Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry allows high-sensitivity, rapid and non-invasive analysis of volatile organic compounds. To demonstrate its potential, we give three examples: lactic acid fermentation of yogurt (on-line bioprocess monitoring), different apple genotypes (large-scale screening), and retronasal space after drinking coffee (nosespace analysis).
Proton Transfer Reaction (PTR), gecombineerd met een Time-of-Flight (ToF) Mass Spectrometer (MS) is een analytische aanpak gebaseerd op chemische ionisatie die behoort tot de Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) technologieën. Deze technieken laten de snelle bepaling van vluchtige organische verbindingen (VOC's) toe, waardoor hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid worden gewaarborgd. In het algemeen vereist PTR-MS geen monsterbereiding of steekproefvernietiging, waardoor realtime en niet-invasieve analyse van monsters mogelijk is. PTR-MS worden uitgebuit op vele gebieden, van milieu- en atmosferische chemie naar de medische en biologische wetenschappen. Meer recent ontwikkelden we een methodologie op basis van koppeling PTR-ToF-MS met een geautomatiseerde sampler en op maat gemaakte data analyse tools, om de mate van automatisering te verhogen en derhalve het potentieel van de techniek te vergroten. Deze aanpak liet ons toezicht op bioprocessen ( bijv. Enzymatische oxidatie, alcoholische fermentatie), om grote steekproefsetjes te screenen (Bijv. Verschillende herkomst, gehele germoplasma's) en analyseren verschillende experimentele modi ( bijv. Verschillende concentraties van een bepaald ingrediënt, verschillende intensiteiten van een specifieke technologische parameter) in termen van VOC-inhoud. Hierbij rapporteren we de experimentele protocollen die verschillende mogelijke toepassingen van onze methodologie illustreren: de detectie van VOC's die worden vrijgelaten tijdens de melkzuurfermentatie van yoghurt (on-line bioprocesmonitoring), de monitoring van VOC's die verband houden met verschillende appelcultivars (grootschalige screening) , En de in vivo studie van retronasale VOC release tijdens koffie drinken (nosespace analyse).
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) technologieën vormen een klasse van analytische instrumentale benaderingen die aanzienlijke massa- en tijdresolutie bieden met hoge gevoeligheid en robuustheid, waardoor de snelle detectie en kwantificering van vluchtige organische verbindingen (VOC's) 1 mogelijk zijn . Deze instrumentale benaderingen omvatten onder andere MS-e-noses, atmosferische-druk chemische ionisatie massaspectrometrie (APCI-MS), proton-transfer-reactie massaspectrometrie (PTR-MS) en geselekteerde Ion-Flow-Tube Massaspectrometrie ( SIFT-MS) 1 . De voordelen en nadelen van elke aanpak zijn afhankelijk van: het soort monsterinjectie, de bron en de controle van precursor ionen, de controle van het ionisatieproces en de massaanalysator 1 , 2 .
Proton-overdracht-reactie massaspectrometrie (PTR-MS) is meer dan twintig jaar geleden ontwikkeld om in real-time en wiDe lage detectiegrenzen (meestal een paar ppbv, deel per miljard in volume) de meeste vluchtige organische verbindingen (VOC's) in lucht 3 , 4 . Huidig gebruik van PTR-MS varieert van medische toepassingen, naar voedselcontrole, naar milieuonderzoek 5 , 6 . De belangrijkste kenmerken van deze techniek zijn: de mogelijkheid van snelle en continue meting, de intense en zuivere bron van precursor ionen, en de mogelijkheid om ioniseringsomstandigheden (druk, temperatuur en drijfspanning) te beheersen. Deze functies maken het mogelijk veelvoudige toepassingen te combineren met een hoge mate van standaardisatie 1 , 4 . In feite is de methode gebaseerd op reacties van hydroniumionen (H3O + ), die niet-dissociatieve protonoverdracht in de meeste vluchtige verbindingen veroorzaken (in het bijzonder bij die die worden gekenmerkt door een protonaffiniteit hoger dan water), protonerende neutrale verbindingen(M) volgens de reactie: H3O + + M → H20 + MH + . In tegenstelling tot andere technieken, bijvoorbeeld APCI-MS, precursor iongeneratie en monster ionisatie zijn verdeeld in twee verschillende instrumentale compartimenten (een schematische weergave van het PTR-MS instrument is gegeven in Figuur 1 ). Een elektrische ontlading door waterdamp in de holle kathode ionbron genereert een bundel hydroniumionen. Na deze fase overschrijden ionen de drijfbuis, waar de ionisatie van VOC's plaatsvindt 7 . Ionen dan een puls extractie sectie en worden versneld in de TOF sectie. Via vluchttijden is het mogelijk om de massa-op-ladingverhoudingen van de ionen 8 te bepalen . Elke extractiepuls leidt tot een compleet massaspectrum 8 van het geselecteerde m / z bereik. Ion-spectra worden opgenomen door een snel data-acquisitie systeem 7 . Een volledig spectrum is typischVerworven in een seconde, alhoewel hogere tijdresolutie kan worden bereikt volgens het signaal naar het geluidsniveau en een kwantitatieve schatting van de VOC-hoofdruimteconcentratie kan zelfs zonder kalibratie 9 , 10 worden verschaft.
Figuur 1: Schematische illustratie van een PTR-MS. Schematische weergave van het PTR-MS instrument. HC: externe ionbron met holle kathode; SD: source drift; VI, venturi-type inlaat; EM, elektronenvermenigvuldiger; FC1-2, flow controllers. Reprinted met toestemming van Boschetti et al. 7 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
VOC's die verband houden met voedingsmatrices hebben een uitstekende interesse in voedselwetenschappen en technologie vanwege hun belangrijke rol in de moleculaire basis van biologische fenomenen die verband houden met geur- en smaakperspectie en dus bij voedselacceptatie. Vandaar dat onze interesse in real-time en niet-invasieve detectie van VOC's vooral betrekking heeft op sensorische kwaliteiten van voedsel. Bovendien, als we de mogelijkheid beschouwen om spoilage en pathogene micro-organismen te detecteren door middel van vrijgegeven VOC's 13 en / of om vluchtige organische verbindingen te monitoren als markers folloVleugel technologische processen ( bijv. Maillard bijproducten tijdens thermische behandelingen) 14 , wordt duidelijk hoe VOC identificatie en kwantificering belanghebbende gebieden zijn in voedselkwaliteit management 6 . Verscheidene recente toepassingen van PTR-MS-technologieën voor het snel monitoren en kwantificeren van VOC's in voedingsmatrices getuigen van het brede toepassingsgebied van deze analytische benaderingen ( tabel 1 ).
Food matrix | Soort aanvraag | Korte beschrijving | Referentie |
Boter | Screening / karakterisatie | Geografische oorsprong van Europese boters | 15 |
Yoghurt | Bioproces monitoring | Evolutie tijdens melkzuurlegging | 16 |
Graanrepen | In vivo meting | Nosespace tijdens consumptie van graangewassen met wisselende suiker samenstelling | 17 |
Vloeibare modelsystemen | Gesimuleerde mondelinge aandoeningen | Evaluatie van de tongdruk en de mondelinge condities in een modelmond | 18 |
appel | In vivo meting | Nosespace tijdens consumptie appel met verschillende genetische, texturale en fysicochemische parameters | 19 |
Koffie | Screening / karakterisatie | Differentiatie van speciale koffies | 20 |
Druivenmost | Screening / karakterisatie | Effect van het koken proces | 21 |
Gegeurde snoepjes | In vivo meting | Bepaling op panelisten die anders gebruikenDirecte massaspectrometrische methoden | 22 |
Ham | Screening / karakterisatie | Effect van het varkensopvangsysteem | 23 |
Brood | Gesimuleerde mondelinge aandoeningen | Simuleren van broodaroma tijdens masticatie | 24 |
Melk | Screening / karakterisatie | Monitoring van fotooxidatie-geïnduceerde dynamische veranderingen in melk | 25 |
Koffie | Screening / karakterisatie | Diversiteit in geroosterde koffie uit verschillende geografische afkomst | 26 |
Brood | Bioproces monitoring | Effect van verschillende gistbeginners tijdens alcoholische fermentatie | 27 |
Koffie | In vivo meting | Nosespace tijdens het verbruik van verschillende geroosterde koffiebereidingen | 28 |
Screening / karakterisatie | Impact van productieplaats, productiesysteem en verscheidenheid | 29 | |
Brood | Bioproces monitoring | Effect van bloem, gist en hun interactie tijdens alcoholische fermentatie | 30 |
champignons | Screening / karakterisatie | Houdbaarheid van gedroogde porcini paddestoelen | 31 |
Yoghurt | Bioproces monitoring | Effect van verschillende starterculturen tijdens lactische fermentatie | 32 |
appel | Screening / karakterisatie | Diversiteit in een appel germplasm collectie | 33 |
Koffie | Screening / karakterisatie | Opsporen van koffie oorsprong | 34 |
Koffie | In vivo meting | Combinatie van eenDynamische sensorische methode en in-vivo nosespace analyse om de perceptie van koffie te begrijpen | 35 |
Tabel 1: Lijst van wetenschappelijke studies met behulp van PTR-ToF-MS in de voedingssector. Niet-exhaustieve lijst van wetenschappelijke studies met behulp van PTR-gebaseerde benaderingen om VOC-inhoud in voedselgerelateerde experimenten te controleren.
In recente studies hebben we gerapporteerd over de toepassing van PTR-ToF-MS in combinatie met een geautomatiseerd bemonsteringssysteem en aangepaste data analyse tools om de bemonstering automatisering en betrouwbaarheid te vergroten en derhalve het potentieel van deze techniek 7 , 10 , 13 te verbeteren. Hierdoor kunnen we, in termen van VOC-inhoud, grote monsters ( bijv. Voedsel van verschillende oorsprong met veel replicaten, hele germoplasma's) screenen om de invloed van diverse experimentele modi op VOC-vrijlating te analyseren ( bijv. Verschillende concentratiesVan een bepaald ingrediënt, verschillende intensiteiten van een specifieke technologische parameter), en om VOC's te controleren die geassocieerd zijn met een bepaalde bioproces ( bijv. Enzymatische oxidatie, alcoholische fermentatie). Om het potentieel van PTR-ToF-MS in de agro-voedingssector te illustreren, presenteren we hier drie paradigmatische toepassingen: de detectie van VOC's die worden vrijgelaten tijdens de melkzuurgisting van yoghurt geïnduceerd door verschillende microbiële startculturen (online bioprocesmonitoring ), De monitoring van VOC's in verband met verschillende appelcultivars (grootschalige screening) en de in vivo studie van retronasale VOC-vrijlating tijdens het drinken van koffie (nosespace-analyse).
Proton-transfer-reactie-massaspectrometrie (PTR-MS) gekoppeld aan tijdstip van vlucht (ToF) massaanalysatoren vormen een geldig compromis tussen de noodzaak tot identificatie en kwantificering van vluchtige organische verbindingen en de noodzaak voor snelle analytische profilering. De hoge massa resolutie die de ToF massanalysator kenmerkt geeft relevante gevoeligheid en massaspectra met aanzienlijke informatief inhoud. Bovendien verhoogt de toepassing van PTR-ToF-MS in combinatie met een auto-sampler en op maat gemaakt…
The authors have nothing to disclose.
This work is supported by the European Commission’s 7th Framework Programme under Grant Agreement Number 287382. SY is a beneficiary of a European Commission’s 7th Framework Programme Grant Agreement Number 287382. IK is a beneficiary of a FIRST doctoral school grant from the Fondazione Edmund Mach. For his work at University of Foggia, VC is supported by the Apulian Region in the framework of ‘Future In Research’ program (practice code 9OJ4W81).
PTR-TOF 8000 High-Resolution PTR-TOF-MS | Ionicon Analytik Ges.m.b.H. | PTR-TOF 8000 | An detector for volatile organic compounds (VOCs) that allows for continuous VOC quantification with a very high mass resolution |
GERSTEL MPS 2XL | Gerstel | A multifunctional autosampler | |
Gas Calibration Unit | Ionicon Analytik Ges.m.b.H. | GCU-s / GCU-a | A dynamic gas dilution system that provides variable but known quantities of different standard compounds in a carrier gas stream |
TofDaq | Tofwerk AG | free available at http://soft.tofwerk.com/ | A data acquisition software (for spectra acquisition) |
MATLAB | MathWorks | http://it.mathworks.com/products/matlab/ | A technical computing language and interactive environment for algorithm development, data visualization, and data analysis |
R | The R Foundation | free available at https://cran.r-project.org/mirrors.html | A language and environment for statistical computing and graphics |