CN110376190B - 一种基于光谱的细胞培养悬液pH值检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光谱的细胞悬液pH值测量方法，本发明方法在细胞培养悬液中添加可随着悬液pH值变化而改变颜色的酸碱指示剂，然后利用透射光谱测量细胞悬液颜色，进而测定悬液pH值。本发明解决了电极式pH计不适合用于细胞培养悬液pH值检测的问题，该方法还能够有效排除细胞密度对pH值测量结果的干扰，实现细胞悬液pH值的高精度测量。

Description

一种基于光谱的细胞培养悬液pH值检测方法
技术领域
本发明属于生物信息检测领域，具体涉及一种pH值检测方法，尤其涉及一种基于光谱的细胞培养悬液pH值检测方法。
背景技术
pH值是悬浮细胞培养过程中培养悬液重要的环境检测指标。pH计是指用来测定溶液酸碱度值的仪器。工业生产中的pH计是利用原电池的原理工作的。根据能斯特定律，原电池两个电极间的电动势和溶液中氢离子浓度之间存在对应关系，而氢离子浓度的负对数即为溶液pH值。然而，使用电极式pH计进行测量前，需使用蒸馏水冲洗电极，并擦拭残余水之后进行测量。使用电极式pH计进行测量后，需将复合电极浸泡在KCL中性溶液中，防止复合电极内部离子丢失。电极式pH计的使用方式决定它不能长期浸泡在细胞悬液中，因此，传统的电极式pH计不适合用于细胞培养悬液pH值检测。
因此，本领域亟需研发一种新的适用于细胞培养悬液的pH值检测方法。
光谱测量法可对样品进行无损、非接触式光谱测量，再利用测量得到的光谱信息推算样品性质，是近几年出现的新一代非接触式高精度样品信息测量技术。由于基于高稳定性宽谱光源下丰富的光谱信息进行分析，光谱测量法的测量精准度远高于荧光强度等简单测量方法。
目前，尚未有采用光谱测量法检测细胞培养悬液pH值的相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于光谱的细胞培养悬液pH值检测方法，以解决电极式pH计不适合用于细胞培养悬液pH值检测的问题；此外，本发明还解决的技术问题有：（1）基于光谱的细胞培养悬液的颜色值获取。（2）细胞培养悬液颜色检测中细胞密度对测量干扰的排除。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于光谱的细胞培养悬液pH值检测方法，该方法为：首先在细胞培养悬液中添加可随着悬液pH值变化而改变颜色的酸碱指示剂，然后利用透射光谱测量悬液颜色，进而测定悬液pH值。
所述细胞培养悬液是悬浮细胞培养过程中得到的溶液。所述酸碱指示剂是一类结构较复杂的有机弱酸或有机弱碱，它们在溶液中能部分电离成指示剂的离子和氢离子（或氢氧根离子），并且由于结构上的变化，它们的分子和离子具有不同的颜色，因而在pH不同的溶液中呈现不同的颜色。酸碱指示剂可以随着溶液pH值的变化而改变颜色，例如对-硝基酚、百里酚酞、α-萘酚酞、甲酚红、溴酚蓝、百里酚蓝等，甲基橙等等。
作为本发明优选的技术方案，该方法包括以下步骤：
步骤1，将含有酸碱指示剂的细胞培养悬液作为待测悬液放入光程固定的光学容器中，使用光源照射待测悬液，用光谱仪接收并测得透射光谱；
步骤2，考虑细胞密度对透射光谱的影响，对透射光谱进行校正；步骤3，根据校正后的透射光谱通过色彩转换模型转换得到CIE1976L*a*b*色彩模型的明度L*值、色度a*值、色度b*值；用于非自照明的颜色空间，叫做CIE 1976L*a*b*色彩模型，或者叫做CIE LAB。CIE 1976L*a*b*色彩模型使用的坐标叫做对色坐标(opponent color coordinate)， CIE1976L*a*b*色彩模型使用b*，a*和L*坐标轴定义CIE颜色空间。其中，L*值代表光亮度或明度，其值从0（黑色）到100（白色）。b*和a*代表色度坐标，其中a*代表红-绿轴，b*代表黄-蓝轴，它们的值从0到10。a*=b*=0表示无色，因此L*就代表从黑到白的比例系数。
步骤4，根据已进行参数优化求取的岭回归模型计算pH值。
作为本发明优选的技术方案，步骤2中，所述对透射光谱进行校正，校正公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，λ为有效光谱波长；τ(λ)为转换前波长为λ的透射光强；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为转换后波长为λ的透射光强；lg为基底为10的对数；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为有效光谱范围内的积分运算。
作为本发明优选的技术方案，步骤4具体包括如下步骤：
步骤A，建立pH与L*、a*、b*之间的岭回归模型；
步骤B，对模型参数通过实测的样本值进行优化求取，即可得到具体模型并实现对细胞培养悬液pH值的检测。
作为本发明优选的技术方案，步骤A中，所述岭回归模型如下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为岭回归参数，ϵ为岭回归残差。
作为本发明优选的技术方案，步骤B中，所述优化过程中的损失函数J为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
式中，n为样本数；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为第i个样本的颜色向量；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为岭回归模型参数向量；T为向量转置；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为第i个样本对应的pH值；w为权值。
作为本发明优选的技术方案，步骤B中，w为0.5。
本发明利用光谱测量法测量溶液pH值的原理是：将待测细胞培养悬液放入光程固定的光学容器中，使用光源照射待测悬液，用光谱仪接收并测得透射光谱。根据样品透射光谱通过色彩转换模型得到待测悬液CIE1976L*a*b*色彩模型的L*、a*、b*表示值。细胞悬浮液内添加可以反映pH值的酸碱指示剂。当溶液的酸碱度发生变化时，指示剂得到或失去质子，这种结构上的改变导致指示剂的颜色相应发生改变。所以，通过CIE1976L*a*b*色彩模型的L*、a*、b*值与细胞悬液pH值间一一对应关系，即可实现基于光谱的细胞培养悬液中pH值检测。
由于转换得到CIE1976L*a*b*色彩模型L*、a*、b*值的光谱检测值会受到细胞悬液中细胞密度影响，本发明创新性地提出考虑悬液细胞密度的颜色校正方法，并建立校正后的颜色与pH值间岭回归模型，实现对细胞悬液pH值的精准测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：pH值是悬浮细胞培养过程中培养悬液重要的环境检测指标。针对电极式pH计不适合用于细胞培养悬液pH值检测的问题。本发明提出一种基于光谱的细胞悬液pH值测量方法。本发明方法在细胞悬液中添加可随着悬液pH值变化而改变颜色的指示剂，然后利用透射光谱测量细胞悬液颜色，进而测定悬液pH值。该方法还能够有效排除细胞密度对pH值测量结果的干扰，实现细胞悬液pH值的高精度测量。
附图说明
图1是本发明一种基于光谱的细胞培养悬液pH值检测方法的流程图；
图2是本发明实施例1中未进行密度校正的岭回归模型残差图；
图3 是本发明实施例1中进行密度校正后的岭回归模型残差图。
具体实施方式
下面对本发明方法的实施过程进行描述：
实施例1
如图1所示，本发明一种基于光谱的细胞培养悬液pH值检测方法，包括如下步骤：
1、透射光谱采集：向细胞培养悬液中添加酸碱指示剂。将含有酸碱指示剂的细胞培养悬液（即待测悬液）放入光程固定的光学容器中，使用光源照射细胞悬液，用光谱仪接收并测得透射光谱。
2、光谱值校正：考虑细胞密度对透射光谱的影响，对透射光谱进行校正。
校正公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
式中，λ为有效光谱波长；τ(λ)为转换前波长为λ的透射光强；
Figure 721691DEST_PATH_IMAGE002
为转换后波长为λ的透射光强；lg为基底为10的对数；
Figure 638832DEST_PATH_IMAGE003
为有效光谱范围内的积分运算。
3、颜色值求取：根据校正后的透射光谱通过色彩转换模型转换得到CIE1976L*a*b*色彩模型的明度L*、色度a*、色度b*值。
4、pH值计算：根据已进行参数优化求取的岭回归模型计算pH值。
首先，建立pH与L*、a*、b*之间的岭回归模型，所述岭回归模型如下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 215307DEST_PATH_IMAGE005
为岭回归参数，ϵ为岭回归残差。
再次，对模型参数通过实测的样本值进行优化求取，即可得到具体模型并实现对细胞培养悬液pH值的检测。所述优化过程中的损失函数J为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
式中，n为样本数；
Figure 610516DEST_PATH_IMAGE007
为第i个样本的颜色向量；
Figure 956047DEST_PATH_IMAGE008
为岭回归模型参数向量；T为向量转置；
Figure 778509DEST_PATH_IMAGE009
为第i个样本对应的pH值；w为权值。
7、实验验证
实验细胞培养悬液共分96组（见表1）, pH值范围为7.8-6.3，细胞密度范围为2.50E5cells/ml-1.25E6cells/ml。pH值采用电极式pH计进行测定，其精度为±0.01。分别使用未校正的L*、a*、b*值与校正后的L*、a*、b*值对细胞悬液pH值进行预测。
表1实验数据
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE015
实验中，随机选取66组数据进行岭回归模型参数优化求取，剩余30组数据进行测试。测试结果表明，使用未经细胞密度校正的数据直接计算pH值误差较大，其均方根误差为0.069。经过密度校正后，pH值检测误差显著下降，均方根误差为0.016。图2，图3分别为细胞密度校正前与细胞密度校正后的岭回归模型残差图，由图2和图3可知，经过密度校正后，模型测量精度显著提高，验证了本发明方法的可行性。

Claims (5)

1.一种基于光谱的细胞培养悬液pH值检测方法，其特征在于，该方法为：首先在细胞培养悬液中添加可随着悬液pH值变化而改变颜色的酸碱指示剂，然后利用透射光谱测量悬液颜色，进而测定悬液pH值；该方法包括以下步骤：
步骤1，将含有酸碱指示剂的细胞培养悬液作为待测悬液放入光程固定的光学容器中，使用光源照射待测悬液，用光谱仪接收并测得透射光谱；
步骤2，考虑细胞密度对透射光谱的影响，对透射光谱进行校正；
步骤3，根据校正后的透射光谱通过色彩转换模型转换得到CIE1976L*a*b*色彩模型的明度L*值、色度a*值、色度b*值；
步骤4，建立pH值与L*值、a*值、b*值之间的岭回归模型，根据已进行参数优化求取的岭回归模型计算pH值；
步骤2中，所述对透射光谱进行校正，校正公式为：
Figure FDA0002425365250000011
式中，λ为有效光谱波长；τ(λ)为转换前波长为λ的透射光强；τ′(λ)为转换后波长为λ的透射光强；lg为基底为10的对数；∫λ为有效光谱范围内的积分运算。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述根据已进行参数优化求取的岭回归模型计算pH值，具体如下：
对模型参数通过实测的样本值进行优化求取，即可得到具体模型并实现对细胞培养悬液pH值的检测。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述岭回归模型如下式：
pH＝β0+β1L*+β2a*+β3b*+∈
式中，β0，β1，β2，β3为岭回归参数，∈为岭回归残差。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述优化过程中的损失函数J为：
Figure FDA0002425365250000012
式中，n为样本数；
Figure FDA0002425365250000021
为第i个样本的颜色向量；β＝(β0,β1,β2,β3)为岭回归模型参数向量；T为向量转置；yi为第i个样本对应的pH值；w为权值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，w为0.5。
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