在对固体样品材料进行化学或物理分析之前，应始终通过减小尺寸和均质化对其进行充分制备。应注意分析样品应完全代表原始材料，并且样品制备过程应具有可重复性。只有这样才能保证得到有意义的结果。
然而，在室温下减小样品尺寸也是有限度的，例如，即使是微小的温度升高也会对样品产生负面影响；或者，当材料的弹性非常大，而上述减小尺寸的原理只会导致变形时。针对这类样品的完美解决方案就是冷磨或低温研磨。这需要使用液氮（-196 °C）或干冰（-78 °C）等研磨助剂，通过冷却使样品脆化，使其更容易破碎。另一个优点是可以保存样品中的挥发性成分。在本白皮书中，我们将介绍低温研磨适用于哪些样品材料、哪些实验室研磨机适用以及需要考虑的其他方面。
哪些材料适合低温研磨
含有挥发性成分的样品
含有溶剂（苯、甲苯、多氯联苯、五氯苯酚等）等挥发性成分的材料很难进行适当的分析制备，因为研磨过程中的温度升高可能会导致分析物的损失。研磨过程中颗粒表面的增加会进一步促进挥发性物质的排放。液氮或干冰的低温大大降低了成分的高蒸汽压，并使样品基质脆化。因此，挥发性成分几乎不会受到研磨过程中相对温度升高的影响。
具有弹性行为的样品
许多聚合物（塑料，如 PP、PET、PA 等）以及其他材料在研磨过程中会产生粘弹性行为，从而导致塑性变形。这意味着不会产生裂纹，也就不会发生破裂。硅胶烤盘或橡胶轮胎等弹性体由于其柔韧性，可在室温下使用，其所谓的玻璃化温度远低于室温。如果将弹性塑料样品浸入液氮中，其温度会降至玻璃化转变温度以下；这会降低材料通过弹塑性行为或粘性流动抵抗高机械应力的能力。如果将这种预冷材料在研磨机中研磨，样品就会出现脆性断裂行为。低温研磨也适用于硬塑料，尽管这种材料在室温下是脆性的。为了成功地减小尺寸，样品的温度不得超过玻璃转化温度。
生物和医学样本
如果要制备生物样本，例如从酵母、细菌、植物或人类/动物组织中提取核酸，在制备过程中和之后，生物样本可能会对温度高度敏感，甚至会被破坏。在这种情况下，低温研磨可以使细胞群和细胞壁脆化，使它们更容易破裂，并减缓细胞碎片的后续分解，从而有助于改善工艺。将样品浸入 LN2 中，实际上 "冻结 "了不想要的细胞反应，以便在以后的时间点上观察细胞活动。
黏性或韧性的食品样品
粘稠或坚硬的样品材料，如奶酪、葡萄干、酒胶或杏仁蛋白糖，在室温下研磨时会结块，无法充分均质。低温工艺的低温可防止样品结块，使其彻底均质，适合分析。
Overview applications
| 样品 | 磨坊 | 附件配件 | 进样量 | 研磨时间 | 速度 | 最终细度（d90） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 小熊软糖 | MM 400 |
|
10 作品 | 1 分钟 | 30 Hz | < 300 µm |
| 橡胶 | CryoMill |
|
4 g | 2 分钟 | 30 Hz | < 500 µm |
| 大肠杆菌 | CryoMill |
|
10 ml 冷冻细胞颗粒 | 2 分钟 | 30 Hz | 完全破坏细胞 |
| 塑料颗粒 | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000 min-1 | < 500 µm |
| 燃料废料 | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| 软糖 | GM 300 |
|
500 g | 40 s + 20 s | 18,000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| 橡胶鸭子 | SM 300 |
|
5 作品 | 40 s | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| 填充液体的药丸 | RM 200 |
|
40 作品 | 3 分钟 | 100 min-1 | < 250 µm |
| 小熊软糖 | MM 500 control |
|
28 作品 | 30 s | 30 Hz | < 100 µm |
| 有草药的干苹果 | MM 500 control |
|
30 g | 2 分钟 | 30 Hz | < 150 µm |
| 焦糖糖果 | GM 200 |
|
15 g | 2 分钟 | 4000 min-1 | < 300 µm |
| 榛子巧克力 | GM 200 |
|
100 g | 4 分钟 | 10000 min-1 | < 1 mm |
适用于低温研磨的实验室研磨机
在为低温研磨选择合适的实验室研磨机时，需要考虑多方面的因素。一方面，样品量对决策至关重要，另一方面，进料粒度和所需的最终细度也是重要因素。混合研磨机 MM 400 和 CryoMill 专为处理少量样品而设计。与转子研磨机的开放式研磨腔相比，混合研磨机的样品在封闭的研磨罐内停留的时间更长，因此即使是难研磨的塑料样品，混合研磨机也能获得比转子研磨机更细的研磨粒度。在整个研磨过程中，样品会持续冷却，CryoMill 甚至能保持 -196 °C 的恒温。MM 500 控制器可将选定温度保持在 -100°C 至 0°C。
在这种温度下，可以使用氧化锆或碳化钨制成的罐子。对于非常坚硬的样品，如大多数塑料，只有在最冷的情况下才能进行粉碎，这就是低温粉碎机。转子研磨机、砂浆研磨机、刀式研磨机或切割式研磨机的处理量和进料尺寸都比混合研磨机大得多。然而，这些研磨机的减小尺寸原理通常会产生较大的研磨尺寸，尤其是在研磨塑料时。刀磨机 GRINDOMIX GM 200 或 GM 300 主要适用于食品样品的低温研磨，但只能使用干冰，不能使用液氮，因为磨机的设计温度不能低至 -196 °C。预冷冻（冷冻室、LN2 水浴，LN2 不进入研磨机）的样品也可以使用。
由于温度很低，液氮特别适用于玻璃化温度低于 -50 °C 的材料。干冰的优点是比液氮蒸发得更快；此外，它可以与样品混合进行研磨，从而延长冷却效果。这对热容量低、无法保持低温的材料（如薄塑料薄膜）尤其有利。与从液氮中提取材料相比，用干冰进样通常更容易，特别是当颗粒小于 1 毫米时。此外，干冰处理起来更安全，因为窒息等危险性要小得多。此外，干冰在研磨过程中不会飞溅，因为它与样品材料完全混合。无论如何，在使用低温研磨助剂时都应遵守相应的安全规定。下文将介绍一系列适用于低温研磨的实验室研磨机。
混合研磨机 MM 400、MM 500 nano、MM 500 vario、MM 500 control 和 CryoMill
混合研磨机（如 MM 400、MM 500 vario 和 CryoMill）非常适合于均质化最大进样尺寸为 8 毫米的小体积样品。这些研磨机有两个研磨站，分别为一个或六个，将装有研磨球和样品的旋盖式研磨罐牢固地夹在其中进行研磨。密闭的研磨罐以及样品都要用液氮进行脆化处理。MM 400 或 MM 500 vario 的研磨罐由钢或聚四氟乙烯制成，也有 1.5、2 和 5 毫升的一次性小瓶或钢管可供选择。必须注意的是，研磨罐内不得装有液氮。研磨过程中的摩擦热会使 LN2 进入气相，导致研磨罐内的压力大大增加。
由于高能量输入和由此产生的摩擦热，研磨过程不应超过 3 分钟，以防止样品升温并保持其破碎特性。如果需要更长的研磨时间，则应通过中间冷却封闭的研磨罐来中断。与上述两种混合研磨机不同，CryoMill 具有用液氮持续冷却研磨罐的优势，可在几分钟内将研磨罐和样品的温度降至 -196°C 。因此，即使研磨时间较长，也能保证稳定的 -196°C 温度，而无需中间冷却循环。此外，用户在任何时候都不会接触到液氮，因此 CryoMill 的操作既安全又方便。自动预冷功能可确保在达到并保持 -196°C 温度之前不启动研磨过程。
该研磨机适合粉碎坚硬的塑料材料。MM 500 nano 和 MM 500 control 可与不同的研磨罐配合使用，并可提供容积达 125 毫升的更大研磨罐--因此，一批可处理多达 80 毫升的物料。MM 500 nano 还提供高达 35 Hz 的高能量输入，这有利于高效粉碎更硬的样品。MM 500 nano 的操作方法与 MM 400 和 MM 500 vario 相同。MM 500 控制型实现了低温研磨的全新方式。罐子通过隔热板冷却。在这里，如果同时安装了 CryoPad，温度可以设定在 -100°C 和 0°C 之间。CryoPad 可控制维持设定温度所需的 LN2 流量。因此，这种粉碎机适用于糖果和食品等样品，因为只需要 -40°C 甚至 -20°C 的 "中等 "低温就能粉碎这些样品。由于温度会不断降低，最高负温度为 -100°C，因此可以使用碳化钨罐和锆罐进行低温研磨。
在混合磨中研磨小量样品
混合研磨机专为研磨小容量样品而设计。通过不同的适配器，可以使用 1.5 ml、2 ml 或 5 ml 的一次性试管，但对于低温研磨来说，这些试管也有脆性和易破损的缺点。所有 RETSCH 混合研磨机都可以使用 2 毫升钢管，这种钢管可以承受低温研磨的苛刻条件。此外，还有用于保存 4 x 5 毫升钢瓶的适配器。MM 500 nano 和 MM 500 control 还可选择使用 2 x 25 ml 或 4 x 10 ml 多腔罐。
切割机 SM 300
在切割磨 SM 300 中进行低温碾磨时，上述影响助磨剂选择的因素也同样重要。这种碾磨机特别适用于加工鞋底或沥青等坚硬材料，可接受比 ZM 300 更大的进料尺寸。SM 300 甚至可以对切割粗糙和轧碎的汽车轮胎进行均质处理。轧碎的样品材料相当坚硬，因此我们建议使用 6 盘转子，因为它的工作原理更像是粉碎机。它也适用于切割异质样品，如包括骨头在内的冷冻鸡肉部分。对于通常作为垃圾衍生燃料一部分的薄塑料薄膜的研磨，我们建议使用干冰，因为在研磨过程中会产生持续的冷却效果。
刀磨机 GRINDOMIX GM 200 和 GM 300
使用刀磨机 GRINDOMIX GM 200 或 GM 300 可以完美地均质奶酪、葡萄干、酒胶或杏仁蛋白等粘性和坚硬的食品样品。即使是在室温下加工成糊状的巧克力，也能成功地进行低温粉碎。样品与干冰按 1:2 的比例混合，几分钟后彻底冷却，然后开始粉碎过程。干冰可使样品始终保持低温。在 GM 200 或 GM 300 中进行低温研磨时，应注意不要使用任何塑料配件，因为这些配件可能会在研磨过程中损坏。合适的附件包括不锈钢研磨容器、全金属刀和带孔的盖子，以便气态二氧化碳蒸发。
砂浆研磨机 RM 200
在灰泥研磨机中，样品通过压力和摩擦力被粉碎，并在研磨过程中达到所需的最终细度。RM 200 灰泥研磨机不是一个封闭的系统；在研磨过程中，可以通过盖子上的窗口加入干冰或液氮。对于低温应用，研钵和研杵必须由不锈钢制成。例如，带有液体填充物的药片可以在研钵研磨机中成功粉碎。
用于低温研磨的 RETSCH 碾磨机概览
| 磨坊 | 进料尺寸 | 进样量 | 最大出料粒度 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| CryoMill | < 8 mm | 1 x 20 ml | 50 µm |
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| MM 400 | < 8 mm | 2 x 20 ml | 100 µm |
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| ZM 300 | < 10 mm | 4000 ml | 300 µm |
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| GM 300 | < 40 mm | 2000 ml | 500 µm |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
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| RM 200 | < 8 mm | 190 ml | 10 µm |
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| MM 500 nano | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
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| MM 500 vario | < 8 mm | 6x 20 ml | 100 µm |
|
| MM 500 control | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
|
| GM 200 | < 40 mm | 300 ml | 300 µm |
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结论
对于许多材料来说，使用液氮或干冰进行粉碎是获得适合后续分析的样品的唯一可行方法。RETSCH 提供一系列实验室研磨机，可以温和、高效地进行低温样品制备。它们的使用大大降低了低温研磨所需的成本和劳动力。选择合适的附件可确保研磨过程安全进行。
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