便攜式拉曼光譜儀實時監控細胞培養液物質濃度
一、引言
細胞培養液提供了細胞或細菌生長和繁殖所需的各種營養物質，包括葡萄糖、乳糖、氨基酸、蛋白質等，指示著細胞或細菌實時的生長狀況。為了保持細胞或細菌的正常生長，對體系內的營養物質含量進行實時、快速地在線監測就顯得至關重要。
傳統的檢測手段通過取樣，采用生化分析儀等方法得到各營養物質的含量，分析一個樣品大概需要20～30分鐘，顯然無法滿足實時監控的要求。拉曼光譜法分析的是分子的非彈性散射光，可透過玻璃、石英、塑料等包裝材料直接進行測量，具有無需采樣、測定速度快且可實時監控等優點，結合簡單易用的化學計量學方法，可為細胞培養液的實時監控提供一個有力的工具。
二、實驗部分
實驗參數：B&W Tek便攜式拉曼光譜儀(BWS445-785):激光波長785 nm，波長范圍65～3070cm-1，分辨率3.5 cm-1，TE致冷至-20℃，2D binning模式。采集譜圖時積分時間選擇60 s，激光功率為210 mW×100%。
BWIQ拉曼定量分析軟件：可與B&W Tek的拉曼光譜儀無縫連接，包含常見的光譜預處理、樣品集劃分及經典多元回歸方法等，還包括一些獨有的熒光背景扣除、Whittaker平滑，SVR非線性回歸等算法，從而滿足不同類數據的建模分析。BWIQ采用向導式的建模方式，用戶可自由的對各類算法進行編輯或執行預覽，便于對算法參數進行修正。
測試步驟：
1. 搭建在線監控平臺(圖1)：
2. 光譜數據的采集：連接BWRam光譜采集軟件和BWIQ拉曼定量分析軟件，然后進行在線采集和數據分析工作。（也可以先采集樣品光譜數據，然后加載到BWIQ里進行批量分析）。
3. 建模及預測：在BWIQ里按照從左到右的順序依次點擊樣品前處理步驟（熒光背景扣除、Savitsky-Golay平滑、Savitsky-Golay二階導數等處理），然后采用PLR（偏最小二乘回歸）方法進行建模（根據樣品性質也可采用其他回歸方法，如MLR、PCR、SVR等）。預測未知樣品時，僅需點擊“Predict”按鈕加載需預測樣品即可立刻得到結果(<3s)。
三、結果
采用PLS方法進行建模，所得結果為訓練集R2為0.985，RMSE值為0.177；驗證集R2為0.981，RMSE值為0.192，結果較為理想（見圖3）。并用所建的模型預測實際體系中若干個樣品所含的某種營養物質濃度（見表1），結果符合預期要求。
4．結論
表1實際體系中某種營養物質濃度
| 樣品編號 | 某種物質實際濃度( g/L) | 某種物質預測濃度( g/L) |
|---|---|---|
| 1 | 0.725 | 0.703 |
| 2 | 1.855 | 1.863 |
| 3 | 2.620 | 2.550 |
| 4 | 3.645 | 3.650 |
| 5 | 4.760 | 4.763 |
| …… | …… | …… |
通過以上實例說明，使用BWTEK公司便攜式拉曼光譜儀結合其簡單易用的BWIQ定量分析軟件可以很方便地監控細胞培養液物質濃度，檢測限達0.5 g/L，且對樣品無接觸、無污染，建模及預測過程簡單、快速，大幅度提高了樣品的分析效率。
