发布日期：2026-07-15 09:47:33 传统发酵过程监测长期依赖离线分析手段，存在诸多难以克服的短板：
痛点 | 具体表现 |
安全与效率矛盾 | 人工取样增加染菌风险；单次 HPLC 分析耗时 ≥30 min，数据严重滞后 |
荧光干扰严重 | 酵母/CHO 细胞代谢产蛋白质、核酸等引发强荧光背景，掩盖拉曼特征信号 |
多组分同步监测难 | 传统方法单次测一个参数，无法同时获取底物/产物/副产物/生物量实时数据 |
模型泛化性差 | 不同批次、菌株间荧光强度差异大，校准模型需频繁更新，应用成本高 |
国外研究团队以经典的酿酒酵母–葡萄糖厌氧发酵为模型，验证了拉曼光谱在复杂生物体系中的监测能力。
l 监测体系：250 mL 三角瓶，葡萄糖初始 ≈ 50–60 g/L，酵母 2–3 g/L，厌氧密封，磁力搅拌，14 h 陆续在监测
l 拉曼系统：WP 785 光谱仪，光谱范围 270–2000 cm⁻¹，分辨率 10 cm⁻¹，TEC 制冷探测器
l 浸入式探头：RP 785-VAR，15 cm 长浸入探针，0.39 NA 光纤满填充 f/1.3 输入孔径
l 激光：外部 785 nm，350 mW，积分时间 5 s，每 120 s 采一次（每次平均 20 帧）
l 校准方案：30 组校准液，覆盖葡萄糖 0–50 g/L × 酵母 0–10 g/L 全组合
探头穿过橡胶隔膜插入 250 mL 发酵瓶；磁搅器维持匀相。
原始光谱中酵母贡献了强烈的宽频荧光（随酵母浓度 ↑ 而 ↑），但研究者对比了三种预处理策略：
预处理方法 | 效果 |
原始光谱（不做处理） | 意外地 → 交叉验证误差最低 |
ALS 非对称最小二乘基线校正（λ=4, p=0.001） | 有效剥离荧光背景，与原始结果接近 |
Savitzky Golay 一阶导数（二阶，9 点窗） | 亦能去荧光，但信息损失更大 |
最终 PLS 模型直接对原始光谱训练，测试集 RMSEP = 0.7 g/L，且与酵母浓度无关——说明即使有荧光，785 nm 拉曼 + 合理校准设计也能稳定工作。
l 每组校准液的重复光谱 随机拆分为训练集 / 测试集
l 5 折交叉验证优化潜变量数
l 建模波段选取 ~500–1400 cm⁻¹ 区间（即图中的两条竖虚线之间）
对基线校正后的全时段光谱做非中心化 PCA，载荷直接近似"组分光谱"形态：
l PC1 ≈ 葡萄糖特征谱（消耗）
l PC2 ≈ 葡萄糖 − 乙醇 的差谱（转化进度）
l PC3/PC4 中识别出溶解 CO₂（1280 / 1382 cm⁻¹）及蓝宝石探针窗口残余峰
(左) 三组酵母背景（0 / 5 / 10 g/L）下，不同葡萄糖浓度的原始拉曼光谱；(右) PLS 模型在测试集上的预测 vs 参考值，RMSEP = 0.7 g/L
研究证明：顺利获得覆盖全荧光背景空间的校准设计 + PLS，785 nm 拉曼可有效克服酵母荧光干扰，葡萄糖定量精度达亚 g/L 级。
(左) 14 h 发酵期间原始光谱序列（颜色 = 时间）；(右) 同数据 ALS 基线校正后。可清晰追踪 ~1100 cm⁻¹（葡萄糖）衰减 与 ~900 cm⁻¹（乙醇）增长。
随着发酵进行，葡萄糖特征峰逐渐减弱，乙醇特征峰逐渐增强——谱学变化与生化预期完全一致。
将训练好的 PLS 模型逐帧应用于发酵原始光谱，得到葡萄糖浓度随时间的实时预测轨迹——低噪声、单调下降、趋势平滑。
上述案例充分证明了拉曼光谱在生物发酵监测中的实用性。球盟会(中国)的 RS2000PAT（785 nm）/ RS2100PAT（1064 nm） 从硬件到软件全面适配此类应用：
指标 | 规格 |
激光器 | 国产自主 785 nm 窄线宽，功率陆续在可调，λ 稳定性 ±0.1 nm，寿命 > 10,000 h |
探测器 | -60°深度制冷 CCD |
浸入探头 | 蓝宝石窗 / 316L 不锈钢，121 ℃ SIP 灭菌，CIP 耐受100次以上灭菌，适配 5 L–100 m³ |
采集速度 | 积分 100ms–60 s 可调 |
l 1064 nm 从源头压制荧光（避开大多数生物分子电子吸收带）→ 谱线干净，无需复杂基线算法
l 适用场景延伸：霉菌发酵 / CHO 高密度培养 / 抗生素发酵等 785 nm "扛不住"的体系
l 内置 PLS、多元标准曲线等化学计量学算法，向导式建模
l 原始光谱 & 结果支持 CSV/TXT 导出 → MATLAB / Python 自定义开发
l 审计追踪 + 电子签名 + 自动备份，对齐 GMP / FDA 数据完整性
l 多参数实时监测（葡萄糖 / 乙醇 / 生物量 / …）+ 超限报警 + 历史溯源
维度 | 能力 |
规模 | 台式 → 移动中试车 → 工业在线式 |
通道 | 2 / 4 / 8 路多通道，一机盯多罐 |
防爆 | Ex px IIC T4 Gb，可直接进防爆区 |
集成 | Modbus / OPC UA → DCS / SCADA → 闭环补料控制 |
收益维度 | 量化 / 定性描述 |
过程可控性↑ | 实时底物/产物速率 → 精准补料，避免耗尽或积累，批间一致性改善 |
安全 & 成本↓ | 减少 ≥90% 人工取样 & 离线 HPLC 用量 → 降染菌风险 + 省人力试剂 |
灵活覆盖 | 785 nm（常规）+ 1064 nm（强荧光）双波长可选，适用不同发酵体系。 |
自主可控 | 核心元件 & 供应链 100% 国产 → 无卡脖子、交期短、本地化服务快 |
Wasatch Photonics 的 Raman for Bioprocess Monitoring案例用严谨的实验（30 组交叉校准 + 14 h 陆续在原位监测 + PLS/PCA 双轨分析）证明了一件事：
即便面对酵母强荧光，785 nm 探头式拉曼 + 恰当的校准空间设计 + 多元统计建模 = 可用、可靠、可放大的 PAT 工具。
球盟会(中国) RS2000PAT / RS2100PAT 将这套方法论落地为工业级国产仪器平台——从光学引擎、浸入探头、防爆机箱到合规软件全栈自研，为国内生物制药与合成生物学企业给予了一条不依赖进口、可快速迭代的实时发酵监测路径。
