论文标题：Spectroscopic Advances in Real Time Monitoring of Pharmaceutical Bioprocesses: A Review of Vibrational and Fluorescence Techniques

论文链接：https://www.mdpi.com/2813-446X/3/2/12

期刊名：Spectroscopy Journal

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/spectroscj

研究背景

随着全球老龄化人口增长及新冠疫情的推动，制药行业的生产规模呈现指数级扩张。在追求高生产率的同时，确保产品质量的一致性成为行业面临的核心挑战。为此，美国FDA倡导的过程分析技术倡议日益受到重视，其核心在于利用创新的实时监测、建模、测量与控制工具来实现“质量源于设计”的理念。在众多技术中，光谱学方法以其非侵入、无损、可提供多参数信息的特性，展现出在生物过程实时监控方面的巨大潜力。然而，不同光谱技术（如振动光谱、荧光光谱等）在灵敏度、特异性、成本及应用场景上各有优劣，如何根据具体应用选择并优化这些技术，是当前工业界与学术界亟待梳理与解决的难题。本文旨在系统综述振动光谱与荧光光谱技术在制药生物过程实时监测中的最新进展、应用比较与面临的挑战。

研究内容

本文深入探讨了可用于生物过程实时监测的主要光谱技术，包括紫外/可见光谱、近红外光谱、中红外光谱、拉曼光谱以及荧光光谱。文章首先厘清了实时监测的三种主要模式：原位监测、在线监测和旁线监测，并阐述了各自的特点与适用场景。随后，文章详细剖析了振动光谱（涵盖红外与拉曼）与荧光光谱的基本原理。振动光谱通过测量分子键的振动频率来提供化合物独特的“指纹”信息，其中红外光谱基于分子对特定波长红外光的吸收，而拉曼光谱则依赖于单色光与分子相互作用产生的非弹性散射。荧光光谱则利用了某些生物分子（如NADH、色氨酸、核黄素等）吸收光能后发射荧光的特性，具有极高的灵敏度。

图2：光谱学中分子能量跃迁的简化示意图

文章的核心部分通过大量已发表的案例，系统比较了各类技术的实际应用、成本、精度与局限性。紫外/可见光谱设备成本较低，适用于监测生物量、蛋白质（在280 nm处）及某些芳香族化合物，但其选择性和灵敏度有限，且易受培养基本底颜色的干扰。近红外与中红外光谱能提供更丰富的化学结构信息，中红外因其针对分子基本振动而具有更高的特异性，但两者都面临水溶液干扰强、信号重叠以及需要复杂化学计量学校准模型的挑战。拉曼光谱能提供极高的化学特异性，且不易受水分子干扰，非常适用于水相体系，但其信号弱、设备昂贵，且可能受到样品自发荧光的干扰。相比之下，荧光光谱以其高灵敏度、低成本（设备成本可低至拉曼系统的十分之一）及对关键代谢辅因子（如NADH/NADPH）的直接响应能力脱颖而出，尤其适合监测细胞代谢状态，但其应用受限于仅能检测具有内源荧光的分子，且易受pH、温度变化及光漂白效应的影响。

研究总结

本综述系统性地评估了振动光谱与荧光光谱技术在制药生物过程实时监测中的应用现状与发展前景。光谱技术与化学计量学、机器学习算法的结合，极大地提升了从复杂光谱数据中提取有意义信息的能力，为实现基于过程的实时质量控制与决策提供了强大工具。未来，该领域的发展将侧重于开发更稳健、智能化的混合模型（结合机理模型与数据驱动模型），设计更稳定、抗干扰的光学探头与传感器，并推动这些技术在连续生物制造、mRNA生产、无细胞蛋白合成等新兴前沿领域的应用。随着人工智能与光谱学的深度融合，实时光谱监测有望彻底变革下一代生物治疗药物的生产范式，在提升产率、保障质量与满足监管要求方面发挥不可或缺的作用。

Spectroscopy Journal期刊介绍

主编： Prof. Dr. Clemens Burda, Department of Chemistry, Case Western Reserve University, Millis Science Center, 10900 Euclid Ave., Cleveland, OH 44106, USA

我们鼓励科学家在光谱技术的各个方面、特性表征、理论以及其他光谱发展领域发表他们的实验和理论研究成果。光谱学涉及物质与电磁频谱任何部分之间的相互作用，并应用于所有学科，包括物理学、化学、生物化学、生物学、空间科学、材料科学和工程学等领域。来自非光子实验（如电子、中子和质子实验）的贡献同样受欢迎。