前言

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

化學(xué)計量學(xué)分析允許用戶開發(fā)一個數(shù)據(jù)模型，根據(jù)分析儀的數(shù)據(jù)用以監(jiān)測多種分析物的濃度。從時間和資源的角度來看，建立一個準(zhǔn)確而可靠的化學(xué)計量學(xué)模型需要大量的投資。因此，化學(xué)計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值。

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

實驗設(shè)置

為了證明復(fù)雜的化學(xué)計量模型的可轉(zhuǎn)移性，我們評估了 Gibco?DMEM 生長介質(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)。

通過使用一套校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀中收集光譜，建立了化學(xué)計量學(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)計方法選擇24個隨機濃度的樣品，然后將該模型應(yīng)用于8個驗證樣品，驗證樣品的光譜使用10臺不同的 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀進行測量。

為最 大限度地提高與分析物濃度對應(yīng)的特征光譜的信噪比對采集參數(shù)進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的參數(shù)為15s積分時間，450mw 激光功率，自動暗背景信號校正，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8個樣品驗證集所有三種分析物的濃度。

本研究中評估的每臺 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀都包括一套獨特的硬件，由光譜儀主機、光纖電纜和生物反應(yīng)器探頭組成。每種分析物的平均預(yù)測誤差為葡萄糖0.21 g/L、谷氨酰胺0.16 g/L、乳酸0.3 g/L。這些結(jié)果證明了這一復(fù)雜的化學(xué)計量模型可以在多臺 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀之間出色地轉(zhuǎn)移。

模型分析

使用 Eigenvector Solo 軟件建立了一個 PLS 模型，以預(yù)測每種混合物中的這三種分析物。采用24個校正樣本，每個樣本3次重復(fù)，建立 PLS 校正模型。所有校準(zhǔn)光譜均使用一臺 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀收集，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噪聲，提高信噪比。接著對基線進行校正，然后進行散射校正和歸一化。此外，在建立模型之前，所有數(shù)據(jù)均進行中心均值處理。 

采用去除一個樣本的交叉驗證策略建立校準(zhǔn)模型。同一樣品的3個重復(fù)在此過程中一起進行。經(jīng)過這些關(guān)鍵的預(yù)處理和交叉驗證步驟，最 終選擇了四變量優(yōu)化模型。模型的校準(zhǔn)和交叉驗證結(jié)果見下表1。

隨后，用10臺不同的 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀上收集8個驗證樣品集的光譜。將建立的化學(xué)計量學(xué)模型應(yīng)用于每臺 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀預(yù)測分析物濃度。下文討論的結(jié)果表明，在10臺 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀中，三種成分的預(yù)測都保持了高度的準(zhǔn)確性和精確度。

結(jié)果

開發(fā)可靠的化學(xué)計量模型需要大量的時間和資源投入。為了確保這項投資為我們的客戶提供長期價值，我們已經(jīng)在眾多 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀上展示了化學(xué)計量模型的可移植性。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)測值與參考值。每個圖包含所有10臺 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀的預(yù)測值的疊加。通過10臺Thermo Scientific Ramina 過程分析儀，化學(xué)計量模型的精度為客戶提供一致的結(jié)果。

下表2顯示了每個 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀上每種分析物的平均預(yù)測誤差，以及10臺 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀上每種分析物的平均誤差。所有參數(shù)均表現(xiàn)出較高的測量精度，預(yù)測誤差<0.5 g/L。此外，部分預(yù)測誤差<0.1 g/L。這一精度水平與其他已發(fā)表的化學(xué)計量學(xué)建模結(jié)果一致，并與生物反應(yīng)器監(jiān)測的其他相關(guān)測量技術(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，通過持續(xù)監(jiān)測和反饋利用，甚至更嚴(yán)格的控制是可能的，從而改善過程反應(yīng)和產(chǎn)品的一致性。使用 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀開發(fā)的化學(xué)計量模型在全面的生物反應(yīng)器研究中監(jiān)測多組分具有出色性能。

結(jié)論

本實驗證明化學(xué)計量模型可在多個 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀之間轉(zhuǎn)移，為客戶帶來了極大的便利。Thermo Scientific Ramina 過程分析儀能夠跨多個單元使用相同的化學(xué)計量模型，為用戶提供了優(yōu)秀的測量準(zhǔn)確度和精確度。完 美的信號處理和模型優(yōu)化可以進一步提高預(yù)測的性能水平。本文例子為使用 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀開發(fā)化學(xué)計量模型提供了基本參考。

問卷有禮