件恶劣的情况下，能多大程度上保护产品？
• 当药品、营养保健品或膳食补充剂的活性成分暴露在浴室药柜中那种湿度波动的环境下时，其功效能维持多久？

其他一些更小众的应用包括测试湿度对航空领域使用的复合材料、隐形眼镜及个人卫生用品的影响，以及许多其他领域。

DVS实验结果与分析（上）：蒸汽吸附动力学

动态蒸汽吸附试验的结果通常通过两种不同的方式呈现。第一种称为蒸汽吸附动力学，主要关注时间因素。它通过图表展示试验箱内的相对湿度水平以及样品质量随时间的变化情况。

换句话说，吸附动力学揭示了样品从周围环境中吸收和释放水分的速度。在时间是关键因素的情况下（例如加速保质期研究），了解这一点非常有用。

DVS结果与分析（第二部分）：蒸汽吸附等温线

另一种可视化蒸汽吸附数据的方法是将样品的水活度（相对湿度）数据绘制在横轴上，将重量（有时也用含水量代替）绘制在纵轴上。

这些等温线并未强调时间对样品的影响，但确实展示了质量或含水量随相对湿度的变化情况。

采用这种风格的高分辨率等值线图，可以轻松准确地识别出不希望出现的质地和品质变化的具体位置。这些位置通常被称为“临界点”，表现为水分含量或质量的突然跃升或骤降。在许多食品生产场景中，这些信息至关重要：

• 对于粉末等干性产品，必须将含水量控制在上限以下，以防止结块和结团，但同时又需确保含水量足够高，以免因产品过度干燥、重量不足而侵蚀利润率。
• 对于腌制肉类零食而言，最佳的临界限值范围应足够低以抑制微生物生长，但又应足够高，以确保零食具有湿润可口的口感。
• 在水果棒等高水分食品中，需要保持一定的水分活度，以防止水分析出。

吸附、脱附与滞后现象的解释

在蒸汽吸附动力学和吸附等温线研究中，吸附与脱附之间的区别值得特别注意。

吸附是指样品与水分结合，将其从潮湿环境中吸出。脱附是指样品在干燥或脱水环境中释放水分。

很少有材料的吸水和释水方式或速率与之相同。这种吸附与脱附之间的差异被称为滞后现象。

滞后效应是一个需要牢记的重要概念。材料经历的每次吸附/脱附循环都会改变后续吸附/脱附循环的效果。如果某种产品已被处理至超过临界点，其结构可能会发生不可逆的变化，仅靠再次干燥是无法恢复的。

滞后现象主要用于了解产品特性，但也常用于评估产品的保水能力，例如在涂料、保湿剂或新配方中。

DVS等温线解读——示例

等温线的解释因应用场景而异，但对其中一种方法的剖析有助于理解其他方法——本例中，即对喷雾干燥奶粉中蒸汽诱导的相变进行分析。

如需了解等温线如何用于估算保质期、评估防潮薄膜和涂层的效能等更多应用示例，请观看我们的网络研讨会视频或阅读其文字记录： 《理解等温线》。

要利用该等温线研究质地变化，第一步是确定前述的临界水分活度限值——即质地开始发生不良变化的临界点。

利用该吸附等温线的二阶导数有助于突出该曲线上的峰值。这些峰值对应于水分活度水平，在这些水平下，含水量的增长速度最快。

在此情况下，该值位于0.67的水活度。这意味着0.67的水活度或67%的相对湿度是该粉末的一个关键转变点，在此点上，其质地会发生变化。

在低水分活度水平下，结合水位的数量有限。但一旦水分活度升至0.67，结合水位的数量就会增加，从而能结合更多的水。随着水分活度进一步升高，（就该特定产品而言）会开始出现严重的结块和结团现象。等温线准确显示了这些现象发生的位置。

水蒸气吸附与有机蒸气吸附

大多数动态蒸汽吸附仪的设计目的是研究水的吸附特性，部分仪器还能分析样品与有机蒸汽之间的相互作用。

该过程的目标和原则保持不变：即研究样品如何吸附和脱附蒸汽。在这些装置中，样品室中充入的是有机蒸汽（而非水蒸气），且湿度保持在预定水平。

有机蒸气诱导气相沉积（DVS）技术最常被材料科学家用于开发化学过程控制方法。研究还发现，该技术在帮助制药行业开发稳定且具有生物利用度的活性成分方面也颇具价值。

动态蒸汽吸附仪

DVS设备必须能够测量样品质量，并使样品接触加湿或干燥的空气。除上述基本要求外，DVS设备在尺寸、形状和功能方面差异很大。选购DVS设备时，请考虑以下几点：

• 设备尺寸。有些台式设备非常紧凑——体积约为30立方厘米——而有些多工位设备则可能占据整个大型实验台，甚至大如独立柜体。
• 读取时间。有些设备生成等温线需要数天，有些则需要数周。购买前请仔细考虑您的样本处理量需求。
• 数据分辨率。如果等温线分辨率不够高，就无法精确定位关键转变点。您需要低分辨率的吸附动力学数据，还是高分辨率的等温线数据？
• 样品量。某些DVS设备能够精确分析少至10毫克的样品。而其他设备则需要更多的样品才能进行准确分析。

其他蒸汽吸附分析方法

尽管传统蒸气吸附分析需要耗费人力且涉及相关设备，但一些实验室和大学仍在使用这种方法，即让样品在干燥器中达到平衡。

选择此方法的人员需要准备若干个气候箱、饱和盐溶液，以及用于长期存放这些物品的空间。在准备好材料并开始实验后，需要一名实验室技术员定期从气候箱中取出样本进行称重，并记录质量变化，直至获得所需的数据集。

这种方法需要长期坚持，且可能无法像其他方法那样提供详细的洞察。

另一种替代方法是动态露点等温线（DDI）法，这是对DVS法的一种相对较新且鲜为人知的改进。DVS设备通过使用重量来判断样品何时达到特定湿度水平的平衡状态，从而模拟气候箱法；而DDI法则通过样品的水活度来判断平衡状态。

DDI 设备利用加湿或干燥的空气，将样品的相对湿度以设定的间隔（0.01 aw 或 1% RH）进行调整，待腔室达到样品的新平衡状态后，再记录样品的 aw 值和重量。 该过程在数天内重复多次，所得等温线包含 100-150 个甚至更多数据点，远多于 DVS 方法的 5-10 个数据点，从而突出显示了转变点，并模拟了实际的流体环境条件。

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