Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀是一款拉曼光譜分析儀器，旨在為研發(fā)過(guò)程的任何階段提供快速、穩(wěn)健、可擴(kuò)展和可靠的分子識(shí)別、定量和表征。它采用了“一體化"的設(shè)計(jì)，利用易于更換的高壓滅菌探頭，滿(mǎn)足但不限于上游生物過(guò)程監(jiān)測(cè)或灌裝和成品表征的各種分析需求。

化學(xué)計(jì)量學(xué)分析允許用戶(hù)開(kāi)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)模型，根據(jù)分析儀的數(shù)據(jù)用以監(jiān)測(cè)多種分析物的濃度。從時(shí)間和資源的角度來(lái)看，建立一個(gè)準(zhǔn)確而可靠的化學(xué)計(jì)量學(xué)模型需要大量的投資。因此，化學(xué)計(jì)量模型必須可以在不同儀器之間使用，以充分利用這一投資的價(jià)值。

一旦化學(xué)計(jì)量模型被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它就可以傳遞給任何 Ramina 過(guò)程分析儀使用，以高度準(zhǔn)確的模型精度并行監(jiān)測(cè)多個(gè)反應(yīng)器。在不同系統(tǒng)硬件之間傳輸化學(xué)計(jì)量學(xué)模型時(shí)保持的測(cè)量準(zhǔn)度和精度，確保了客戶(hù)在使用新儀器或新的高壓滅菌探頭時(shí)不必重新構(gòu)建模型。

為了證明復(fù)雜的化學(xué)計(jì)量模型的可轉(zhuǎn)移性，我們?cè)u(píng)估了 Gibco™DMEM 生長(zhǎng)介質(zhì)中的三種相關(guān)分析物：葡萄糖、谷氨酰胺和乳酸鹽。三種分析物在生物反應(yīng)器中都在 g/L 濃度范圍內(nèi)，葡萄糖在0-12 g/L范圍內(nèi)，谷氨酰胺0-2.5 g/L范圍內(nèi)，乳酸0-20 g/L范圍內(nèi)。

通過(guò)使用一套校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的 Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀中收集光譜，建立了化學(xué)計(jì)量學(xué)模型。在每種分析物的相關(guān)濃度范圍內(nèi)，采用均勻設(shè)計(jì)方法選擇24個(gè)隨機(jī)濃度的樣品，然后將該模型應(yīng)用于8個(gè)驗(yàn)證樣品，驗(yàn)證樣品的光譜使用10臺(tái)不同的 Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀進(jìn)行測(cè)量。

為最大限度地提高與分析物濃度對(duì)應(yīng)的特征光譜的信噪比對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的參數(shù)為15s積分時(shí)間，450mw 激光功率，自動(dòng)暗背景信號(hào)校正，重復(fù)采集10次光譜后取平均。該模型能夠以非常好的準(zhǔn)確度和精度預(yù)測(cè)8個(gè)樣品驗(yàn)證集所有三種分析物的濃度。

使用 Eigenvector Solo 軟件建立了一個(gè) PLS 模型，以預(yù)測(cè)每種混合物中的這三種分析物。采用24個(gè)校正樣本，每個(gè)樣本3次重復(fù)，建立 PLS 校正模型。所有校準(zhǔn)光譜均使用一臺(tái) Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀收集，采用870 ~ 3096 cm-1之間指紋區(qū)的光譜建立模型，采用 SavitskyGolay 平滑濾波器去除隨機(jī)噪聲，提高信噪比。接著對(duì)基線進(jìn)行校正，然后進(jìn)行散射校正和歸一化。此外，在建立模型之前，所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行中心均值處理。

采用去除一個(gè)樣本的交叉驗(yàn)證策略建立校準(zhǔn)模型。同一樣品的3個(gè)重復(fù)在此過(guò)程中一起進(jìn)行。經(jīng)過(guò)這些關(guān)鍵的預(yù)處理和交叉驗(yàn)證步驟，最終選擇了四變量?jī)?yōu)化模型。模型的校準(zhǔn)和交叉驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)下表1。

開(kāi)發(fā)可靠的化學(xué)計(jì)量模型需要大量的時(shí)間和資源投入。為了確保這項(xiàng)投資為我們的客戶(hù)提供長(zhǎng)期價(jià)值，我們已經(jīng)在眾多 Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀上展示了化學(xué)計(jì)量模型的可移植性。下圖1中的相關(guān)圖顯示了葡萄糖（下圖1A）、乳酸（下圖1B）和谷氨酰胺（下圖1C）的預(yù)測(cè)值與參考值。每個(gè)圖包含所有10臺(tái) Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀的預(yù)測(cè)值的疊加。通過(guò)10臺(tái)Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀，化學(xué)計(jì)量模型的精度為客戶(hù)提供一致的結(jié)果。

下表2顯示了每個(gè) Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀上每種分析物的平均預(yù)測(cè)誤差，以及10臺(tái) Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀上每種分析物的平均誤差。所有參數(shù)均表現(xiàn)出較高的測(cè)量精度，預(yù)測(cè)誤差小于0.5 g/L。此外，部分預(yù)測(cè)誤差小于0.1 g/L。這一精度水平與其他已發(fā)表的化學(xué)計(jì)量學(xué)建模結(jié)果一致，并與生物反應(yīng)器監(jiān)測(cè)的其他相關(guān)測(cè)量技術(shù)相當(dāng)。

儀器的準(zhǔn)確性和精確性，可以很容易地將生物反應(yīng)器內(nèi)的葡萄糖濃度控制在典型的2-4 g/L范圍內(nèi)。此外，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)和反饋利用，甚至更嚴(yán)格的控制是可能的，從而改善過(guò)程反應(yīng)和產(chǎn)品的一致性。使用 Thermo Scientific Ramina 過(guò)程分析儀開(kāi)發(fā)的化學(xué)計(jì)量模型在全面的生物反應(yīng)器研究中監(jiān)測(cè)多組分具有出色性能。