拉曼光谱解混技术用于多组分氨基酸混合物的定量分析

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Raman spectral unmixing for quantitative analysis of multicomponent amino acid mixtures

　　

摘要

由于光谱严重重叠以及依赖于经验性回归化学计量方法，利用拉曼光谱对哺乳动物细胞培养物中的单个氨基酸进行实时定量分析仍然面临挑战。本文介绍了一种基于线性光谱可加性的拉曼光谱解混方法，该方法为毫摩尔浓度下水溶液混合物中氨基酸的定量分析提供了一种有机制依据的替代方案，从而将分子固有的光谱特征与预测性能有机结合。首先，在水环境中构建了一个包含所有20种蛋白质生成氨基酸的完整拉曼光谱库。通过对单组分拉曼光谱的分析，识别出具有独特光谱模式和特征（如峰强度）的光谱，为后续光谱解混结果的解读提供依据。随后，将该方法应用于二元、三元、六元以及完整的20组分混合物，以评估在光谱重叠程度增加时的适用性。预测性能通过R²、nRMSEP和中位数%RSD来评估。对于大多数氨基酸，包括那些光谱极为复杂的20组分组合，都能实现准确且可重复的定量分析。有趣的是，那些侧链化学结构较为复杂、尤其是含有大量C–H振动的芳香族和脂肪族氨基酸，其准确度和精确度更高（R²可达0.8以上，nRMSEP低于13%，中位数%RSD低于6%），而高极性氨基酸的检测性能则相对较差。因此，我们的系统分析表明，光谱解混的效率与分子固有的光谱特性相关，更根本地来说，取决于参考光谱与混合光谱之间的相似度。通过pH滴定调整pH响应型氨基酸的离子化状态，使其与混合体系的条件相匹配，可以提高这种相似度。总体而言，本研究为利用拉曼光谱解混技术进行氨基酸定量监测建立了一个具有机制性且可扩展的框架，为在复杂的哺乳动物细胞培养系统中实现实时分析和调控提供了明确路径。

图表摘要