便携式拉曼光谱仪实时监控细胞培养液物质浓度

一、引言

细胞培养液提供了细胞或细菌生长和繁殖所需的各种营养物质，包括葡萄糖、乳糖、氨基酸、蛋白质等，指示着细胞或细菌实时的生长状况。为了保持细胞或细菌的正常生长，对体系内的营养物质含量进行实时、快速地在线监测就显得至关重要。

传统的检测手段通过取样，采用生化分析仪等方法得到各营养物质的含量，分析一个样品大概需要20～30分钟，显然无法满足实时监控的要求。拉曼光谱法分析的是分子的非弹性散射光，可透过玻璃、石英、塑料等包装材料直接进行测量，具有无需采样、测定速度快且可实时监控等优点，结合简单易用的化学计量学方法，可为细胞培养液的实时监控提供一个有力的工具。

二、实验部分

实验参数：B&W Tek便携式拉曼光谱仪(BWS445-785):激光波长785 nm，波长范围65～3070cm^-1，分辨率3.5 cm^-1，TE致冷至-20℃，2D binning模式。采集谱图时积分时间选择60 s，激光功率为210 mW×100%。

BWIQ拉曼定量分析软件：可与B&W Tek的拉曼光谱仪无缝连接，包含常见的光谱预处理、样品集划分及经典多元回归方法等，还包括一些独有的荧光背景扣除、Whittaker平滑，SVR非线性回归等算法，从而满足不同类数据的建模分析。BWIQ采用向导式的建模方式，用户可自由的对各类算法进行编辑或执行预览，便于对算法参数进行修正。

测试步骤：

1. 搭建在线监控平台(图1)：

2. 光谱数据的采集：连接BWRam光谱采集软件和BWIQ拉曼定量分析软件，然后进行在线采集和数据分析工作。（也可以先采集样品光谱数据，然后加载到BWIQ里进行批量分析）。

3. 建模及预测：在BWIQ里按照从左到右的顺序依次点击样品前处理步骤（荧光背景扣除、Savitsky-Golay平滑、Savitsky-Golay二阶导数等处理），然后采用PLR（偏最小二乘回归）方法进行建模（根据样品性质也可采用其他回归方法，如MLR、PCR、SVR等）。预测未知样品时，仅需点击“Predict”按钮加载需预测样品即可立刻得到结果(<3s)。

三、结果

采用PLS方法进行建模，所得结果为训练集R2为0.985，RMSE值为0.177；验证集R2为0.981，RMSE值为0.192，结果较为理想（见图3）。并用所建的模型预测实际体系中若干个样品所含的某种营养物质浓度（见表1），结果符合预期要求。

4．结论

表1实际体系中某种营养物质浓度

通过以上实例说明，使用BWTEK公司便携式拉曼光谱仪结合其简单易用的BWIQ定量分析软件可以很方便地监控细胞培养液物质浓度，检测限达0.5 g/L，且对样品无接触、无污染，建模及预测过程简单、快速，大幅度提高了样品的分析效率。