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).
Реакция протон-переноса (PTR) в сочетании с масс-спектрометром Time-of-Flight (ToF) – это аналитический подход, основанный на химической ионизации, которая относится к технологиям с прямым впрыском масс-спектрометрии (DIMS). Эти методы позволяют быстро определять летучие органические соединения (ЛОС), обеспечивая высокую чувствительность и точность. В общем, PTR-MS не требует ни подготовки проб, ни уничтожения образцов, что позволяет проводить анализ образцов в реальном времени и неинвазивно. PTR-MS используются во многих областях, от химии окружающей среды и атмосферы до медицинских и биологических наук. В последнее время мы разработали методологию, основанную на связывании PTR-ToF-MS с автоматизированным сэмплером и специализированными инструментами для анализа данных, чтобы повысить степень автоматизации и, следовательно, повысить потенциал технологии. Этот подход позволил нам контролировать биопроцессы ( например, ферментативное окисление, спиртовое брожение) для скрининга больших наборов образцов (Например, разное происхождение, целые гермоплазмы) и проанализировать несколько экспериментальных режимов ( например, различные концентрации данного ингредиента, различные интенсивности конкретного технологического параметра) с точки зрения содержания ЛОС. Здесь мы сообщаем экспериментальные протоколы, иллюстрирующие различные возможные применения нашей методологии: обнаружение ЛОС, выделяемых при молочнокислом брожении йогурта (он-лайн мониторинг биопроцессов), мониторинг ЛОС, связанных с различными сортами яблок (крупномасштабный скрининг) , И in vivo исследование выделения ретрогранальной ЛОС во время питья кофе (анализ пространства носов).
Технологии Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) представляют собой класс аналитических инструментальных подходов, которые обеспечивают значительное массовое и временное разрешение с высокой чувствительностью и надежностью, что позволяет быстро обнаруживать и количественно определять летучие органические соединения (ЛОС) 1 . Эти инструментальные подходы включают среди прочего MS-e-носы, масс-спектрометрию химической ионизации при атмосферном давлении (APCI-MS), масс-спектрометрию протон-перенос-реакционную реакцию (PTR-MS) и масс-спектрометрию, SIFT-MS) 1 . Достоинства и недостатки каждого подхода зависят от вида инъекции образца, источника и контроля ионов-предшественников, управления процессом ионизации и анализатора массы 1 , 2 .
Протон-трансфер-реакционная масс-спектрометрия (PTR-MS) была разработана более двадцати лет назад для мониторинга в режиме реального времени и wi(Обычно несколько ppbv, часть на миллиард по объему) наиболее летучих органических соединений (ЛОС) на воздухе 3 , 4 . В настоящее время использование PTR-MS варьируется от медицинских приложений, контроля пищевых продуктов до экологических исследований 5 , 6 . Главными особенностями этого метода являются: возможность быстрого и непрерывного измерения, интенсивный и чистый источник ионов-предшественников и возможность управления условиями ионизации (давление, температура и дрейфовое напряжение). Эти функции позволяют комбинировать универсальные применения с высокой степенью стандартизации 1 , 4 . Фактически, метод основан на реакциях ионов гидрония (H 3 O + ), которые индуцируют недиссоциативный перенос протонов в большинстве летучих соединений (особенно в тех, которые характеризуются протонным сродством выше, чем вода), протонируя нейтральные соединения(M) в соответствии с реакцией: H 3 O + + M → H 2 O + MH + . В отличие от других методов, например , APCI-MS, генерация предшественников и ионизация образцов делятся на два разных инструментальных отсека (схематическое изображение прибора PTR-MS приведено на рисунке 1 ). Электрический разряд водяным паром в полом катодном источнике ионов генерирует пучок ионов гидроксония. После этой фазы ионы пересекают дрейфовую трубку, где происходит ионизация ЛОС 7 . Затем ионы входят в секцию извлечения импульсов и ускоряются в секцию TOF. Через время полета можно определить отношения массы к заряду ионов 8 . Каждый импульс экстракции приводит к полному спектру масс 8 выбранного диапазона m / z. Спектры ионов регистрируются с помощью быстрой системы сбора данных 7 . Полный спектр, как правило,Полученное за одну секунду, хотя может быть достигнуто более высокое временное разрешение в зависимости от уровня сигнала и уровня шума, и количественная оценка концентрации свободного пробега ЛОС может быть обеспечена даже без калибровки 9 , 10 .
Рисунок 1: Схематическая иллюстрация PTR-MS. Схематическое изображение прибора PTR-MS. HC: внешний источник ионов с полым катодом; SD: дрейф источника; VI, входное отверстие трубки Вентури; EM, электронный умножитель; FC1-2, контроллеры потоков. Перепечатано с разрешения Boschetti et al. 7 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
ЛОС, связанные с матрицами пищевых продуктов, представляют значительный интерес в области науки и технологии пищевых продуктов, поскольку они играют важную роль в молекулярной основе биологических явлений, связанных с восприятием запахов и вкуса и, таким образом, в принятии пищи. Таким образом, наша заинтересованность в реальном времени и неинвазивном обнаружении ЛОС в основном связана с сенсорными качествами пищи. Кроме того, если мы рассмотрим возможность обнаружения порчи и патогенных микроорганизмов с помощью высвобожденных ЛОС 13 и / или для мониторинга летучих органических соединений в качестве маркеров follo( Например , побочные продукты Майара во время термообработки) 14 , становится ясно, как идентификация и количественное определение ЛОС являются областями, представляющими интерес для управления качеством пищевых продуктов 6 . Несколько недавних применений технологий PTR-MS для быстрого мониторинга и количественной оценки ЛОС в пищевых матрицах свидетельствуют о широком диапазоне применения этих аналитических подходов ( таблица 1 ).
Пищевая матрица | Вид применения | Краткое описание | Справка |
Масло | Скрининг / характеристика | Географическое происхождение европейских масел | 15 |
Йогурт | Мониторинг биопроцессов | Эволюция молочнокислых ферментовумонастроение | 16 |
Зерновые батончики | Измерение in vivo | Носовое пространство при потреблении зерновых батончиков с различным составом сахара | 17 |
Жидкие модельные системы | Моделируемые оральные состояния | Оценка давления языка и состояния полости рта в модельном рте | 18 |
яблоко | Измерение in vivo | Носовое пространство во время потребления яблока с различными генетическими, текстуальными и физико-химическими параметрами | 19 |
Кофе | Скрининг / характеристика | Дифференциация специальных сортов кофе | 20 |
Виноградное сусло | Скрининг / характеристика | Влияние процесса варки | 21 |
Ароматизированные конфеты | Измерение in vivo | Определение участников дискуссии с использованием различныхМетоды прямой масс-спектрометрии | 22 |
ветчина | Скрининг / характеристика | Влияние системы выращивания свиней | 23 |
Хлеб | Моделируемые оральные состояния | Имитация аромата хлеба во время жевания | 24 |
Молоко | Скрининг / характеристика | Мониторинг вызванных фотоокислением динамических изменений в молоке | 25 |
Кофе | Скрининг / характеристика | Разнообразие в поджаренном кофе из разных географических регионов | 26 |
Хлеб | Мониторинг биопроцессов | Влияние различных стартеров дрожжей при спиртовом брожении | 27 |
Кофе | Измерение in vivo | Носовое пространство во время употребления различных жареных кофейных препаратов | 28 |
Скрининг / характеристика | Влияние местоположения производства, производственной системы и разнообразия | 29 | |
Хлеб | Мониторинг биопроцессов | Влияние муки, дрожжей и их взаимодействия во время спиртового брожения | 30 |
грибы | Скрининг / характеристика | Срок годности сушеных белых грибов | 31 |
Йогурт | Мониторинг биопроцессов | Влияние разных стартовых культур при молочной ферментации | 32 |
яблоко | Скрининг / характеристика | Разнообразие в коллекции яблочной зародышевой плазмы | 33 |
Кофе | Скрининг / характеристика | Отслеживание происхождения кофе | 34 |
Кофе | Измерение in vivo | СочетаниеДинамический сенсорный метод и in-vivo анализ носового пространства, чтобы понять восприятие кофе | 35 |
Таблица 1: Список научных исследований с использованием PTR-ToF-MS в пищевой промышленности. Неисчерпывающий перечень научных исследований с использованием подходов, основанных на ПТР, для контроля содержания ЛОС в экспериментах, связанных с пищевыми продуктами.
В последних исследованиях мы сообщали о применении PTR-ToF-MS в сочетании с автоматизированной системой отбора проб и специализированными инструментами для анализа данных, чтобы повысить автоматизацию и надежность выборки и, следовательно, повысить потенциал этой методики 7 , 10 , 13 . Это позволило нам проанализировать влияние нескольких экспериментальных режимов на высвобождение ЛОС (с точки зрения содержания ЛОС) в больших наборах проб ( например, пищевых продуктов разного происхождения с большим количеством повторов, целых гермоплазмов)От определенного ингредиента, различной интенсивности конкретного технологического параметра) и контролировать ЛОС, связанные с данным биопроцессом ( например, ферментативное окисление, спиртовое брожение). Здесь, для того, чтобы продемонстрировать потенциал PTR-ToF-MS в агропродовольственном секторе, мы представляем три парадигматических приложения: обнаружение ЛОС, выделяемых при молочнокислом ферментации йогурта, вызванного различными культурами микробных заквасок (on-line bioprocess monitoring ), Мониторинг ЛОС, связанный с различными сортами яблок (крупномасштабный скрининг), и исследование in vivo выделения ретрогранальной ЛОС во время питья кофе (анализ носового пространства).
Массовые анализаторы реакции переноса протонов (PTR-MS), связанные с масс-анализаторами времени пролета (ToF), представляют собой эффективный компромисс между необходимостью идентификации и количественной оценки летучих органических соединений и необходимостью быстрого аналитического …
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 |