Мониторинг уровня глюкозы и лактата с помощью рамановского анализатора PTRam

АВГ022021

Рамановская спектроскопия является ценным методом для процессно-аналитических технологий (PAT) в фармацевтической промышленности благодаря ее способности проводить неразрушающие измерения в режиме реального времени, а также возможности реализации для оперативного онлайн мониторинга на производственной линии. Перед крупномасштабным внедрением нового процесса или продукта проводятся исследования в лабораториях и на небольших пилотных заводах для оценки осуществимости.

Производство биофармацевтических препаратов - это отрасль, которая применила измерения спектроскопии комбинационного рассеяния для исследований PAT, особенно для мониторинга культур клеток и ферментации. Рамановская спектроскопия может использоваться для мониторинга компонентов питательной среды (включая глюкозу) и продуктов метаболизма (таких как лактат) в культуре клеток после разработки многомерной статистической модели. На рис. 1 показаны спектры комбинационного рассеяния чистой глюкозы и чистого лактата, которые имеют четкие характерные полосы.

В данной статье мы продемонстрируем возможность мониторинга глюкозы и лактата в динамической системе с использованием рамановского анализатора PTRam от B&W Tek.

Рис. 1. Рамановские спектры порошков глюкозы и лактата (разнесены вручную для более четкого отображения).

Статический эксперимент

Двадцать пять водных растворов, содержащих различные количества глюкозы и лактата, были созданы гравиметрически. Концентрация глюкозы варьировалась от 0 до 4.5 г/л, а концентрация лактата - от 0 до 4.4 г/л.

Волоконно-оптический зонд с погружным валом с выходным окном из плавленого кварца (RIS100-FS) использовался для измерения всех растворов. Выходная мощность лазера составляла 100% от максимальной мощности лазера (≈340 мВт), и все спектры были собраны со временем интегрирования 18 секунд. В таблице 1 приведены технические характеристики системы PTRam.

Для регистрации всех калибровочных спектров использовалось программное обеспечение Metrohm Vision.

Таблица 1. Технические характеристики PTRam

Калибровочная модель

Программное обеспечение Vision использовалось для создания калибровочных моделей для прогнозирования уровня глюкозы и лактата. На рис. 2а показаны данные калибровки, полученные с помощью PTRam. Все спектры скорректированы по относительной интенсивности по стандарту NIST 2241. На рис. 2б показаны предварительно обработанные калибровочные спектры для модели глюкозы. Применяемая предварительная обработка представляет собой первую производную Савицкого-Голая и стандартную нормальную переменную (SNV) с использованием диапазона 1066 –1811 см^-1. Модель для лактата была создана с использованием второй производной Савицкого-Голая с SNV в диапазоне 635 – 940  см^-1 и 1066 – 1811 см^-1.

Рис. 2. (а) Исходные данные растворов глюкозы и лактата и (б) калибровочные спектры с алгоритмами предварительной обработки, примененными к модели глюкозы.

Модели частичного наименьших квадратов (PLS) были созданы в Vision для моделирования компонентов глюкозы и лактата с перекрестной проверкой с четырьмя сегментами. На рисунке 3 показаны графики рассчитанных и лабораторных данных для глюкозы и лактата. Каждая модель использует три фактора. Параметры линейности и точности модели также показаны для обеих составляющих.

Рис. 3. Графики рассчитанных и лабораторных данных для (а) глюкозы и (б) лактата. Также показаны параметры линейности и точности.

Эксперимент с динамическим процессом

Чтобы продемонстрировать эффективность PTRam для мониторинга культурального (питательного) раствора для роста клеток, гравиметрически приготовили исходный водный раствор
5 г/л глюкозы. Волоконно-оптический зонд с погружаемым валом с выходным окном из плавленого кварца (RIS100-FS) использовался для контроля раствора. Для моделирования потребления глюкозы клетками и выработки метаболического лактата к исходному раствору добавляли несколько объемов водных растворов лактата с 10-минутными интервалами. Чтобы смоделировать пополнение глюкозы и выравнивание лактата, объемы контролируемого раствора были удалены и пополнены количествами водного раствора, содержащего высокую концентрацию глюкозы и низкую концентрацию лактата.

Далее к раствору снова добавляли различные количества водного лактата, чтобы смоделировать дальнейшее потребление глюкозы. Концентрации глюкозы и лактата контролировались в течение 6.5 часов. На рисунке 4 показаны теоретические кривые зависимости концентраций лактата и глюкозы от времени.

Рис. 4. Теоретические кривые для динамических измерений глюкозы и лактата, созданные в MS Excel.

В программном обеспечении Vision был создан стандартный метод анализа для прогнозирования уровней глюкозы и лактата в реальном времени на основе калибровочных моделей. Спектры были получены при времени интегрирования 18 сек и мощности лазера в 100% от максимального значения (≈ 340 мВт). На рисунке 5 показана комбинированная диаграмма тенденций концентраций глюкозы и лактата, полученная в ходе динамического эксперимента, которая довольно точно соответствует теоретической кривой. В таблице 2 показаны статистические данные стандартного анализа прогнозирований, включая стандартную ошибку прогнозирования (SEP) и систематическую ошибку.

Рис. 5. Комбинированная диаграмма тенденций для динамических измерений уровня глюкозы и лактата, автоматически генерируемая в режиме реального времени с помощью программного обеспечения Vision.

Таблица 2. Параметры точности прогнозирования

Заключение

PTRam – это высокопроизводительная портативная рамановская система, предназначенная для мониторинга таких процессов, как культивирование клеток и ферментация, в аналитических лабораториях и на экспериментальных установках. Вместе с программным обеспечением Vision от компании Metrohm PTRam можно использовать для получения результатов в реальном времени в таких отраслях, как фармацевтика, химия и производство полимеров.

Подробные характеристики Рамановского анализатора PTRam