前言
“美國食品和藥物管理局（FDA）和歐洲藥品管理局（EMA）在推動生物醫(yī)藥研究和生產(chǎn)的指南中，提出了“質(zhì)量源于設(shè)計”（QbD）和過程分析技術(shù)（PAT）的概念。PAT是一種技術(shù)集成系統(tǒng)，通過實時測量原料、過程中物料以及過程本身的關(guān)鍵質(zhì)量屬性，實現(xiàn)對過程的設(shè)計、分析和控制，旨在確保過程的穩(wěn)健性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量?！?/p>
隨著光纖技術(shù)的進步，除了已有的離線光譜技術(shù)外，市場還開發(fā)出了更適用于反應(yīng)監(jiān)控的原位在線光譜技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的在線分析。
主流的在線光譜分析方法包括近紅外光譜（NIR）、中紅外光譜（MIR）和拉曼光譜等，這些技術(shù)都在制藥行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。其中，在線拉曼光譜技術(shù)能夠在線檢測發(fā)酵過程中的營養(yǎng)物、代謝物和產(chǎn)物，以及細胞生長參數(shù)等指標。
拉曼光譜的基礎(chǔ)知識
拉曼光譜是一種無損的分析技術(shù)，它是基于光和材料內(nèi)化學(xué)鍵的相互作用而產(chǎn)生的，可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度以及分子相互作用的詳細信息。
發(fā)現(xiàn)拉曼散射的印度科學(xué)家拉曼
拉曼是一種光散射技術(shù)，激光光源的高強度入射光被分子散射時，大多數(shù)散射光與入射激光具有相同的波長（顏色），不能提供有用的信息，這種散射稱為瑞利散射。然而，還有極小一部分（大約1/109）散射光的波長（顏色）與入射光不同，其波長的改變由測試樣品（所謂散射物質(zhì)）的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，這部分散射光稱為拉曼散射。
拉曼散射光對稱地分布在瑞利散射光的兩側(cè)，但其強度比瑞利散射光弱得多，通常只為瑞利光強度的 10-6-10-9。
拉曼光譜能提供什么信息
一張拉曼光譜圖通常由若干拉曼峰組成，每個拉曼峰表示了相應(yīng)的拉曼散射光的波長位置和強度。這些譜峰各自對應(yīng)著特定的分子鍵振動模式，其中包括單一化學(xué)鍵（如C-C、C=C、N-O、C-H等）和多個化學(xué)鍵組成的基團振動（如苯環(huán)的呼吸振動、多聚物長鏈的振動以及晶格振動等）。通過拉曼光譜，我們可以獲取以下信息：
Raman shift
一般而言，拉曼光譜是特定分子或材料獨有的化學(xué)指紋，能夠用于快速確認材料種類或者區(qū)分不同的材料。在拉曼光譜數(shù)據(jù)庫中包含著數(shù)千條光譜，通過快速搜索，找到與被分析物質(zhì)相匹配的光譜數(shù)據(jù)，即可鑒別被分析物質(zhì)。
拉曼譜線的頻率雖然隨入射光頻率而變化，但拉曼散射光的頻率和瑞利散射光頻率之差卻基本上不隨入射光頻率而變化，而與樣品分子的振動和轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。此頻率差稱為拉曼頻移（Raman shift），即拉曼光譜的橫坐標。Δν=|ν0-νs |，即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。Δv取決于分子振動能級的改變，所以他是特征的，并且拉曼光譜與入射光波長無關(guān)，適應(yīng)于分子結(jié)構(gòu)的分析。因此，拉曼位移是表征物質(zhì)分子振動，轉(zhuǎn)動能級特性的一個物理量。
激光拉曼光譜儀的組成
自20世紀60年代激光器被應(yīng)用于拉曼光譜儀以來，拉曼光譜儀經(jīng)歷了飛速的發(fā)展。現(xiàn)代拉曼光譜儀在檢測精度和測試范圍上都有了前所未有的提升，遠遠超越了以往的儀器。以下是激光拉曼光譜儀的組成示意圖，它主要包含五個核心部分：光源、外光路系統(tǒng)、樣品池、單色器以及信號處理與輸出系統(tǒng)。
激光拉曼光譜儀示意圖
拉曼光譜與紅外光譜的比較
拉曼光譜與紅外光譜均為分析分子內(nèi)部各種簡正振動頻率及振動能級情況的強大工具，適用于鑒定分子中的官能團。盡管兩者都能提供關(guān)于分子振動的信息，但它們的產(chǎn)生原理和機制卻截然不同，因此在分子結(jié)構(gòu)分析中互為補充。特別地，拉曼光譜能夠揭示一些紅外光譜無法檢測到的信息。
紅外光譜主要側(cè)重于檢測極性基團的振動，適用于含有極性鍵的化合物，多用于有機物的分析。相反，拉曼光譜則專注于分子骨架的檢測，適用于非極性鍵的分析，不僅限于有機物，也能有效地測試無機物。拉曼光譜由于對水不敏感，在含水體系下拉曼定量模型相比紅外光譜會有優(yōu)勢。
沃鈦思-賽默飛
拉曼光譜在線檢測解決方案
沃鈦思為生物制造過程在線監(jiān)測和自動化控制提供解決方案，為過程分析技術(shù)（PAT）實施和產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型助力。該解決方案基于在線拉曼光譜技術(shù)，從目標產(chǎn)品的工藝特性出發(fā)，實時在線監(jiān)測微生物和細胞培養(yǎng)過程的關(guān)鍵變量，利用沃美生物定制化培養(yǎng)基進行自動化反饋補料控制，真正實現(xiàn)智能感知、智能分析、智能預(yù)測和智能精準控制。該系統(tǒng)的實施可減少過程取樣的染菌風險，實現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化，同時確保批次間產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
高實時性和準確性
秒級或分鐘級的頻率實時監(jiān)測關(guān)鍵過程變量的變化趨勢。自主開發(fā)專業(yè)的多元變量建模方法，確保模型預(yù)測準確。
過程曲線可視化和智能化補料控制
自主開發(fā)的反應(yīng)器控制軟件X-Bio，集成拉曼光譜過程預(yù)測數(shù)據(jù)的可視化功能，可實時、高效展示過程曲線變化趨勢。與沃鈦思生物反應(yīng)器控制單元協(xié)同作用，可實現(xiàn)在線實時數(shù)據(jù)采集、參數(shù)預(yù)測和反饋控制的閉環(huán)，助力工藝開發(fā)和智能生物制造平臺建設(shè)。
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適用場景
細胞培養(yǎng)過程監(jiān)測與工藝開發(fā)
微生物發(fā)酵過程監(jiān)測與工藝開發(fā)
分離純化過程監(jiān)測與工藝開發(fā)
生物制造過程監(jiān)控與質(zhì)量控制
光譜1拉曼1生物醫(yī)藥1
