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).
La Reacción de Transferencia de Protones (PTR), combinada con un Espectrómetro de Masa de Tiempo de Vuelo (ToF) es un enfoque analítico basado en la ionización química que pertenece a las tecnologías DIMS (Direct Injection Mass Spectrometric). Estas técnicas permiten la rápida determinación de compuestos orgánicos volátiles (COV), asegurando una alta sensibilidad y precisión. En general, PTR-MS no requiere preparación de muestras ni destrucción de muestras, lo que permite el análisis en tiempo real y no invasivo de las muestras. Los PTR-MS son explotados en muchos campos, desde la química ambiental y atmosférica hasta las ciencias médicas y biológicas. Más recientemente, desarrollamos una metodología basada en el acoplamiento de PTR-ToF-MS con un muestreador automatizado y herramientas de análisis de datos a medida, para incrementar el grado de automatización y, en consecuencia, potenciar el potencial de la técnica. Este enfoque nos permitió monitorear bioprocesos ( por ejemplo, oxidación enzimática, fermentación alcohólica), para examinar grandes conjuntos de muestras (Diferentes orígenes, germoplasmas enteros) y analizar varios modos experimentales ( por ejemplo, diferentes concentraciones de un ingrediente dado, diferentes intensidades de un parámetro tecnológico específico) en términos de contenido de COV. Aquí presentamos los protocolos experimentales que ejemplifican diferentes aplicaciones posibles de nuestra metodología: la detección de COV liberados durante la fermentación con ácido láctico de yogur (monitoreo en línea de bioprocesos), el monitoreo de COVs asociados a diferentes cultivares de manzana (cribado a gran escala) , Y el estudio in vivo de la liberación retronasal de COV durante el consumo de café (análisis del espacio nasal).
Las tecnologías de espectrometría de masas de inyección directa (DIMS) representan una clase de enfoques instrumentales analíticos que ofrecen una resolución considerable de masa y tiempo con alta sensibilidad y robustez, permitiendo la rápida detección y cuantificación de compuestos orgánicos volátiles 1 . Estos enfoques instrumentales incluyen, entre otros, MS-e-nose, Espectrometría de Masa de Ionización Química a Presión Atmosférica (APCI-MS), Espectrometría de Masas de Reacción de Transferencia de Protones (PTR-MS) y Espectrometría de Masa de Tubo de Ion SIFT-MS) 1 . Los pros y los contras de cada enfoque dependen de: el tipo de inyección de la muestra, la fuente y el control de los iones precursores, el control del proceso de ionización y el analizador de masa 1 , 2 .
La espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones (PTR-MS) fue desarrollada hace más de veinte años para monitorear en tiempo real y wiLos límites de detección bajos (por lo general unos pocos ppbv, parte por mil millones por volumen) la mayoría de los compuestos orgánicos volátiles (COV) en el aire 3 , 4 . Los usos actuales de PTR-MS abarcan desde aplicaciones médicas hasta control de alimentos, hasta investigación ambiental 5 , 6 . Las principales características de esta técnica son: la posibilidad de medición rápida y continua, la fuente intensa y pura de iones precursores, y la posibilidad de controlar las condiciones de ionización (presión, temperatura y tensión de deriva). Estas características permiten combinar usos versátiles con un alto grado de estandarización 1 , 4 . De hecho, el método se basa en reacciones de iones hidronio (H $ ₃ $ O $ ⁺ $ ), que inducen la transferencia de protones no disociativos en la mayoría de los compuestos volátiles (particularmente en aquellos caracterizados por una afinidad del protón superior al agua), compuestos neutros protonantes(M) de acuerdo con la reacción: H $ ₃ $ O + + M → H $ ₂ $ O + MH $ ⁺ $ . En contraste con otras técnicas, por ejemplo , APCI-MS, la generación de iones precursores y la ionización de muestras se dividen en dos compartimentos instrumentales diferentes (en la Figura 1 se muestra una representación esquemática del instrumento PTR-MS). Una descarga eléctrica por vapor de agua en la fuente de iones de cátodo hueco genera un haz de iones hidronio. Después de esta fase, los iones cruzan el tubo de deriva, donde tiene lugar la ionización de los COV 7 . Los iones entran entonces en una sección de extracción de impulsos y se aceleran en la sección TOF. A través de los tiempos de vuelo, es posible determinar las relaciones masa-carga de los iones 8 . Cada impulso de extracción conduce a un espectro de masas completo 8 de la gama m / z seleccionada. Los espectros de iones se registran mediante un sistema rápido de adquisición de datos 7 . Un espectro completo es típicamenteAdquirida en un segundo, aunque se puede lograr una mayor resolución en el tiempo de acuerdo con el nivel de se~nal a ruido y se puede proporcionar una estimación cuantitativa de la concentración de espacio de cabeza de VOC incluso sin calibración 9 , 10 .
Figura 1: Ilustración esquemática de un PTR-MS. Representación esquemática del instrumento PTR-MS. HC: fuente de iones externa con cátodo hueco; SD: derivación de la fuente; VI, entrada de tipo venturi; EM, multiplicador de electrones; FC1-2, controladores de flujo. Reproducido con permiso de Boschetti et al. 7 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los COV asociados con las matrices alimentarias son de gran interés en la ciencia y tecnología de los alimentos debido a su importante papel en la base molecular de los fenómenos biológicos relacionados con la percepción del olor y el sabor y, por lo tanto, en la aceptación de los alimentos. Por lo tanto, nuestro interés en el tiempo real y la detección no invasiva de COV trata principalmente de las cualidades sensoriales de los alimentos. Además, si consideramos la posibilidad de detectar deterioro y microorganismos patógenos por medio de VOCs 13 liberados y / o monitorear compuestos orgánicos volátiles como marcadores follo( Por ejemplo, los subproductos de Maillard durante los tratamientos térmicos) 14 , queda claro cómo la identificación y cuantificación de COV son campos de interés en la gestión de la calidad de los alimentos 6 . Varios usos recientes de las tecnologías PTR-MS para el monitoreo y cuantificación rápidos de COV en matrices alimentarias demuestran el amplio rango de aplicación de estos enfoques analíticos ( Tabla 1 ).
Matriz de alimentos | Tipo de aplicación | Breve descripción | Referencia |
Mantequilla | Proyección / caracterización | Origen geográfico de las mantequillas europeas | 15 |
Yogur | Monitoreo de Bioprocesos | Evolución durante la fermentación del ácido lácticoMentación | dieciséis |
Barras de cereal | Medición in vivo | Nosespace durante el consumo de barras de cereales con composición de azúcar variable | 17 |
Sistemas de modelos líquidos | Condiciones orales simuladas | Evaluación de la presión de la lengua y de las condiciones bucales en boca modelo | 18 |
manzana | Medición in vivo | Nosespace durante el consumo de manzana con diferentes parámetros genéticos, texturales y físico-químicos | 19 |
café | Proyección / caracterización | Diferenciación de cafés especiales | 20 |
Mosto de uva | Proyección / caracterización | Efecto del proceso de cocción | 21 |
Caramelos con sabor | Medición in vivo | Determinación de los panelistas que utilizanMétodos directos de espectrometría de masas | 22 |
jamón | Proyección / caracterización | Efecto del sistema de cría de cerdos | 23 |
Pan de molde | Condiciones orales simuladas | Simulación del aroma del pan durante la masticación | 24 |
Leche | Proyección / caracterización | Control de cambios dinámicos inducidos por fotooxidación en la leche | 25 |
café | Proyección / caracterización | Diversidad en cafés tostados de diferentes orígenes geográficos | 26 |
Pan de molde | Monitoreo de Bioprocesos | Efecto de diferentes iniciadores de levadura durante la fermentación alcohólica | 27 |
café | Medición in vivo | Nosespace durante el consumo de diferentes preparaciones de café tostado | 28 |
Proyección / caracterización | Impacto de la ubicación de la producción, el sistema de producción y la variedad | 29 | |
Pan de molde | Monitoreo de Bioprocesos | Efecto de harina, levadura y su interacción durante la fermentación alcohólica | 30 |
Hongos | Proyección / caracterización | Vida útil de setas secas de porcini | 31 |
Yogur | Monitoreo de Bioprocesos | Efecto de diferentes cultivos iniciadores durante la fermentación láctica | 32 |
manzana | Proyección / caracterización | Diversidad en una colección de germoplasma de manzana | 33 |
café | Proyección / caracterización | Seguimiento del origen del café | 34 |
café | Medición in vivo | Combinación de unEl método sensorial dinámico y el análisis in situ del espacio nasal para entender la percepción del café | 35 |
Tabla 1: Lista de estudios científicos utilizando PTR-ToF-MS en el sector alimentario. Lista no exhaustiva de estudios científicos que utilizan enfoques basados en PTR para supervisar el contenido de COV en experimentos relacionados con los alimentos.
En estudios recientes, se informó sobre la aplicación de PTR-ToF-MS, junto con un sistema de muestreo automatizado y herramientas de análisis de datos a medida para aumentar la automatización de muestreo y la fiabilidad y, en consecuencia, para aumentar el potencial de esta técnica [ 7 , 10 , 13] . Esto permitió analizar la influencia de varios modos experimentales en la liberación de COV ( por ejemplo, diferentes concentracionesDe un determinado ingrediente, diversas intensidades de un parámetro tecnológico específico), y para monitorear los COV asociados con un determinado bioproceso ( por ejemplo, oxidación enzimática, fermentación alcohólica). En este sentido, para ejemplificar el potencial de PTR-ToF-MS en el sector agroalimentario, presentamos tres aplicaciones paradigmáticas: la detección de COV liberados durante la fermentación con ácido láctico de yogur inducida por diferentes cultivos iniciadores microbianos (monitoreo en línea de bioprocesos ), El monitoreo de COVs asociados a diferentes cultivares de manzanas (screening a gran escala) y el estudio in vivo de la liberación retronasal de COV mientras se toma café (análisis del espacio nasal).
La espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones (PTR-MS) acoplada a los analizadores de masa de tiempo de vuelo (ToF) representa un compromiso válido entre la necesidad de identificación y cuantificación de compuestos orgánicos volátiles y la necesidad de perfiles analíticos rápidos. La alta resolución de masa que caracteriza al analizador de masas ToF proporciona sensibilidad y espectros de masas relevantes con considerable contenido informacional. Además, la aplicación de PTR-ToF-MS jun…
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 |