بتر-توف-مس يقترن مع نظام أخذ العينات الآلي وتحليل البيانات مصممة خصيصا لدراسات الغذاء: رصد العمليات الحيوية والفحص وتحليل الأنف الفضاء
Summary
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).
Abstract
بروتون ترانسفر رياكتيون (بتر)، جنبا إلى جنب مع مطياف الكتلة وقت الرحلة (توف) هو نهج تحليلي يعتمد على التأين الكيميائي الذي ينتمي إلى تقنيات قياس الطيف الكتلي المباشر (ديمس). وتتيح هذه التقنيات التحديد السريع للمركبات العضوية المتطايرة (فوك)، مما يضمن حساسية ودقة عالية. بشكل عام، بتر-مس لا يتطلب إعداد العينات ولا تدمير العينة، مما يسمح في الوقت الحقيقي والتحليل غير الغازية من العينات. تستغل بتر-مس في العديد من المجالات، من الكيمياء البيئية والغلاف الجوي إلى العلوم الطبية والبيولوجية. في الآونة الأخيرة، وضعنا منهجية تقوم على اقتران بتر-توف-مس مع العينات الآلي وأدوات تحليل البيانات مصممة خصيصا، لزيادة درجة الأتمتة، وبالتالي، لتعزيز إمكانات هذه التقنية. وقد سمح لنا هذا النهج بمراقبة العمليات الحيوية ( مثل الأكسدة الأنزيمية، والتخمر الكحولي)، وفحص مجموعات العينات الكبيرة (على سبيل المثال، أصول مختلفة، جرثومية كاملة) وتحليل عدة طرق تجريبية (على سبيل المثال تركيزات مختلفة من عنصر معين، شدة مختلفة من المعلمة التكنولوجية محددة) من حيث محتوى المركبات العضوية المتطايرة. هنا، نحن نبلغ البروتوكولات التجريبية التي تجسد التطبيقات المختلفة الممكنة لمنهجيتنا: أي الكشف عن المركبات العضوية المتطايرة صدر خلال تخمير حمض اللاكتيك من اللبن (على الخط مراقبة بيوبروسيس)، ورصد المركبات العضوية المتطايرة المرتبطة أصناف التفاح مختلفة (الفحص على نطاق واسع) ، والدراسة في الجسم الحي من الإفراج عن المركبات العضوية المتطايرة ريتروناسال خلال شرب القهوة (تحليل نوسزباس).
Introduction
إن تقنيات حقن الطيف الكتلي المباشر (ديمس) تمثل فئة من الأساليب التحليلية المفيدة التي توفر قدرا كبيرا من الدقة في الوقت والكتلة مع حساسية عالية ومتانة عالية، مما يسمح بالكشف السريع والتقدير الكمي للمركبات العضوية المتطايرة (فوكس) 1 . وتشمل هذه الأساليب الفعالة، من بين أمور أخرى، أنف مس-e، الطيف الكتلي التأين الكيميائي للغلاف الجوي (أبسي-مس)، بروت-ترانسفورمنت رياكتيون ماسك سبيكتروميتري (بتر-مس)، و إيون-فلو-تيوب ماس سبيكتروميتري سيفت-مس) 1 . إيجابيات وسلبيات كل نهج تعتمد على: هذا النوع من حقن العينة، مصدر ومراقبة أيونات السلائف، والسيطرة على عملية التأين، والمحلل الشامل 1 ، 2 .
وقد تم تطوير بروتون نقل رد فعل الكتلة الطيفية (بتر-مس) منذ أكثر من عشرين عاما لمراقبة في الوقت الحقيقي و وايحدود الكشف المنخفضة (عادة بضع ببف، جزء في المليار من حيث الحجم) المركبات العضوية الأكثر تقلبا (فوك) في الهواء 3 ، 4 . الاستخدامات الحالية لل بتر-مس تتراوح بين التطبيقات الطبية، لمراقبة الأغذية، إلى البحوث البيئية 5 ، 6 . الملامح الرئيسية لهذه التقنية هي: إمكانية القياس السريع والمستمر، مصدر مكثف ونقي من أيونات السلائف، وإمكانية التحكم في ظروف التأين (الضغط ودرجة الحرارة والجهد الانجراف). هذه الميزات تسمح الجمع بين الاستخدامات تنوعا مع درجة عالية من التوحيد 1 ، 4 . في الواقع، تعتمد الطريقة على تفاعلات أيونات الهيدرونيوم (H 3 O + )، التي تحفز نقل بروتون غير انفصالي في معظم المركبات المتطايرة (وخاصة في تلك التي تتميز بروتين تقارب أعلى من الماء)، بروتونات مركبات محايدة(M) وفقا للتفاعل: H 3 O + + M → H 2 O + م + . على النقيض من التقنيات الأخرى، على سبيل المثال ، يتم تقسيم أبسي-مس، جيل الأيونات السلائف وتأين العينة في اثنين من مقصورات مفيدة مختلفة (ويرد تمثيل تخطيطي لل صك بتر-مس في الشكل 1 ). تفريغ كهربائي بواسطة بخار الماء في مصدر أيون الكاثود جوفاء يولد شعاع من أيونات الهيدرونيوم. بعد هذه المرحلة، الأيونات عبر أنبوب الانجراف، حيث تأين المركبات العضوية المتطايرة يحدث 7 . ثم تدخل الأيونات في قسم استخراج النبضات ويتم تسريعها في قسم توف. من خلال أوقات الطيران، فمن الممكن لتحديد نسب كتلة إلى تهمة الأيونات 8 . كل نبض استخراج يؤدي إلى الطيف الشامل الشامل 8 من مجموعة م / ض المحدد. يتم تسجيل الأطياف أيون من قبل نظام الحصول على البيانات بسرعة 7 . الطيف الكامل هو عادة المكتسبة في ثانية واحدة على الرغم من أن قرار الوقت العالي يمكن أن يتحقق وفقا للإشارة إلى مستوى الضوضاء والتقدير الكمي للتركيز فوك هيدزباس يمكن توفيرها حتى من دون معايرة 9 ، 10 .
الشكل 1: التوضيح التخطيطي ل بتر-مس. التمثيل التخطيطي للصك بتر-مس. هك: مصدر أيون الخارجية مع الكاثود جوفاء. سد: مصدر الانجراف؛ سادسا، مدخل من نوع فينتوري؛ إم، مضاعف الإلكترون؛ FC1-2، وحدات تحكم التدفق. أعيد طباعته بإذن من بوشتي وآخرون. 7 – الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
والمركبات العضوية المتطايرة المرتبطة بمصفوفات الأغذية ذات أهمية كبيرة في علوم وتكنولوجيا الأغذية نظرا لدورها الهام في الأساس الجزيئي للظواهر البيولوجية المرتبطة بالروائح ونكهة الإدراك، وبالتالي في قبول الأغذية. وبالتالي، فإن اهتمامنا في الوقت الحقيقي والكشف غير الغازية من المركبات العضوية المتطايرة تتعامل أساسا مع الصفات الحسية من المواد الغذائية. وبالإضافة إلى ذلك، إذا نظرنا في إمكانية الكشف عن تلف الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض عن طريق المركبات العضوية المتطايرة الافراج عنهم 13 و / أو لرصد المركبات العضوية المتطايرة كعلامات فولو( مثل منتجات مايلار الثانوية خلال العلاجات الحرارية) 14 ، يصبح من الواضح كيفية تحديد المركبات العضوية المتطايرة وتحديدها كمجالات ذات أهمية في إدارة جودة الأغذية 6 . وتشهد عدة استخدامات حديثة لتقنيات بتر-مس من أجل الرصد السريع والتقدير الكمي للمركبات العضوية المتطايرة في مصفوفات الأغذية على النطاق الواسع لتطبيق هذه النهج التحليلية ( الجدول 1 ).
| مصفوفة الطعام | نوع من التطبيق | وصف مختصر | مرجع |
| زبدة | فحص / توصيف | الأصل الجغرافي للزبدة الأوروبية | 15 |
| زبادي | مراقبة العمليات البيولوجية | تطور خلال حامض اللاكتيك فرنشاط عقلي | 16 |
| حبوب الحبوب | في الجسم الحي القياس | نوسزباس خلال استهلاك حبوب الحبوب مع تكوين السكر المختلفة | 17 |
| أنظمة نموذج السائل | الظروف الشفوية المحاكاة | تقييم ضغط اللسان والظروف الشفوية في فم نموذجي | 18 |
| تفاحة | في الجسم الحي القياس | نوسزباس خلال التفاح الاستهلاك مع مختلف المعلمات الوراثية، تكستورال، والفيزيائية | 19 |
| قهوة | فحص / توصيف | تمايز القهوة المتخصصة | 20 |
| سلافة العنب | فحص / توصيف | تأثير عملية الطهي | 21 |
| حلوى النكهة | في الجسم الحي القياس | تحديد أعضاء الفريق باستخدام مختلفطرق الطيف الكتلي المباشر | 22 |
| لحم خنزير | فحص / توصيف | تأثير نظام تربية الخنازير | 23 |
| خبز | الظروف الشفوية المحاكاة | محاكاة رائحة الخبز أثناء المضغ | 24 |
| حليب | فحص / توصيف | رصد التغيرات الحيوية التي يسببها فوتوكسيداتيون في الحليب | 25 |
| قهوة | فحص / توصيف | التنوع في القهوة المحمصة من أصول جغرافية مختلفة | 26 |
| خبز | مراقبة العمليات البيولوجية | تأثير مختلف الخميرة مبتدئين أثناء التخمر الكحولية | 27 |
| قهوة | في الجسم الحي القياس | نوسزباس خلال استهلاك مختلف التحضير البن المحمص | 28 |
| فحص / توصيف | تأثير موقع الإنتاج، ونظام الإنتاج، ومتنوعة | 29 | |
| خبز | مراقبة العمليات البيولوجية | تأثير الدقيق والخميرة وتفاعلها أثناء التخمير الكحولي | 30 |
| الفطر | فحص / توصيف | الجرف، بسبب، جافة، بورسيني، الفطر | 31 |
| زبادي | مراقبة العمليات البيولوجية | تأثير الثقافات بداية كاتب خلال التخمير اللبن | 32 |
| تفاحة | فحص / توصيف | التنوع في جمع المواد الوراثية التفاح | 33 |
| قهوة | فحص / توصيف | تتبع أصل القهوة | 34 |
| قهوة | في الجسم الحي القياس | مزيج من أطريقة الحسية الديناميكية وتحليل في الجسم الحي نوزسباس لفهم تصور القهوة | 35 |
الجدول 1: قائمة الدراسات العلمية باستخدام بتر-توف-مس في قطاع الأغذية. قائمة غير شاملة للدراسات العلمية باستخدام النهج القائمة على بتر لرصد محتوى المركبات العضوية المتطايرة في التجارب المتعلقة بالأغذية.
في الدراسات الحديثة، أبلغنا عن تطبيق بتر-توف-مس إلى جانب نظام أخذ العينات الآلي وأدوات تحليل البيانات مصممة لزيادة أتمتة العينات والموثوقية، وبالتالي، لتعزيز إمكانات هذه التقنية 7 ، 10 ، 13 . وقد سمح لنا ذلك بالتحري، من حيث محتوى المركبات العضوية المتطايرة، مجموعات عينات كبيرة ( مثل المواد الغذائية من أصول مختلفة مع العديد من المكررات، جرثومية كاملة) لتحليل تأثير عدة طرق تجريبية على إطلاق المركبات العضوية المتطايرة (على سبيل المثال تركيزات مختلفةمن عنصر معين، شدة متنوعة من معلمة تكنولوجية محددة)، ورصد المركبات العضوية المتطايرة المرتبطة معمل بيوبروسيس ( مثل الأكسدة الأنزيمية، والتخمير الكحولي). هنا، من أجل تجسيد إمكانات بتر-توف-مس في قطاع الأغذية الزراعية، نقدم ثلاثة تطبيقات نموذجية: الكشف عن المركبات العضوية المتطايرة صدر خلال تخمير حامض اللبنيك من اللبن الناجم عن مختلف الثقافات كاتب الميكروبية (على الخط رصد العمليات الحيوية )، ورصد المركبات العضوية المتطايرة المرتبطة أصناف مختلفة التفاح (فحص على نطاق واسع) والدراسة في الجسم الحي من الإفراج عن المركبات العضوية المتطايرة ريتروناسال في حين شرب القهوة (تحليل نوسزباس).
Protocol
Representative Results
Discussion
ويمثل تحليل الطيف الكتلي للروتونات (بتر-مس)، إلى جانب وقت التحليق الجماعي (توف)، حلا وسطا صالحا بين الحاجة إلى تحديد المركبات الكيماوية المتطايرة وتحديد حجمها وضرورة التنميط التحليلي السريع. القرار الشامل الشامل الذي يميز محلل كتلة توف يعطي / يوفر حساسية ذات الصلة وا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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 |
References
- Biasioli, F., Yeretzian, C., Märk, T. D., Dewulf, J., Van Langenhove, H. Direct-injection mass spectrometry adds the time dimension to (B)VOC analysis. Trends Analyt Chem. 30 (7), 1003-1017 (2011).
- Berchtold, C., Bosilkovska, M., Daali, Y., Walder, B., Zenobi, R. Real-time monitoring of exhaled drugs by mass spectrometry. Mass Spectrom Rev. 33 (5), 394-413 (2014).
- Hansel, A., et al. Proton transfer reaction mass spectrometry: on-line trace gas analysis at the ppb level. Int J Mass Spectrom Ion Process. 149, 609-619 (1995).
- Jordan, A., et al. An online ultra-high sensitivity Proton-transfer-reaction mass-spectrometer combined with switchable reagent ion capability PTR + SRI – MS). Int J Mass Spectrom. 286 (1), 32-38 (2009).
- Lindinger, W., Hansel, A., Jordan, A. On-line monitoring of volatile organic compounds at pptv levels by means of proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS) medical applications, food control and environmental research. Int J Mass Spectrom Ion Process. 173 (3), 191-241 (1998).
- Biasioli, F., Gasperi, F., Yeretzian, C., Märk, T. D. PTR-MS monitoring of VOCs and BVOCs in food science and technology. Trends Analyt Chem. 30 (7), 968-977 (2011).
- Campbell-Sills, H., et al. Advances in wine analysis by PTR-ToF-MS: Optimization of the method and discrimination of wines from different geographical origins and fermented with different malolactic starters. Int J Mass Spectrom. , 42-51 (2016).
- Jordan, A., et al. A high resolution and high sensitivity proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometer (PTR-TOF-MS). Int J Mass Spectrom. 286 (2-3), 122-128 (2009).
- Lindinger, W., Hansel, A., Jordan, A. Proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS): on-line monitoring of volatile organic compounds at pptv levels. Chem Soc Rev. 27 (5), 347-375 (1998).
- Cappellin, L., et al. On data analysis in PTR-TOF-MS: From raw spectra to data mining. Sens Actuators B Chem. 155 (1), 183-190 (2011).
- Ellis, A. M., Mayhew, C. A. . Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry: Principles and Applications. , (2012).
- Blake, R. S., Monks, P. S., Ellis, A. M. Proton-Transfer Reaction Mass Spectrometry. Chem Rev. 109 (3), 861-896 (2009).
- Romano, A., Capozzi, V., Spano, G., Biasioli, F. Proton transfer reaction-mass spectrometry: online and rapid determination of volatile organic compounds of microbial origin. Appl Microbiol Biotechnol. 99 (9), 3787-3795 (2015).
- Pollien, P., Lindinger, C., Yeretzian, C., Blank, I. Proton transfer reaction mass spectrometry, a tool for on-line monitoring of acrylamide formation in the headspace of maillard reaction systems and processed food. Anal Chem. 75 (20), 5488-5494 (2003).
- Maçatelli, M., et al. Verification of the geographical origin of European butters using PTR-MS. J Food Compost Anal. 22 (2), 169-175 (2009).
- Soukoulis, C., et al. Proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry monitoring of the evolution of volatile compounds during lactic acid fermentation of milk. Rapid Commun Mass Spectrom. 24 (14), 2127-3134 (2010).
- Heenan, S., et al. PTR-TOF-MS monitoring of in vitro and invivo flavour release in cereal bars with varying sugar composition. Food Chem. 131 (2), 477-484 (2012).
- Benjamin, O., Silcock, P., Beauchamp, J., Buettner, A., Everett, D. W. Tongue pressure and oral conditions affect volatile release from liquid systems in a model mouth. J Agric Food Chem. 60 (39), 9918-9927 (2012).
- Ting, V. J. L., et al. In vitro and in vivo flavor release from intact and fresh-cut apple in relation with genetic, textural, and physicochemical parameters. J Food Sci. 77 (11), 1226-1233 (2012).
- Özdestan, &. #. 2. 1. 4. ;., et al. Differentiation of specialty coffees by proton transfer reaction-mass spectrometry. Food Res Int. 53 (1), 433-439 (2013).
- Dimitri, G., et al. PTR-MS monitoring of volatiles fingerprint evolution during grape must cooking. LWT-Food Sci Technol. 51 (1), 356-360 (2013).
- Déléris, I., et al. Comparison of direct mass spectrometry methods for the on-line analysis of volatile compounds in foods. J Mass Spectrom. 48 (5), 594-607 (2013).
- Sánchez del Pulgar, J., et al. Effect of the pig rearing system on the final volatile profile of Iberian dry-cured ham as detected by PTR-ToF-MS. Meat Sci. 93 (3), 420-428 (2013).
- Onishi, M., Inoue, M., Araki, T., Iwabuchi, H., Sagara, Y. A PTR-MS-based protocol for simulating bread aroma during mastication. Food Bioproc Tech. 5 (4), 1228-1237 (2010).
- Beauchamp, J., Zardin, E., Silcock, P., Bremer, P. J. Monitoring photooxidation-induced dynamic changes in the volatile composition of extended shelf life bovine milk by PTR-MS. J Mass Spectrom. 49 (9), 952-958 (2014).
- Yener, S., et al. PTR-ToF-MS characterisation of roasted coffees (C. arabica) from different geographic origins. J Mass Spectrom. 49 (9), 929-935 (2014).
- Makhoul, S., et al. Proton-transfer-reaction mass spectrometry for the study of the production of volatile compounds by bakery yeast starters. J Mass Spectrom. 49 (9), 850-859 (2014).
- Romano, A., et al. Nosespace analysis by PTR-ToF-MS for the characterization of food and tasters: The case study of coffee. Int J Mass Spectrom. 365, 20-27 (2014).
- Muilwijk, M., Heenan, S., Koot, A., van Ruth, S. M. Impact of production location, production system, and variety on the volatile organic compounds fingerprints and sensory characteristics of tomatoes. J Chem. 2015, 981549 (2015).
- Makhoul, S., et al. Volatile compound production during the bread-making process: effect of flour, yeast and their interaction. Food Bioproc Tech. 8 (9), 1925-1937 (2015).
- Aprea, E., et al. Volatile compound changes during shelf life of dried Boletus edulis: comparison between SPME-GC-MS and PTR-ToF-MS analysis. J Mass Spectrom. 50 (1), 56-64 (2015).
- Benozzi, E., et al. Monitoring of lactic fermentation driven by different starter cultures via direct injection mass spectrometric analysis of flavour-related volatile compounds. Food Res Int. 69, 235-243 (2015).
- Farneti, B., et al. Comprehensive VOC profiling of an apple germplasm collection by PTR-ToF-MS. Metabolomics. 11 (4), 838-850 (2014).
- Yener, S., et al. Tracing coffee origin by direct injection headspace analysis with PTR/SRI-MS. Food Res Int. 69, 235-243 (2015).
- Charles, M., et al. Understanding flavour perception of espresso coffee by the combination of a dynamic sensory method and in-vivo nosespace analysis. Food Res Int. 69, 9-20 (2015).
- Farneti, B., et al. Untargeted metabolomics investigation of volatile compounds involved in the development of apple superficial scald by PTR-ToF-MS. Metabolomics. 11 (2), 341-349 (2014).
- Bean, H. D., Zhu, J., Hill, J. E. Characterizing Bacterial Volatiles using Secondary Electrospray Ionization Mass Spectrometry (SESI-MS). J Vis Exp. (52), e2664 (2011).
- Cappellin, L., et al. Extending the dynamic range of proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometers by a novel dead time correction. Rapid Commun Mass Spectrom. 25 (1), 179-183 (2011).
- Cappellin, L., et al. On Quantitative Determination of Volatile Organic Compound Concentrations Using Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry. Environ Sci Technol. 46 (4), 2283-2290 (2012).
- Cappellin, L., et al. PTR-ToF-MS and data mining methods: a new tool for fruit. Metabolomics. 8 (5), 761-770 (2012).
- Yeretzian, C., Jordan, A., Lindinger, W. Analysing the headspace of coffee by proton-transfer-reaction mass-spectrometry. Int J Mass Spectrom. 223, 115-139 (2003).
- Sulzer, P., et al. From conventional proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS) to universal trace gas analysis. Int J Mass Spectrom. 321, 66-70 (2012).
- Cappellin, L., et al. Ethylene: Absolute real-time high-sensitivity detection with PTR/SRI-MS. The example of fruits, leaves and bacteria. Int J Mass Spectrom. 365, 33-41 (2014).
- Ruzsanyi, V., Fischer, L., Herbig, J., Ager, C., Amann, A. Multi-capillary-column proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometry. Journal of Chromatography A. 1316, 112-118 (2013).
- Romano, A., et al. Wine analysis by FastGC proton-transfer reaction-time-of-flight-mass spectrometry. Int J Mass Spectrom. 369, 81-86 (2014).
- Aprea, E., Biasioli, F., Märk, T. D., Gasperi, F. PTR-MS study of esters in water and water/ethanol solutions: Fragmentation patterns and partition coefficients. Int J Mass Spectrom. 262 (1-2), 114-121 (2007).
- Sulzer, P., et al. A Proton Transfer Reaction-Quadrupole interface Time-Of-Flight Mass Spectrometer (PTR-QiTOF): High speed due to extreme sensitivity. Int J Mass Spectrom. 368, 1-5 (2014).
- Barber, S., et al. Increased Sensitivity in Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry by Incorporation of a Radio Frequency Ion Funnel. Anal Chem. 84 (12), 5387-5391 (2012).
