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點(diǎn)擊閱讀,一場科學(xué)實(shí)驗(yàn)揭露真相!
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(kuò)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(jì),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(jì)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(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(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)置
為了證明復(fù)雜的化學(xué)計(jì)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(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個隨機(jī)濃度的樣品,然后將該模型應(yīng)用于8個驗(yàn)證樣品,驗(yàn)證樣品的光譜使用10臺不同的 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀進(jìn)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(jìn)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(yàn)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硬件,由光譜儀主機(jī)、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(jì)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(jī)噪聲,提高信噪比。接著對基線進(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。
采用去除一個樣本的交叉驗(yàn)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(jìn)行。經(jīng)過這些關(guān)鍵的預(yù)處理和交叉驗(yàn)證步驟,最終選擇了四變量優(yōu)化模型。模型的校準(zhǔn)和交叉驗(yàn)證結(jié)果見下表1。
Analyte | |||
Model Parameter | Glucose | Glutamine | Lactate |
RMSEC (g/L) | 0.079 | 0.075 | 0.146 |
RMSECV (g/L) | 0.095 | 0.088 | 0.176 |
Bias (g/L) | 4.79E-05 | -1.94E-05 | -2.50E-05 |
CV Bias (g/L) | -2.25E-04 | -6.45E-04 | -4.42E-03 |
R2 Calibration | 0.9995 | 0.9902 | 0.9994 |
R2 Cross-Validation | 0.9993 | 0.9864 | 0.9991 |
表1.化學(xué)計(jì)量學(xué)模型的校準(zhǔn)和交叉驗(yàn)證結(jié)果
隨后,用10臺不同的 Thermo Scientific Ramina 過程分析儀上收集8個驗(yàn)證樣品集的光譜。將建立的化學(xué)計(jì)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(jì)量模型需要大量的時間和資源投入。為了確保這項(xiàng)投資為我們的客戶提供長期價(jià)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(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(jì)量模型的精度為客戶提供一致的結(jié)果。
A
B
C
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)測誤差小于0.5 g/L。此外,部分預(yù)測誤差小于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(jì)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。
Average prediction error (g/L) | |||
Hardware | Glucose | Glutamine | Lactate |
Instrument 1 | 0.18 | 0.05 | 0.20 |
Instrument 2 | 0.11 | 0.13 | 0.40 |
Instrument 3 | 0.12 | 0.15 | 0.21 |
Instrument 4 | 0.18 | 0.14 | 0.26 |
Instrument 5 | 0.18 | 0.08 | 0.40 |
Instrument 6 | 0.40 | 0.11 | 0.25 |
Instrument 7 | 0.13 | 0.38 | 0.32 |
Instrument 8 | 0.21 | 0.11 | 0.26 |
Instrument 9 | 0.47 | 0.15 | 0.44 |
Instrument 10 | 0.09 | 0.34 | 0.23 |
Average error (across 10 systems) | 0.21 | 0.16 | 0.30 |
表2.化學(xué)計(jì)量學(xué)模型計(jì)算預(yù)測誤差(RMSEP)
結(jié)論
本實(shí)驗(yàn)證明化學(xué)計(jì)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(jì)量模型,為用戶提供了優(yōu)秀的測量準(zhǔn)確度和精確度。信號處理和模型優(yōu)化可以進(jìn)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(jì)量模型提供了基本參考。