用于氧化石墨烯透析纯化实时终点控制的电导率过程分析技术

《Analytica Chimica Acta》：Conductometric Process Analytical Technology for Real-Time Endpoint Control of Graphene Oxide Dialysis Purification

　　

# 透析提纯过程中溶液电导率增量（Δκ）作为提纯控制判据的研究

## 摘要要点

- 小时电导率增量Δκ跟踪透析反应器的交换状态
- 无量纲PAT判据Ki < 0.2用于安排试剂更换和终点判定
- 该判据通过与ICP-OES阶段性锰和钛释放最大值对比验证
- 判据驱动的梯度透析去除97.8%的锰，而静态模式下仅去除64.9%
- 大多数阶段的触发时间不确定性≤0.25小时（Monte Carlo，JCGM 101）

## 引言

纳米材料可重复生产对实时分析控制的需求日益被认可，但对于透析——氧化石墨烯最广泛使用的提纯路线——仍然缺乏经验证的、基于物理的终点判据。本研究从过程分析技术（PAT）的角度着手解决这一空白，以氧化石墨烯为模型体系。

氧化石墨烯（GO）是一种复杂的非均质材料，横向尺寸从微米到纳米不等。该类材料表现出复杂的动态结构[1]，具有广泛的含氧官能团（OCGs），能够实现选择性膜传输，例如无阻碍的水传输[2]、自由基清除活性（例如过氧自由基模型体系）[3]，以及作为负载和递送应用的制备平台等[4],[5]。目前急需一种性质可重复且完全标准化的材料。这可以通过控制合成方法或实验设计[6]实现，提供更好的可扩展性[7]。国际质量评估方案已制定并提议——ISO/TS 23359（2025年8月）——但在此领域仍需进一步工作，以消除最常用表征方法（如XPS、TGA、ICP-MS和FTIR）[8]及系统性质量方案[9]中出现的误读。

通过Hummers法[11]和Brodie法[12]合成氧化石墨烯[10]（研究最广泛的材料类型）后，仍残留大量非目标物种，包括金属杂质[13],[14]、氧化碎屑片段[15]以及高度氧化的石墨颗粒。对于定量测定，过去十年中电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）是纳米碳元素分析中常用且广泛认可的方法[16],[17]。尺寸分离、表面洁净的GO-Gd@C82纳米杂化材料表现出独特的"二次自旋-电子转移"弛豫机制[18]。去除阻碍反应性官能团（如环氧基、羧基）的污染物或化学残留物，保证了与反应物的无障碍接触[19]。

该领域的里程碑研究已经提出了此类处理的必要性，以及自动化[20]和全工艺控制[21]的需求。其中最可靠且成熟的方案之一是透析提纯，它为纳米材料（尤其是微流控条件下[22]）提供了高效、可重复且可持续的提纯，时间更短（约23小时）[23]。对于氧化石墨烯，该过程耗时漫长且几乎不受控制，提纯可能需要一周到一个月[24],[25]。最近提出了半自动化提纯方案[20]，以及电导率控制工艺[21]。

此类提纯系统的发展是为电分析或光子学制备尺寸可重复薄片[26]的高质量材料可重复制备的前提，其中对相纯度要求极高[27]，适用于所有二维材料[28]和纳米材料，尤其是后者[29]。

这一要求在电分析中最为严格，其中氧化石墨烯及其还原形式仍然是最广泛部署的碳基电极修饰剂，因其电导率、可及表面积以及将其锚定在纳米复合材料结构中的含氧官能团而备受青睐。在制备阶段表面化学控制不足被认为是批次间变异性主要来源，限制了此类平台的可重复性[30]。在这种情况下，氧化石墨烯的提纯应首先被视为去除与合成相关的杂质：残留金属离子、酸、盐、氧化剂及低分子副产物。因此，透析清洗旨在获得化学定义明确且实验室间可重复的氧化石墨烯分散液。

该方法的持续应用最显著地体现在生物制药工艺中的过程分析技术（PAT）和质量源于设计（QbD）范式内[31]。通过将关键工艺参数与关键质量属性联系起来，利用自动化高通量样品制备和快速LC-MS读出实现工艺控制[32]。同时，开发了快速在线方法，其中物理信号——多角度光散射——用于在色谱提纯阶段直接评估颗粒尺寸、数量和完整性，而衍生量被提出作为组分质量的间接指标[33]；平衡透析结合LC-MS则依赖基于扩散的重新分布和阈值统计，从复杂基质中选择目标相互作用[34]。在生物制药下游加工之外，同一范式在制药制造中已得到形式化，其中PAT与实时放行检测相结合，读出中决策相关参数通过参数空间的穷举搜索离线固定，使部署的模型保持与实时操作计算兼容[35]。完成判据要么是隐含的且只能从分析逻辑中重建，要么是按惯例设定的（如分类器准确率阈值或统计显著性阈值），而事实上，明确、基于物理且经验证的提纯完成判据尚未被制定。支持信息第1节提供了该领域文献趋势概览（图S.1）。

对于分散液透析提纯过程，尤其是氧化石墨烯，简单的、直接的且可重复的监控判据尚未建立。这界定了本工作的目标：提出并验证一个电导率判据，用于监控氧化石墨烯透析提纯质量，该判据操作简单且适应连续过程控制。在本工作中，我们证明了透析液电导率κ这一易于获取的分析信号与氧化石墨烯纯度程度之间的相关性。对信号进行差分后处理，即透析液的小时电导率增量（Δκ），使我们能够提出一个过程分析技术（PAT）判据，该判据经稳健的ICP-OES结果确认，确保通过缩短过程时间和提高提纯效率（过程深度）实现GO的有效提纯。最近的研究使用固定时间/MWCO方案、电导率阈值或速率以及分析物特异性检测来判断透析完成（SI第15节，表S.13）。与绝对电导率监测不同，我们的基于Δκ的Ki < 0.2规则提供了明确的试剂更换决策，并经ICP-OES阶段性Mn/Ti释放验证。研究对象是分析判据及其验证；透析装置本身的放大是过程工程任务，本文不予讨论。

## 章节摘要

### 纳米材料样品

氧化石墨烯（RusGraphene，俄罗斯）通过Hummers法合成（2025年9月批次）。氧化石墨烯在P2O5上干燥一周；残留水分含量为3.75 ± 0.09%。原材料通过XRD、ATR-FTIR和TGA进行表征，以评估其官能团和晶体结构（见SI，图S.18、S.19和S.20）。

### 开发的实验装置

所提出的提纯装置包括三个关键组成部分：配备蠕动泵的试剂供应和排放单元、透析袋

### 溶液电导率增量（Δκ）作为提纯控制判据

在本工作中，Δκ定义为每小时比电导率的变化（公式2，2.1节）。

- 它显示了反应器被过氧化物饱和的程度
- 金属贡献通过共享的交换过程间接进入Δκ（见4.3.1节"Δκ参数作为反应器填充和介质交换度量的定义"）
- 初始时Δκ较大，因为系统中没有试剂。随着每次后续添加，反应器中的混合物逐渐……

### 氧化石墨烯提纯的透析方法

透析提纯基于低分子量杂质（包括无机物和GO的氧化碎屑）通过半透膜的扩散，由分散液与外部介质之间的浓度梯度驱动。氧化碎屑也可以更稳定地结合残留过渡金属离子，这应有助于基于试剂的透析提纯[49],[50]。

3.5 kDa透析袋膜允许在损耗最小的情况下进行提纯

## 结论

透析液的电导率是一种成本效益高的分析信号，对在线监控透析提纯具有显著潜力。小时电导率增量Δκ将一个低成本电导通道转化为透析反应器交换状态的实时指标。由此衍生的无量纲判据Ki < 0.2提供了明确的、基于物理的规则，有助于决定何时在氧化石墨烯过程中更换冲洗试剂。

## CRediT作者贡献声明

Vita N. Nikitina：撰写——初稿，调查研究，形式分析。
Alena R. Karastsialiova：撰写——初稿，调查研究，形式分析。
Mikhail A. Proskurnin：撰写——审查与编辑，监督，概念化。
Ivan V. Mikheev：撰写——审查与编辑，撰写——初稿，监督，资源，项目管理，方法论，经费获取，概念化。
Sergey P. Popov：撰写——初稿，可视化，软件，调查研究，

## 利益冲突声明

Ivan V. Mikheev报告了俄罗斯科学基金会提供的财务支持（项目号24-73-10012）。S. P. Popov、V. A. Manuilenko、V. V. Koshlan、Konstantin I. Maslakov、Evgeniy G. Evtushenko、Vita N. Nikitina、Alena R. Karastsialiova和M. A. Proskurnin声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所述工作的报告。

## 数据可用性

本研究底层数据在Zenodo上公开可用，地址为：http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.22814204 [92]。

## 生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的使用声明

在准备工作期间，作者使用了ChatGPT 5.5 (Codex)协助开发材料和方法部分所述的数据采集和处理软件，并使用ProWritingAid和Claude Opus 5 (Anthropic)进行语言编辑。图形摘要中的风格化眼睛符号纯属说明性用途，由ChatGPT 5.5生成；作者审查了生成的图像并对其内容承担全部责任。使用这些……

## 资助

本工作由俄罗斯科学基金会资助（项目号24-73-10012）。

## 利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所述工作的报告。

## 致谢

本文献给明尼苏达大学化学系Peter W. Carr教授（1944–2025）的纪念，其教学和教育视频启发了本工作。作者感谢莫斯科国立M.V.罗蒙诺索夫大学发展计划支持ICP-AES（Agilent ICP-OES 5800 VDV）测量。作者感谢罗蒙诺索夫莫斯科国立大学发展计划提供XPS设施的访问权限。

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