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).
प्रोटॉन ट्रांसफर रिएक्शन (पीटीआर), टाइम-ऑफ-फ्लाइट (टुफ) मास स्पेक्ट्रोमीटर (एमएस) के साथ मिलाकर एक विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण है जो डायरेक्ट इंजेक्शन मास स्पेक्ट्रोमेट्रिक (डीआईएमएस) प्रौद्योगिकियों से संबंधित रासायनिक आयनियोजन पर आधारित है। इन तकनीकों में वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (वीओसी) का तेजी से निर्धारण, उच्च संवेदनशीलता और सटीकता का आश्वासन दिया जाता है। सामान्य तौर पर, पीटीआर-एमएस के लिए न तो नमूना तैयार करना और न ही नमूना विनाश की आवश्यकता होती है, जो नमूने के वास्तविक समय और गैर-आक्रामक विश्लेषण की अनुमति देता है। पर्यावरण और वायुमंडलीय रसायन विज्ञान से लेकर चिकित्सा और जैविक विज्ञान तक कई क्षेत्रों में पीटीआर-एमएस का शोषण किया जाता है। हाल ही में, तकनीक की क्षमता को बढ़ाने के लिए, स्वचालन की डिग्री को बढ़ाने के लिए और, एक स्वचालित सैंपलर और सिलवाया डेटा विश्लेषण टूल के साथ पीटीआर-टूफ-एमएस युग्मन के आधार पर हमने एक पद्धति विकसित की है। इस दृष्टिकोण ने बड़े नमूना सेटों को स्क्रीन करने के लिए बायोप्रोसिस ( जैसे एंजाइमेटिक ऑक्सीकरण, अल्कोहल किण्वन) की निगरानी करने की अनुमति दी (जैसे विभिन्न मूल, संपूर्ण जर्मोप्लैस्म्स) और VOC सामग्री के संदर्भ में कई प्रयोगात्मक मोड ( उदाहरण के लिए , किसी विशिष्ट घटक के अलग-अलग सांद्रता, विशिष्ट तकनीकी पैरामीटर की विभिन्न तीव्रताएं) का विश्लेषण करने के लिए। यहां, हम प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल की रिपोर्ट करते हैं जो हमारी पद्धति के विभिन्न संभावित अनुप्रयोगों का उदाहरण देते हैं: यानी दही के लैक्टिक एसिड किण्वन के दौरान जारी किए गए वीओसी का पता लगाने (ऑन-लाइन बायोप्रोसैस मॉनिटरिंग), विभिन्न सेब किवाड़ों (बड़े पैमाने पर स्क्रीनिंग) के साथ जुड़े वीओसी की निगरानी , और कॉफी पीने (नाकपैस विश्लेषण) के दौरान रेट्रोनासल VOC रिलीज के विवो अध्ययन में।
डायरेक्ट इंजेक्शन मास स्पेक्ट्रोमेट्रिक (डीआईएमएस) प्रौद्योगिकियां विश्लेषणात्मक सहायक दृष्टिकोणों का एक वर्ग दर्शाती हैं जो उच्च संवेदनशीलता और मजबूती के साथ काफी बड़े पैमाने पर और समय के प्रस्ताव की पेशकश करती हैं, जिससे वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (वीओसी) 1 की त्वरित पहचान और मात्रा का ठहराव हो सकता है। इन सहायक दृष्टिकोणों में शामिल हैं, एमएस-ए-नाक, वायुमंडलीय दबाव रासायनिक आयनकरण मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एपसीआई-एमएस), प्रोटॉन-ट्रांसफर-रिएक्शन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (पीटीआर-एमएस), और चयनित आयन-फ्लो-ट्यूब मास स्पेक्ट्रोमेट्री एसआईएफटी-एमएस) 1 । प्रत्येक दृष्टिकोण के पेशेवरों और विपक्षों पर निर्भर होते हैं: नमूना इंजेक्शन, पूर्ववर्ती आयनों का स्रोत और नियंत्रण, आयनीकरण प्रक्रिया का नियंत्रण और जन विश्लेषक 1 , 2 ।
प्रोटॉन-ट्रांसफर-रिएक्शन मास-स्पेक्ट्रोमेट्री (पीटीआर-एमएस) बीस साल पहले से वास्तविक समय में निगरानी रखने के लिए विकसित किया गया था।वायु 3 , 4 में सबसे अधिक वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (वीओसी) में वें कम पहचान की सीमा (आमतौर पर कुछ पीपीबीवी, वॉल्यूम से प्रति भाग भाग)। चिकित्सा अनुप्रयोगों से लेकर खाद्य नियंत्रण तक, पर्यावरण अनुसंधान 5 , 6 तक पीटीआर-एमएस रेंज का वर्तमान उपयोग। इस तकनीक की मुख्य विशेषताएं हैं: तेजी से और निरंतर माप की संभावना, पूर्ववर्ती आयनों के गहन और शुद्ध स्रोत, और आयनाईकरण की स्थिति (दबाव, तापमान और बहाव वोल्टेज) को नियंत्रित करने की संभावना है। ये विशेषताएं उच्चतम मानकीकरण 1 , 4 के साथ बहुमुखी उपयोग के संयोजन की अनुमति देते हैं। वास्तव में, यह विधि हाइड्रोनियम आयनों (एच 3 ओ + ) की प्रतिक्रियाओं पर आधारित है, जो कि सबसे अधिक वाष्पशील यौगिकों में गैर-असंतोषणीय प्रोटॉन ट्रांसफर को प्रेरित करती है (विशेष रूप से उन लोगों से जो कि प्रोटॉन सम्बन्धी पानी से अधिक होती है), तटस्थ यौगिकों के प्रोटॉनिंग(एम) प्रतिक्रिया के अनुसार: एच 3 ओ + + एम → एच 2 ओ + एमएच + अन्य तकनीकों के विपरीत, उदाहरण के लिए , एपीसीआई-एमएस, अग्रदूत आयन उत्पादन और नमूना आयनाईकरण को दो अलग-अलग साधनों के डिब्बों में विभाजित किया गया है (पीटीआर-एमएस साधन का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व चित्रा 1 में दिया गया है) खोखले कैथोड आयन स्रोत में वाष्प वाष्प द्वारा एक विद्युत निर्वहन हाइड्रोनियम आयनों की एक किरण उत्पन्न करता है। इस चरण के बाद, आयनों को बहाव ट्यूब से पार किया जाता है, जहां वीओसी का आयनीकरण 7 होता है । आयनों तो एक नाड़ी निष्कर्षण खंड दर्ज करें और TOF अनुभाग में त्वरित कर रहे हैं। उड़ान समय के माध्यम से, आयनों 8 के जन-से-चार्ज अनुपात निर्धारित करना संभव है। प्रत्येक निष्कर्षण नाड़ी चयनित एम / जेड रेंज के पूर्ण जन स्पेक्ट्रम 8 की ओर जाता है। आयन स्पेक्ट्रा एक तेजी से डेटा अधिग्रहण प्रणाली 7 द्वारा दर्ज किए गए हैं एक पूर्ण स्पेक्ट्रम आम तौर पर होता हैएक सेकेंड में अधिग्रहण किया, हालांकि उच्च समय संकल्प शोर स्तर पर संकेत के अनुसार प्राप्त किया जा सकता है और वीओसी हेडस्पेस एकाग्रता का एक मात्रात्मक आकलन बिना 9 अंश 10 , भी अंशदान प्रदान किया जा सकता है।
चित्रा 1: एक पीटीआर-एमएस के योजनाबद्ध उदाहरण पीटीआर-एमएस साधन का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। एचसी: खोखले कैथोड के साथ बाहरी आयन स्रोत; एसडी: स्रोत बहाव; VI, वूटुरी-प्रकार इनलेट; ईएम, इलेक्ट्रॉन गुणक; एफसी 1-2, प्रवाह नियंत्रक बॉस्केटी एट अल से अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित 7 इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें
खाद्य मैट्रिक्स के साथ जुड़े वीओसी, खाद्य विज्ञान और प्रौद्योगिकी में बकाया दिलचस्पी है क्योंकि गंध और स्वाद की धारणा से जुड़ी जैविक घटनाओं के आणविक आधार में उनकी महत्वपूर्ण भूमिका है और इस प्रकार, खाद्य स्वीकृति में। इसलिए, वास्तविक समय में हमारे हित और वीओसी के गैर-इनवेसिव पहचान मुख्य रूप से भोजन के संवेदी गुणों से संबंधित हैं। इसके अलावा, अगर हम जारी विलोकों के माध्यम से विकृति और रोगजनक सूक्ष्मजीवों का पता लगाने की संभावना पर विचार करते हैं 13 और / या मार्कर follo के रूप में वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों की निगरानीपंख तकनीकी प्रक्रियाएं ( जैसे थर्मल उपचार के दौरान माइलर्ड बाय-उत्पादों) 14 , यह स्पष्ट हो जाता है कि VOC पहचान और मात्रा का ठहराव खाद्य गुणवत्ता प्रबंधन 6 में रुचि के क्षेत्र हैं। खाद्य मैट्रिक्स में वीओसी की त्वरित निगरानी और मात्रा का ठहराव के लिए पीटीआर-एमएस टेक्नोलॉजीज के हालिया उपयोगों ने इन विश्लेषणात्मक दृष्टिकोणों ( तालिका 1 ) के आवेदन की विस्तृत श्रृंखला के लिए गवाही दी।
खाद्य मैट्रिक्स | आवेदन की तरह | संक्षिप्त विवरण | संदर्भ |
मक्खन | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | यूरोपीय बाटोरों की भौगोलिक उत्पत्ति | 15 |
दही | बायोप्रोसैस मॉनिटरिंग | लैक्टिक एसिड fer के दौरान विकासविचार-प्रक्रिया | 16 |
सिरीअल बार | विवो माप में | विभिन्न चीनी संरचना के साथ अनाज की खपत के दौरान नोसेपेस | 17 |
तरल मॉडल सिस्टम | नकली मौखिक शर्तें | एक मॉडल मुंह में जीभ दबाव और मौखिक स्थितियों का मूल्यांकन | 18 |
सेब | विवो माप में | अलग-अलग आनुवंशिक, वस्त्रों और भौतिक-संबंधी पैरामीटर्स के साथ खपत सेब के दौरान नोसेपेस | 19 |
कॉफ़ी | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | विशेषता कॉफी के अंतर | 20 |
अंगूर चाहिए | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | खाना पकाने की प्रक्रिया का प्रभाव | 21 |
स्वादिष्ट कैंडीज | विवो माप में | पैनलिस्ट पर अलग-अलग का उपयोग करने का निर्धारणप्रत्यक्ष जन स्पेक्ट्रोमेट्री पद्धतियां | 22 |
जांघ | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | सुअर पालन प्रणाली का प्रभाव | 23 |
रोटी | नकली मौखिक शर्तें | चबाना के दौरान ब्रेड की सुगंध का अनुकरण करना | 24 |
दूध | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | दूध में फोटोऑक्सीडेशन प्रेरित गतिशील परिवर्तन | 25 |
कॉफ़ी | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | विभिन्न भौगोलिक उत्पत्ति से भुना हुआ कॉफी में विविधता | 26 |
रोटी | बायोप्रोसैस मॉनिटरिंग | मादक किण्वन के दौरान विभिन्न खमीर शुरुआतओं का प्रभाव | 27 |
कॉफ़ी | विवो माप में | विभिन्न भुना हुआ कॉफी की तैयारी के उपयोग के दौरान नोसेपेस | 28 |
स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | उत्पादन स्थान, उत्पादन प्रणाली और विविधता का प्रभाव | 29 | |
रोटी | बायोप्रोसैस मॉनिटरिंग | अल्कोहल किण्वन के दौरान आटा, खमीर और उनकी बातचीत का प्रभाव | 30 |
मशरूम | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | सूखे पोर्सीनी मशरूम के शैल्फ जीवन | 31 |
दही | बायोप्रोसैस मॉनिटरिंग | लैक्टिक किण्वन के दौरान विभिन्न स्टार्टर संस्कृतियों का प्रभाव | 32 |
सेब | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | एक सेब जर्मप्लाज्म संग्रह में विविधता | 33 |
कॉफ़ी | स्क्रीनिंग / लक्षण वर्णन | ट्रेसिंग कॉफी मूल | 34 |
कॉफ़ी | विवो माप में | एक का संयोजनगतिशील संवेदी पद्धति और इन-वीवो नासस्पेस विश्लेषण से कॉफी की धारणा को समझने के लिए | 35 |
तालिका 1: खाद्य क्षेत्र में पीटीआर-टुफ-एमएस का उपयोग करके वैज्ञानिक अध्ययनों की सूची। खाद्य-संबंधित प्रयोगों में वीओसी सामग्री की निगरानी के लिए पीटीआर-आधारित दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए वैज्ञानिक अध्ययनों की गैर-विस्तृत सूची।
हाल के अध्ययनों में, हमने नमूनाकरण स्वचालन और विश्वसनीयता बढ़ाने और, इस तकनीक 7 , 10 , 13 की क्षमता को बढ़ाने के लिए, एक स्वचालित नमूना प्रणाली और सिलवाया डेटा विश्लेषण टूल के साथ पीटीआर-टुफ-एमएस के आवेदन पर सूचना दी है। वीओसी रिहाई ( जैसे विभिन्न सांद्रता ) पर कई प्रयोगात्मक मोड के प्रभाव का विश्लेषण करने के लिए, हमें वीओसी सामग्री, बड़े नमूना सेट ( जैसे कि कई प्रतिकृतियां, पूरे जर्मप्लाज्म के साथ विभिन्न मूल के भोजन ) के संदर्भ में स्क्रीन की अनुमति दी गई है।एक विशिष्ट तकनीकी पैरामीटर की विविधताएं), और दिए गए बायोप्रोसैस ( जैसे एंजाइमेटिक ऑक्सीकरण, अल्कोहल किण्वन) के साथ जुड़े वीओसी की निगरानी करने के लिए दिए गए घटक की। यहां, कृषि-खाद्य क्षेत्र में पीटीआर-टुफ-एमएस की क्षमता को समझने के लिए, हम तीन प्रकार के अनुप्रयोगों को प्रस्तुत करते हैं: विभिन्न माइक्रोबियल स्टार्टर संस्कृतियों द्वारा प्रेरित दही के लैक्टिक एसिड किण्वन के दौरान जारी किए गए वीओसी का पता लगाने (ऑनलाइन बायोप्रोसैस मॉनिटरिंग ), अलग-अलग सेब किवाड़ों (बड़े पैमाने पर स्क्रीनिंग) के साथ जुड़े वीओसी की निगरानी और कॉफी पीने (नासापैस विश्लेषण) पीने के दौरान रेट्रोनासल VOC रिलीज के विवो अध्ययन में है।
प्रोटॉन ट्रांसफर रिएक्शन जन स्पेक्ट्रोमेट्री (पीटीआर-एमएस) फ्लाइट (टुफ) द्रव्यमान विश्लेषक के समय के साथ मिलकर वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों की पहचान और मात्रा का ठहराव और तेजी से विश्लेषणात्मक रूपरेखा…
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 |