超声波粒子操纵辅助高通量拉曼技术：革新生物药物发酵监测

在生物药物制造领域，对代谢物、细胞密度及产品浓度等关键质量属性的精准监测，是工艺开发与规模化生产的核心环节。代谢物反映细胞健康状态，细胞密度揭示生长动力学规律，产品浓度则直接关联产量目标，三者共同决定着生产工艺的优化方向、成本控制效果与可重复性水平。

拉曼光谱凭借非侵入性、实时分析的优势，能够快速解析培养基中的生化成分，成为生物过程监测的理想工具。布鲁克专利的高通量增强狭缝（HTVS™）技术，进一步强化了拉曼光谱的性能——更快的测量速度可缩短数据获取周期，更低的检测限能捕捉微量成分变化，低激光功率测量则避免对生物样本造成损伤，完美适配生物制药行业的严苛要求。

拉曼光谱与超声波粒子操纵技术结合，该技术通过特定传感器产生超声波，经第二表面反射形成准驻波场，利用驻波对颗粒的作用力精准操纵细胞等生物颗粒。通过调控超声波场参数，可将细胞团聚焦于拉曼测量的最佳区域，让光谱分析更精准地针对目标样本，有效排除背景干扰，为深入解析细胞生理状态与代谢活动奠定基础。

图1 在线拉曼探头在典型生物反应器中与超声波粒子操纵辅助技术结合图

在soniccatch™未激活时，系统采集的发酵液光谱清晰展现了培养基的生化成分特征。采用偏最小二乘多元分析（PLS），将拉曼光谱与葡萄糖、乙醇、生物质浓度等关键工艺参数建立关联模型。极低的误差值证明了高通量拉曼系统在量化关键成分时的高精度，能够准确反映发酵过程中营养消耗与产物积累的动态变化。

图2 葡萄糖、乙醇、生物质PLS模型和发酵期间这三种成分浓度变化曲线

当soniccatch™激活后，酵母细胞被精准聚焦至拉曼测量焦点区域，此时获取的细胞光谱为解析细胞内部状态提供了丰富信息。例如，通过光谱可识别细胞内糖原的积累情况，而糖原含量变化正是细胞代谢状态转变的重要标志，为研究人员追踪细胞生理周期提供了直接依据。

图3 soniccatch™未激活与激活状态下拉曼光谱图和有机物及水拉曼谱带的强度分布图

为进一步挖掘光谱数据中的隐藏信息，对预处理后的细胞光谱进行主成分分析（PCA）。PCA得分图清晰划分出酵母发酵的四个关键阶段：指数生长期，细胞快速增殖，葡萄糖被大量消耗；代谢转变期，葡萄糖耗尽后细胞启动乙醇代谢途径；呼吸期，细胞消耗前期积累的乙醇以维持生物质合成；休眠前期，营养物质耗尽，细胞进入休眠准备状态。而PCA载荷图则定位了光谱差异的关键波数，为理解不同发酵阶段的生化变化机制提供了明确方向，如特定波数的强度变化与乙醇代谢酶活性、糖原合成相关蛋白的表达密切相关。

图4 主成分分析第一和第三主成分及得分图