在生物发酵的“黑匣子”里，微生物正进行着复杂的代谢活动。传统依靠人工取样、离线分析的方式，如同盲人摸象：滞后严重（结果出来时过程已变）、破坏样本（中断发酵、易染菌）、且难以捕捉批次间的微妙差异。这不仅影响对过程的理解，更制约了产率与质量的提升。发酵工业亟需一双能实时、在线、无损“看透”罐内变化的慧眼。在线拉曼光谱技术，正是满足这一需求的理想工具。

一、拉曼光谱：分子的“指纹”识别器

核心在于理解其物理基础：

分子振动产生独特光谱：当激光照射样品时，大部分光发生瑞利散射（波长不变），极小部分发生拉曼散射。散射光波长发生的微小偏移（拉曼位移），精确对应样品分子内化学键的振动或转动频率。这如同每个分子或化学键都拥有独一无二的“指纹”。

水的干扰小是巨大优势：水分子产生的拉曼信号非常弱。这对于水相体系为主的生物发酵液监测至关重要，意味着目标物的信号不会被水强烈掩盖。

天然的无损特性：整个测量过程仅需激光照射样品并收集散射光，无需对发酵液进行任何预处理、稀释或添加试剂，真正实现非侵入式监测。

二、在线拉曼如何“透视”发酵罐？

实现罐内实时监测，需要一套完整的集成系统：

1.  核心“触角”：光学探头：特殊设计的探头（通常带光学窗口和温压保护）直接浸入发酵液中，是获取罐内原始信息的第一线。

2.  光源与信号收集：激光器与光纤：稳定可靠的激光器通过光纤将激发光传输到探头。探头收集到的拉曼散射光再通过光纤传回。

3.  信号解析器：光谱仪：接收到的散射光被拉曼光谱仪精细分光，将不同波长的光分开并测量其强度，最终形成一张包含丰富信息的拉曼光谱图。

4.  大脑：分析控制软件：控制硬件采集参数，实时显示原始光谱，并运行后续的数据处理和模型。

“在线”的关键体现：整个系统（探头、光纤、分析单元）与发酵罐硬连接，可实现秒级至分钟级的高频、自动、持续数据采集，过程完全自动化，无需人工干预。

三、解读光谱：从“指纹”到代谢密码

一张拉曼光谱图如同复杂的密码本，关键在于解读：

成分的“身份证”：特征光谱峰：发酵液中的关键组分都有其标志性的拉曼位移峰位。

底物（如葡萄糖）：在特定区域（如 ~900 cm⁻¹，~1125 cm⁻¹）有强峰。

产物（如乙醇、乳酸、抗生素）：各自有其独特的峰位组合（如乙醇的 ~880 cm⁻¹）。

代谢中间体（如有机酸、氨基酸）：也有可识别的特征峰。

生物量（细胞）：主要贡献来自蛋白质、核酸、脂类等的特征峰（如蛋白质酰胺 I 带 ~1650 cm⁻¹）。

实时追踪代谢动态：在线拉曼的强大之处在于，通过持续追踪这些特征峰的强度、位置甚至峰形变化，就能实时反映罐内相应成分浓度的升降或细胞生理状态的转变。

实例1：底物消耗监控：持续观测葡萄糖特征峰强度的下降，精确掌握其消耗速率。

实例2：目标产物积累：乙醇特征峰的增强直接指示其合成进度。

实例3：代谢流切换预警：某些关键中间体（如丙酮酸）峰的出现或消失，可能提示代谢途径的切换或异常。

四、化繁为简：数据处理与建模

原始光谱信息量巨大且重叠严重，需借助“化学计量学”这把钥匙：

建立定量关系模型：常用方法如偏最小二乘回归（PLS） 或主成分回归（PCR）。其核心是：在已知目标物（如葡萄糖、产物）浓度的校准样本上训练模型，找到光谱变化（X变量）与浓度变化（Y变量）之间的数学关联。

将光谱转化为趋势图：一旦模型建立并验证有效，即可应用于实时采集的新光谱数据。软件自动调用模型进行计算，瞬间将复杂的光谱转化为直观的葡萄糖浓度曲线、产物浓度曲线、或细胞状态指数等关键参数的实时趋势图。权威研究指出，通过严谨建模，在线拉曼对关键发酵参数的预测精度可媲美甚至超越传统离线方法（基于行业实践与文献共识）。

总结：洞悉代谢，掌控过程

生物发酵在线拉曼技术的核心价值，在于其实时、在线、无损地揭示微生物代谢过程动态的能力。它如同为发酵工程师安装了一双永不疲倦的“眼睛”和一个高速运转的“大脑”，穿透罐壁，直接捕捉分子层面的细微变化——从底物的涓滴消耗、到产物的涓涓积累、再到细胞状态的微妙起伏。这种对“黑匣子”内部前所未有的洞察力，是深入理解发酵过程机制、实现精准过程控制与优化的基石，为提升效率、保障质量和推动创新提供了强大的工具。

鉴知技术简介：

北京鉴知技术有限公司是一家以光谱检测技术为核心的专业公司。基于高灵敏度拉曼光谱技术及智能定量算法，开发了在线气体分析仪和在线拉曼分析仪，已在精细化工，生物制药，钢铁冶金等行业的工艺在线监测中大量使用，为用户显著提升工艺效率和产能。

常见问题：

1.  Q：在线拉曼监测会影响发酵过程本身吗？

A：基本不会。它采用非接触或浸入式光学探头，仅用低功率激光照射样品，不引入化学物质，不破坏样品，也不中断发酵进程，是真正的无损监测技术。

2.  Q：这项技术能监测哪些具体的发酵参数？

A：潜力巨大！常见包括：底物浓度（如葡萄糖、甘油）、产物浓度（如乙醇、有机酸、抗生素、重组蛋白）、关键代谢物（如氨基酸、有机酸）、生物量密度、甚至细胞生理状态（如营养胁迫）。具体取决于建模目标和光谱特征。

3.  Q：在线拉曼技术适用于所有类型的发酵吗？

A：优势在水相发酵（如细菌、酵母发酵）中尤为突出。对于高固含量、强荧光背景或极端浑浊的发酵液，信号获取和解析可能面临挑战，需针对性优化探头和模型设计。

4.  Q：部署这套系统复杂且昂贵吗？

A：相比传统离线分析，初期投入确实较高。但考虑到它能替代大量离线检测、减少批次失败风险、提升产率与质量带来的长期效益，投资回报率通常非常显著。系统集成度已越来越高，安装和维护趋向标准化。

本文总结：

生物发酵在线拉曼技术通过捕捉分子振动产生的独特“指纹光谱”，借助浸入式探头和化学计量学模型，实现了对发酵罐内微生物代谢活动的实时、在线、无损透视。它成功解决了传统离线分析的滞后性、破坏性和批次差异难题，能持续追踪底物消耗、产物积累、关键代谢物变化及生物量动态。这项技术为深入理解发酵过程、实现精准控制与优化提供了不可替代的强大工具，是提升生物制造效率与质量的关键利器。