本研究由Bakul S. Bhatnagar、Jayesh Sonje、Evgenyi Shalaev、Susan W. H. Martin、Dirk L. Teagarden和Raj Suryanarayanan等人完成，主要作者隶属于University of Minnesota药学院制药学系及Pfizer公司多个研发部门。该论文发表于Physical Chemistry Chemical Physics期刊，文章DOI为10.1039/c9cp06576h，于2019年12月4日收稿，同年12月12日接受，并于2020年1月2日在线发表。

本研究属于制药科学中的冷冻干燥（lyophilization，又称冻干）技术领域，具体聚焦于叔丁醇（tert-butyl alcohol，TBA）与水混合体系的低温相行为。冷冻干燥被广泛用于热不稳定治疗药物的稳定化处理，通常以水为溶剂进行冻干。然而，对于水溶性差的药物，常使用有机溶剂与水的混合体系作为冻干介质。TBA作为少数能在商业药品冻干工艺中使用的有机共溶剂之一，具有提高疏水性药物溶解度、缩短干燥时间、改善产品稳定性与复溶特性等优势。了解TBA–水体系在低温下的相图，尤其是低共熔温度（eutectic temperature）和低共熔组成（eutectic composition），对于设计高效的冷冻干燥工艺至关重要，因为一次干燥阶段必须在低共熔温度以下进行，以防止干燥过程中的熔化。然而，过去50年来，关于该体系水富集区低共熔温度与组成，以及TBA水合物的化学计量，文献中存在明显分歧。TBA二水合物、三水合物、六水合物、七水合物及7.7水合物等不同形式均有报道，且低共熔温度从−13.2 °C至−5.0 °C不等，组成也在16.6%至26.1% w/w TBA之间波动。本研究的核心目标是利用低温差示扫描量热法（DSC）和粉末X射线衍射（XRD）等手段，明确水富集区（0.0至25.0% w/w TBA）TBA–水体系的低共熔温度与组成，并确定共熔体中TBA水合物的化学计量。

研究流程主要包括以下几个环节。首先，研究者配制了浓度范围从2.5% w/w至25.0% w/w TBA的一系列水溶液，并使用调制差示扫描量热仪（Model 2920, TA Instruments）进行热分析。样品质量约为10 mg，密封于铝制样品盘中，冷却到−70 °C后以不同升温速率加热，记录升温曲线上的热事件。其次，为解析复杂的热行为，研究者进行了退火（annealing）实验，即将冷冻溶液加热到特定温度（如−9 °C、−1 °C和−7 °C）保持1小时，再冷却回−70 °C后重新加热观察热事件变化。第三，利用配备变温台的实验室X射线粉末衍射仪（Scintag XDS 2000）在−50 °C至25 °C范围内收集衍射图谱，升温与降温速率均为1 °C min⁻¹，并进一步对20.0% w/w TBA溶液在−15、−25和−35 °C下进行4小时退火处理，跟踪晶相转变。第四，为增强低温晶相表征的灵敏度与时间分辨率，研究者还使用了Argonne国家实验室Advanced Photon Source同步辐射X射线衍射装置（Beamline 17-BM-B），采用单色X射线（λ = 0.45452 Å）和二维面探测器采集时间分辨衍射数据。溶液置于自制铜制样品槽中，通过Cryostream 700 Plus控温，以1.0 °C min⁻¹冷却至−40 °C并保温15分钟后，在升温过程中每30秒曝光一次。所得二维数据通过GSAS-II软件积分为一维2θ扫描谱图，物相鉴定与峰强度分析使用Jade 2010软件完成。

研究结果揭示了若干关键的相变路径。在冷却至−40 °C的TBA–水溶液中，TBA首先以二水合物（dihydrate）形式结晶，其特征峰位于8.9、17.8、19.9和21.3° 2θ，同时观察到六方冰（hexagonal ice）的特征峰。在升温过程中，约−10 °C时二水合物峰强度开始降低，并在−14 °C至−13 °C间出现新的TBA七水合物（heptahydrate）特征峰（15.2、20.3和28.4° 2θ），表明二水合物向七水合物发生固–固转变。至−8 °C左右，七水合物与冰的衍射峰同时显著减弱，提示二者发生共熔熔化。在20.0% w/w TBA的DSC升温曲线中，−13 °C附近可观察到放热峰，对应二水合物向七水合物的放热转变；在低浓度（≤15.0% w/w TBA）样品中，−10 °C附近的吸热事件为亚稳的二水合物–冰共熔熔化，随后紧接稳定的七水合物–冰共熔熔化，由于热事件重叠，早期研究易将其误判为单一共熔事件。退火实验进一步证实二水合物为亚稳相。在−25 °C退火30分钟后，二水合物峰强度下降，同时出现七水合物峰；随退火时间延长，二水合物逐渐消失而七水合物含量增加。在−15 °C退火时，二水合物→七水合物转变在1小时内完成，而在更低温度（−25 °C、−35 °C）下转变更慢，说明该转变受动力学控制，但最终均形成七水合物。对22.5% w/w TBA溶液的同步辐射XRD升温实验显示，七水合物与冰的衍射峰在−3.5 °C同时完全消失，DSC中该组成仅出现单一熔化吸热峰，证明22.5% w/w TBA为七水合物–冰的共熔组成。25.0% w/w TBA溶液在−8至−6 °C经历七水合物–冰共熔熔化后，残余的七水合物在−4 °C才完全熔化，这与DSC中观察到的七水合物熔化峰一致。综合不同升温速率（0.05至2.0 °C min⁻¹）的DSC数据，外推至零升温速率后得到冰熔化、共熔熔化及七水合物熔化温度随组成变化的相图边界。

本研究的最终结论为：TBA–水体系水富集区的稳定共熔体由TBA七水合物和六方冰组成，共熔组成为22.5% w/w TBA，共熔温度约为−8.1 °C。这是首次明确鉴定共熔体中TBA水合物为七水合物，解决了长期以来关于TBA水合物化学计量和共熔组成的不一致。该相图的建立对冷冻干燥工艺优化具有直接的工业应用价值。在一次干燥阶段保持产品温度低于−8.1 °C可避免熔化，从而保证冻干产品的微观结构完整性和批次均一性。对于共熔组成的溶液进行冻干还具有独特优势：冷却时TBA与水同时完全结晶，形成均匀的固体混合物，降低瓶内组成不均一的风险；一次干燥期间残余溶剂组成保持恒定，有利于获得稳定的升华速率。考虑到当前70–90%的新药存在水溶性差的问题，且TBA是少数可用于注射剂冻干的有机共溶剂，本研究的相图数据将为疏水性药物冻干处方的开发提供关键的工艺设计依据。

本研究的亮点在于将实验室XRD与同步辐射XRD相结合，突破了传统热分析无法直接鉴定晶相的局限，首次通过时间分辨同步辐射XRD实时跟踪了TBA二水合物→七水合物的亚稳态转变及其后续共熔熔化过程。此外，通过系统退火实验明确了二水合物为动力学亚稳相，澄清了文献中不同TBA水合物报道之间的矛盾。该工作还展示了不同升温速率对热事件重叠的影响，并利用零升温速率外推方法提高了相变温度测定的可靠性。这些方法学进展不仅适用于TBA–水体系，也为其他有机溶剂–水共溶剂体系的低温相行为研究提供了可借鉴的策略。