Quang phổ cung cấp một cách nhanh chóng, chính xác để giám sát môi trường nuôi cấy trong sản xuất thịt nuôi cấy. Bằng cách theo dõi các chất dinh dưỡng như glucose và glutamine theo thời gian thực, nó giúp tối ưu hóa sự phát triển của tế bào và duy trì chất lượng. Hai phương pháp chính nổi bật:
- Quang phổ NIR: Hoạt động trong phạm vi 780–2,500 nm, lý tưởng để theo dõi các chất dinh dưỡng và chất chuyển hóa như glucose và lactate. Nó có chi phí hiệu quả và dễ dàng tích hợp với các bioreactor nhưng có thể gặp nhiễu từ tín hiệu nước.
- Quang phổ Raman: Sử dụng tán xạ ánh sáng không đàn hồi để cung cấp dữ liệu phân tử rất cụ thể. Nó hoạt động tốt trong môi trường chiếm ưu thế bởi nước, cung cấp độ chính xác cho các chất chuyển hóa như lactate và glucose nhưng đi kèm với chi phí cao hơn.
Cả hai phương pháp đều hỗ trợ các hệ thống tự động cho việc cung cấp chất dinh dưỡng và phát hiện ô nhiễm, cải thiện hiệu quả và giảm rủi ro lấy mẫu thủ công.Các nền tảng như
Phân Tích Phương Tiện Tăng Trưởng Bằng Quang Phổ NIR
Cách Hoạt Động Của Quang Phổ NIR
Quang phổ cận hồng ngoại (NIR) hoạt động trong phạm vi bước sóng 780 nm đến 2,500 nm, tập trung vào việc phát hiện các dải kết hợp và bội số của các dao động phân tử cơ bản [7]. Điều này làm cho nó đặc biệt hiệu quả trong việc nhận diện các liên kết như C-H, O-H, và N-H, thường thấy trong các phân tử như glucose, axit amin, và protein.
Quá trình này bao gồm việc chiếu ánh sáng NIR qua phương tiện tăng trưởng và đo lường lượng ánh sáng bị hấp thụ ở các bước sóng khác nhau. Mỗi phân tử tạo ra một mẫu quang phổ độc đáo, hay "dấu vân tay", cung cấp thông tin chi tiết về thành phần của phương tiện.Tuy nhiên, vì các dải phổ thường chồng chéo, các kỹ thuật hóa học tiên tiến như hồi quy Partial Least Squares là cần thiết để trích xuất dữ liệu định lượng chính xác [1].
Một trong những lợi ích nổi bật của quang phổ NIR là nó không xâm lấn. Các đầu dò có thể được tích hợp trực tiếp vào các bioréacteur sử dụng các cổng Ingold tiêu chuẩn, và chúng được chế tạo để chịu được các chu kỳ tiệt trùng (SIP/CIP), đảm bảo chúng phù hợp với các tiêu chuẩn vệ sinh công nghiệp [10]. Khả năng đo lường mà không làm gián đoạn quá trình này làm cho NIR trở thành một công cụ quý giá để giám sát môi trường tăng trưởng.
Ứng dụng NIR trong Giám sát Môi trường Tăng trưởng
Quang phổ NIR được sử dụng rộng rãi để theo dõi các chất dinh dưỡng và chất chuyển hóa quan trọng, chẳng hạn như glucose, glutamine, axit amin, lactate, ammonia, và tổng số tế bào (TCC) [6][8].Bằng cách cung cấp dữ liệu thời gian thực, nó giúp các nhà sản xuất phát hiện sự cạn kiệt dinh dưỡng sớm, ngăn ngừa tác động đến khả năng sống của tế bào, hoặc xác định các sản phẩm phụ độc hại trước khi chúng tích tụ.
Các nghiên cứu đã chứng minh lợi ích thực tiễn của NIR. Ví dụ, một cuộc điều tra đã sử dụng NIR để giám sát trực tuyến trong một bioreactor khuấy, đạt được sai số dự đoán là 1.54 mM cho glucose và 0.83 mM cho lactate [8]. Đối với các quy trình thịt nuôi cấy, nơi các tế bào phát triển trên các vi hạt, việc hiệu chuẩn hệ thống cụ thể là rất quan trọng do các hiệu ứng tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt. Nghiên cứu tại Sanofi Pasteur đã áp dụng thành công NIR để giám sát các tế bào Vero phát triển trên các vi hạt Cytodex 1, đạt được độ chính xác dự đoán là 0.36 g/l cho glucose và 0.29 g/l cho lactate [9]. Những phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiệu chuẩn phù hợp cho các hệ thống khác nhau.
"Quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) là một công cụ PAT tại chỗ đầy hứa hẹn... cung cấp một phổ đại diện cho 'chữ ký' của tất cả các thành phần có mặt trong dung dịch được phân tích."
- Annie Marc, Hóa sinh Quy trình [9]
Một ứng dụng ngày càng phát triển của NIR là trong việc tạo ra các hồ sơ "mẻ vàng" - các tiêu chuẩn đại diện cho hiệu suất quy trình tối ưu. Các nhà vận hành có thể so sánh các lần chạy hiện tại với các hồ sơ này trong thời gian thực. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Leibniz Hannover đã sử dụng NIR để giám sát nuôi cấy tế bào CHO-K01 trong một bioreactor 7,5 lít. Hệ thống của họ đã phát hiện nhiễm khuẩn trong "Mẻ 3" chỉ sau 30 giờ trong quá trình, khi các chỉ số NIR vượt quá giới hạn quy trình đã định [4].
Những điều cơ bản về quang phổ NIR – Quang phổ NIR hoạt động như thế nào?
Quang phổ Raman cho Phân tích Môi trường Tăng trưởng
Trong khi quang phổ NIR rất tốt để giải mã các dải hấp thụ chồng chéo, quang phổ Raman đi theo một con đường khác. Nó sử dụng tán xạ ánh sáng không đàn hồi để đi sâu vào cấu trúc phân tử, cung cấp một phương pháp phân tích bổ sung.
Quang phổ Raman hoạt động như thế nào
Quang phổ Raman hoạt động bằng cách chiếu một tia laser 785 nm lên mẫu và thu nhận các photon tán xạ không đàn hồi. Khi các photon này tương tác với các phân tử, các sự thay đổi năng lượng xảy ra do các chuyển động dao động. Những sự thay đổi này tạo ra một "dấu vân tay" quang phổ độc đáo, tiết lộ cấu trúc phân tử của các thành phần như protein, lipid, axit nucleic và đường [12][5].
Sự khác biệt chính từ quang phổ NIR nằm ở những gì mà Raman đo lường.Thay vì phát hiện sự thay đổi mômen lưỡng cực, Raman tập trung vào sự thay đổi trong khả năng phân cực của các liên kết phân tử trong quá trình dao động [5]. Sự khác biệt này làm cho nó đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng thịt nuôi cấy. Tại sao? Bởi vì nước, chiếm ưu thế trong môi trường tăng trưởng, gần như vô hình đối với sự phát hiện của Raman. Điều này có nghĩa là Raman có thể "nhìn xuyên qua" nước để phát hiện một lượng nhỏ chất dinh dưỡng và chất chuyển hóa, tránh được sự can thiệp thường làm phức tạp các phương pháp hồng ngoại [11][12][5].
Quang phổ Raman tạo ra các tín hiệu đặc trưng cho chất phân tích không chồng lấn với các tín hiệu của nước... làm cho nó đặc biệt có lợi cho các ứng dụng trong nuôi cấy tế bào, nơi mà ma trận chủ yếu là nước.
- Morandise Rubini, Nhà nghiên cứu, Đại học Tours [12]
Tuy nhiên, vì các dải phổ có thể chồng lấn, các mô hình toán học tiên tiến như Phân tích Thành phần Chính hoặc Phân tích Bình phương Tối thiểu Một phần thường được sử dụng để trích xuất dữ liệu định lượng chính xác từ các phổ sắc nét, cụ thể [12][13][14].
Ứng dụng Raman trong Giám sát Môi trường Tăng trưởng
Nhờ khả năng tạo ra dấu vân tay phân tử chi tiết, quang phổ Raman đã trở thành một công cụ mạnh mẽ cho giám sát trực tuyến trong môi trường sản xuất. Hoạt động như một cảm biến quang học, nó theo dõi tiêu thụ chất dinh dưỡng - như glucose và glutamine - và sản xuất các sản phẩm phụ chuyển hóa, chẳng hạn như lactate và ammonia [14]. Phản hồi theo thời gian thực này cho phép điều chỉnh tự động, chẳng hạn như tối ưu hóa lịch trình cung cấp dinh dưỡng để cải thiện hiệu quả.
Ví dụ, vào tháng 4 năm 2025, các nhà nghiên cứu đã sử dụng Viserion máy quang phổ Raman trong năm nền văn hóa tế bào CHO 10 lít, đạt được dự đoán chính xác cao (e.g., RMSEP là 0.51 g/l cho glucose) [12]. Tương tự, vào tháng 3 năm 2018, một nhóm tại Cell and Gene Therapy Catapult ở London đã sử dụng hệ thống Raman in-line (Kaiser Optical Systems RamanRxn2™ analyser) để giám sát sản xuất tế bào T tự thân. Họ theo dõi mức glucose (R = 0.987) và lactate (R = 0.986) với độ chính xác, xác định những thay đổi chuyển hóa và tốc độ phát triển cụ thể của người hiến mà không cần lấy mẫu thủ công [14] .
Vượt ra ngoài các chất dinh dưỡng và sản phẩm phụ, quang phổ Raman cũng giám sát nồng độ tế bào, đánh giá khả năng sống của tế bào và phát hiện các mối nguy tiềm ẩn như Salmonella hoặc E. coli. Điều này đảm bảo tính nhất quán giữa các lô và cung cấp một cách đáng tin cậy để đặc trưng hóa các thành phần môi trường [11][1][14][15].
NIR vs Raman: Phương Pháp Nào Nên Sử Dụng
So Sánh Quang Phổ NIR và Raman cho Phân Tích Môi Trường Tăng Trưởng
Quyết định giữa quang phổ NIR và Raman phụ thuộc vào các chất phân tích cụ thể của bạn, ngân sách và cấu hình hệ thống của bạn.
Các Yếu Tố So Sánh
Quang phổ Raman nổi bật với khả năng cung cấp thông tin phân tử rất cụ thể.Nó tạo ra các "dấu vân tay" quang phổ sắc nét, rõ ràng, giúp dễ dàng xác định các hợp chất riêng lẻ. Mặt khác, quang phổ NIR tạo ra các dải rộng, chồng chéo đòi hỏi các công cụ hóa học tiên tiến để phân tích [1]. Điều này làm cho Raman đặc biệt hữu ích trong việc theo dõi chính xác các chất chuyển hóa cụ thể.
Sự hấp thụ nước trong NIR có thể che khuất các tín hiệu dinh dưỡng, trong khi độ nhạy thấp của Raman với nước đảm bảo phát hiện rõ ràng hơn. Tuy nhiên, Raman không phải không có thách thức - nó có thể gặp nhiễu từ sự phát quang nền gây ra bởi các hợp chất sinh học như protein hydrolysates [1].
Nghiên cứu liên quan đến các lò phản ứng sinh học tế bào CHO đã chứng minh rằng Raman vượt trội hơn NIR trong việc dự đoán glucose, lactate và kháng thể, trong khi NIR hiệu quả hơn đối với glutamine và ion amoni [2]. Một nghiên cứu được thực hiện vào tháng 3 năm 2017 bởi R.C.Rowland-Jones tại Đại học Leeds đã củng cố thêm những điểm mạnh của Raman, cho thấy nó đáng tin cậy hơn trong việc đo lường lactate (RMSECV 1.11 g/L) và glucose (RMSECV 0.92 g/L) trong các lò phản ứng sinh học mini 15 mL [16] .
Từ góc độ chi phí, các hệ thống NIR thường có giá cả phải chăng hơn do nguồn sáng đơn giản hơn. Tuy nhiên, các hệ thống Raman yêu cầu các laser và máy dò tiên tiến, khiến chúng đắt đỏ hơn [1].Bảng dưới đây nêu bật những điểm khác biệt chính này:
| Yếu tố | Quang phổ NIR | Quang phổ Raman |
|---|---|---|
| Tính đặc hiệu | Thấp; dải rộng, chồng chéo [1] | Cao; "dấu vân tay" phân tử sắc nét [1] |
| Nhiễu nước | Cao; hấp thụ nước mạnh [2] | Thấp; nước là chất tán xạ yếu [2] |
| Tốt nhất cho | Giám sát glutamine, amoni, sinh khối [2] | Glucose, lactate, nồng độ kháng thể [2, 19] |
| Chi phí | Nhìn chung thấp hơn; đèn và quang học đơn giản [1] | Nhìn chung cao hơn; yêu cầu laser và máy dò [1] |
| Chiều dài đường đi | Dài hơn; phù hợp với tường của thùng chứa [6] | Ngắn hơn; yêu cầu giao diện mẫu trực tiếp [6] |
| Can nhiễu chính | Tán xạ vật lý từ tế bào/hạt [6] | Huỳnh quang nền từ các phân tử sinh học [2] |
Tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá cách áp dụng dữ liệu quang phổ để tối ưu hóa phương tiện theo thời gian thực trong sản xuất.
sbb-itb-ffee270
Sử dụng Dữ liệu Quang phổ trong Sản xuất
Tối ưu hóa Truyền thông Thời gian Thực
Quang phổ chuyển đổi dữ liệu thô thành thông tin có thể hành động, tối ưu hóa việc cung cấp dinh dưỡng trong các quy trình sản xuất. Bằng cách cho phép giám sát đồng thời, không xâm lấn các thông số chính như glucose, lactate, glutamine và ammonium, nó đảm bảo tối ưu hóa liên tục các nền văn hóa. Ví dụ, khi mức glucose giảm xuống dưới phạm vi lý tưởng, hệ thống tự động kích hoạt nguồn dinh dưỡng. Điều này ngăn ngừa sự đói tế bào và giảm nguy cơ tích tụ sản phẩm phụ độc hại [2].
Tạo ra các quỹ đạo "Mẻ Vàng" từ các lần chạy sản xuất tối ưu cho phép nhận diện sớm các vấn đề, chẳng hạn như ô nhiễm hoặc vấn đề thông khí [4].Các hệ thống hiện đại đưa điều này đi xa hơn - ví dụ, quang phổ NIR có thể ước tính nồng độ dinh dưỡng với độ chính xác trong vòng 15% so với các phương pháp tham chiếu truyền thống. Trong các lò phản ứng sinh học quy mô lớn chứa đến 12.500 lít, Phân Tích Thành Phần Chính của dữ liệu NIR đã giải thích được 96% biến động của quá trình [17].
Dòng dữ liệu liên tục này tích hợp liền mạch với các hệ thống lò phản ứng sinh học, cho phép điều khiển quy trình tự động để duy trì sự nhất quán và hiệu quả.
Kết Nối Quang Phổ với Hệ Thống Lò Phản Ứng Sinh Học
Việc tích hợp quang phổ với các hệ thống lò phản ứng sinh học đưa dữ liệu thời gian thực lên một tầm cao mới, cho phép điều khiển phản hồi tự động hoàn toàn. Các đầu dò ngâm, có khả năng chịu được chu kỳ tiệt trùng và áp suất cao, truyền dữ liệu thời gian thực trực tiếp đến các đơn vị điều khiển lò phản ứng sinh học [6].
Một nghiên cứu được thực hiện vào tháng 9 năm 2018 tại Université de Lorraine đã so sánh các đầu dò Raman và NIR in situ hoạt động song song trong một bioreactor tế bào CHO 2 lít. Kết quả cho thấy quang phổ Raman vượt trội trong việc phát hiện glucose và lactate, trong khi NIR hiệu quả hơn trong việc giám sát glutamine và ammonium. Kết hợp sức mạnh của cả hai phương pháp cung cấp giám sát thời gian thực toàn diện nhất cho sản xuất thịt nuôi cấy [2].
Dữ liệu quang phổ cũng được đưa vào các hệ thống Kiểm soát Quy trình Thống kê Đa biến (MSPC), liên tục so sánh các lô đang diễn ra với các tiêu chuẩn Lô Vàng đã được thiết lập. Cách tiếp cận này cho phép các nhà vận hành phát hiện các sai lệch - dù do ô nhiễm, thiếu hụt dinh dưỡng, hay hỏng hóc thiết bị - trong vòng vài giờ thay vì vài ngày. Kết quả là cải thiện hiệu quả và độ nhất quán cao hơn trong sản xuất [4].
Thu mua Thiết bị Quang phổ qua Cellbase
Tại sao nên sử dụng Cellbase cho Thiết bị Quang phổ
Chọn thiết bị quang phổ phù hợp cho sản xuất thịt nuôi cấy có thể giống như điều hướng một mê cung của các chi tiết kỹ thuật. Với các máy quang phổ đa dụng cung cấp hàng ngàn cấu hình [18], rất dễ bị choáng ngợp nếu không có chuyên môn phù hợp.
Đây là lúc
Đặc Điểm Nổi Bật của Cellbase cho Mua Sắm Thiết Bị
Ngoài ra, chuyên môn của
Kết luận
Quang phổ NIR và Raman đóng vai trò quan trọng trong việc tinh chỉnh môi trường tăng trưởng cho thịt nuôi cấy. Những kỹ thuật tiên tiến này cho phép giám sát thời gian thực, không xâm lấn các chất phân tích chính như glucose, lactate và ammonium.Điều này có nghĩa là các nhóm sản xuất có thể thực hiện các điều chỉnh nhanh chóng mà không làm gián đoạn quy trình - một lợi thế quan trọng vì thiết kế phương tiện truyền thông vẫn là một trong những thách thức lớn nhất trong việc mở rộng sản xuất thịt nuôi cấy [16][19].
Mỗi phương pháp mang lại những điểm mạnh riêng. Quang phổ NIR xuất sắc trong việc đánh giá sinh khối và thành phần tổng thể, trong khi quang phổ Raman cung cấp thông tin chi tiết về các chất chuyển hóa cụ thể trong dung dịch nước [1]. Trong các nghiên cứu bioreactor thu nhỏ, quang phổ Raman đã chứng minh độ chính xác dự đoán ấn tượng, làm cho nó trở thành một lựa chọn đáng tin cậy cho các phép đo chính xác [16] . Cả hai kỹ thuật cũng hỗ trợ phát triển hồ sơ "mẻ vàng", cho phép các nhà vận hành phát hiện các vấn đề như nhiễm khuẩn hoặc vấn đề thông khí ngay khi chúng phát sinh [4].
Khi nói đến việc lựa chọn thiết bị quang phổ phù hợp, quá trình này có thể gây khó khăn. Đây là lúc
Giáo sư Alan G. Ryder nhấn mạnh tầm quan trọng của các phương pháp này:
Các phương pháp quang phổ nhanh nếu được áp dụng đúng cách có thể được sử dụng để sàng lọc nhanh chóng và hiệu quả môi trường nuôi cấy tế bào để xác định sự biến đổi phân tử và các vấn đề tiềm ẩn với sản xuất môi trường [1].
Câu hỏi thường gặp
Lợi ích của việc sử dụng quang phổ trong sản xuất thịt nuôi cấy là gì?
Các kỹ thuật quang phổ như cận hồng ngoại (NIR) và Raman mang lại công cụ quý giá cho ngành công nghiệp thịt nuôi cấy. Chúng cho phép giám sát thời gian thực, không xâm lấn môi trường nuôi cấy, giúp theo dõi liên tục các chất dinh dưỡng, chất chuyển hóa và mật độ tế bào - mà không cần lấy mẫu hoặc sử dụng thêm thuốc thử. Mức độ giám sát này giúp duy trì kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn và tăng tốc điều chỉnh thành phần môi trường, điều này rất quan trọng để đảm bảo chất lượng đồng nhất khi mở rộng sản xuất.
Những phương pháp này cũng hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Với một lần đo duy nhất, chúng có thể phân tích nhiều thành phần cùng lúc - như axit amin, đường và lipid - loại bỏ nhu cầu cho các xét nghiệm hóa học riêng biệt.Điều này giảm cả chi phí lao động và vật liệu trong khi cung cấp dữ liệu có thể cải thiện các mô hình dự đoán, giúp tiêu chuẩn hóa chất lượng và giảm sự biến đổi giữa các lô hàng.
Một lợi thế khác là khả năng tích hợp dễ dàng của quang phổ với các hệ thống tự động. Ví dụ, các đầu dò NIR có thể được lắp đặt trực tiếp trong các lò phản ứng sinh học để cung cấp dữ liệu liên tục, cho phép điều chỉnh tự động các thông số quan trọng như tốc độ cấp liệu hoặc nhiệt độ. Đối với những người cần thiết bị chuyên dụng,
Những điểm khác biệt chính giữa quang phổ NIR và Raman trong việc phân tích môi trường tăng trưởng trong sản xuất thịt nuôi cấy là gì?
Quang phổ Cận Hồng Ngoại (NIR) rất phù hợp cho việc giám sát nhanh chóng, không xâm lấn thành phần tổng thể của môi trường tăng trưởng.Khả năng cung cấp kiểm soát trực tuyến hoặc trong dòng có nghĩa là nó có thể cung cấp dữ liệu thời gian thực, giúp các nhà sản xuất thực hiện điều chỉnh ngay lập tức trong quá trình sản xuất.
Mặt khác, quang phổ Raman cung cấp một dấu vân tay phân tử chính xác, làm cho nó trở thành một lựa chọn
Tại sao giám sát thời gian thực của môi trường tăng trưởng lại quan trọng đối với sản xuất thịt nuôi cấy?
Giám sát thời gian thực đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho môi trường tăng trưởng phù hợp cho sản xuất thịt nuôi cấy. Bằng cách theo dõi chặt chẽ các chất dinh dưỡng, chất chuyển hóa và sức khỏe tế bào, các nhà sản xuất có thể nhanh chóng điều chỉnh điều kiện để duy trì sự phát triển tế bào ổn định và nâng cao chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
Phương pháp thực hành này loại bỏ thời gian chờ đợi liên quan đến thử nghiệm ngoại tuyến truyền thống, dẫn đến năng suất tốt hơn và ít lãng phí hơn. Nó cũng đảm bảo tài nguyên được sử dụng hiệu quả hơn, tinh giản quy trình sản xuất và tăng cường độ tin cậy.
