PTR-ToF-MS יחד עם מערכת הדגימה אוטומטית וניתוח נתונים מותאמים למחקרים על מזון: ניטור Bioprocess, הקרנה וניתוח שטח האף
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
תגובת פרוטון (PTR), בשילוב עם זמן של טיסה (ToF) ספקטרומטר מסה (MS) היא גישה אנליטית המבוססת על יינון כימי השייך ישיר הזרקת מסה ספקטרומטרית (DIMS) טכנולוגיות. טכניקות אלה מאפשרות את הקביעה המהירה של תרכובות אורגניות נדיפות (VOC), המבטיחות רגישות ודיוק גבוהים. באופן כללי, PTR-MS לא דורש הכנה מדגם ולא הרס מדגם, המאפשר בזמן אמת ניתוח לא פולשני של דגימות. PTR-MS מנוצלים בתחומים רבים, החל בכימיה סביבתית ואטמוספרה ועד למדעים רפואיים וביולוגיים. לאחרונה, פיתחנו מתודולוגיה המבוססת על צימוד PTR-ToF-MS עם סמפלר אוטומטי כלי ניתוח נתונים מותאמים, כדי להגדיל את מידת האוטומציה, וכתוצאה מכך, כדי לשפר את הפוטנציאל של הטכניקה. גישה זו אפשרה לנו לעקוב אחר bioprocesses ( למשל חמצון אנזימטי, תסיסה אלכוהולית), כדי להציג קבוצות מדגם גדול (למשל, מקורות שונים, גרמופלזמות שלמות) ולנתח מספר מצבי ניסוי ( למשל ריכוזים שונים של מרכיב מסוים, עוצמות שונות של פרמטר טכנולוגי ספציפי) במונחים של תוכן VOC. כאן, אנו מדווחים על פרוטוקולים ניסיוניים המדגימים יישומים אפשריים שונים של המתודולוגיה שלנו: כלומר , איתור VOCs שפורסמו במהלך תסיסת חומצה לקטית של יוגורט (ניטור ביו-פרוצדס מקוון), ניטור של VOCs הקשורים לזנים שונים של תפוחים (הקרנה בקנה מידה גדול) , וכן במחקר vivo של שחרור VOC retronasal במהלך שתיית קפה (ניתוח nosespace).
Introduction
הזרקת ישיר הטכנולוגיות הספקטרומטריות (DIMS) מייצגות סוג של גישות אינסטרומנטליות אנליטיות המציעות כמות ניכרת של מסה וזמן עם רגישות גבוהה וחוסן, ומאפשרים זיהוי וכימות מהיר של תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs). גישות אינסטרומנטליות אלה כוללות, בין היתר, MS-e-nose, אטמוספירי לחץ כימי יוניזציה ספקטרומטריית מסה (APCI-MS), פרוטון- Transfer- תגובה המוני ספקטרומטרית (PTR-MS), ו נבחרת יון- Flow-Tube ספקטרומטריית מסה ( SIFT-MS) 1 . היתרונות והחסרונות של כל גישה תלויים: סוג של הזרקת המדגם, המקור והשליטה של יונים מבשר, את השליטה של תהליך יינון, ואת מנתח המונית 1 , 2 .
פרוטון-העברת תגובה ספקטרומטריית מסה (PTR-MS) פותחה לפני יותר מעשרים שנה כדי לפקח בזמן אמת ו- Wi(בדרך כלל כמה ppbv, חלק למיליארד לפי נפח) תרכובות אורגניות נדיפות ביותר (VOCs) באוויר 3 , 4 . השימושים הנוכחיים של טווח PTR-MS מיישומים רפואיים, כדי לשלוט על מזון, למחקר סביבתי 5 , 6 . המאפיינים העיקריים של טכניקה זו הם: האפשרות של מדידה מהירה ומתמשכת, מקור אינטנסיבי וטהור של יונים מבשר, ואת האפשרות לשלוט בתנאי יינון (לחץ, טמפרטורה מתח להיסחף). תכונות אלה מאפשרות שילוב של שימושים מגוונים עם רמה גבוהה של סטנדרטיזציה 1 , 4 . למעשה, השיטה מבוססת על תגובות של יונים הידרוניום (H 3 O + ), אשר מעוררים העברת פרוטון לא דיסוציאטיבי ברוב התנודות נדיפים (במיוחד אלה המאופיינים זיקה פרוטון גבוה יותר מים), protonating תרכובות נייטרליות(M) על פי התגובה: H 3 O + M M → H 2 O + MH + . בניגוד טכניקות אחרות, למשל , APCI-MS, דור יון מבשר יינון מדגם מחולקים שני תאים אינסטרומנטליים שונים (ייצוג סכמטי של מכשיר PTR-MS נתון באיור 1 ). פריקה חשמלית על ידי אדי מים במקור יון קתודה חלולה מייצר קרן של יונים הידרוניום. לאחר שלב זה, יונים לחצות את צינור נסחף, שבו יינון של VOCs מתרחש 7 . יונים מכן להזין קטע החילוץ הדופק והם מואצים לתוך סעיף TOF. דרך זמני הטיסה, ניתן לקבוע את יחסי ההמונים בין היונים 8 . כל דופק החילוץ מוביל לספקטרום מסה מלא 8 של טווח m / z שנבחר. ספקטרום יון נרשמות על ידי מערכת מהירה רכישת נתונים 7 . ספקטרום שלם הוא בדרך כלל רכשה בשנייה אחת למרות רזולוציה גבוהה יותר זמן יכול להיות מושגת על פי האות לרעש ברמה ואמידה כמותית של ריכוז VOC headspace יכול להינתן גם ללא כיול 9 , 10 .
איור 1: איור סכמטי של PTR-MS. ייצוג סכמטי של מכשיר PTR-MS. HC: מקור יון חיצוני עם קתודה חלולה; SD: סחיפה במקור; VI, ונטורי סוג מפרצון; EM, מכפיל אלקטרון; FC1-2, בקרי זרימה. הודפס באישור מאת Boschetti et al. 7 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
VOCs הקשורים מטריצות מזון הם בעלי עניין יוצא דופן במדעי המזון והטכנולוגיה בגלל התפקיד החשוב שלהם בבסיס המולקולרי של תופעות ביולוגיות הקשורות ריח תפיסת טעם, ובכך, בקבלת מזון. לפיכך, האינטרס שלנו בזמן אמת ולא פולשני זיהוי של VOCs עוסקת בעיקר איכויות חושיות של מזון. בנוסף, אם ניקח בחשבון את האפשרות לזהות קלקול מיקרואורגניזמים פתוגניים באמצעות VOCs שפורסמו 13 ו / או לפקח על תרכובות אורגניות נדיפות כמו סמנים follo( למשל , תוצרי הלוואי של מילארד במהלך טיפולים תרמיים) 14 , מתברר כיצד זיהוי וכימות של VOC הם תחומי עניין בניהול איכות המזון. מספר שימושים אחרונים של טכנולוגיות PTR-MS לניטור וכימות מהיר של VOCs מטריצות מזון מעידים על מגוון רחב של יישום של גישות אנליטיות אלה ( טבלה 1 ).
| מטריצת מזון | סוג של יישום | תיאור קצר | התייחסות |
| חֶמאָה | הקרנה / אפיון | מקור גיאוגרפי של חמאה אירופית | 15 |
| יוֹגוּרט | ניטור Bioprocess | אבולוציה במהלך חומצת חלבמנטציה | 16 |
| דגני בוקר | במדידת vivo | Nosespace במהלך הצריכה של דגני בוקר עם הרכב סוכר שונים | 17 |
| מערכות מודל נוזלי | תנאים אוראליים מדומים | הערכת לחץ הלשון ותנאי הפה בפה מודל | 18 |
| תפוח עץ | במדידת vivo | Nosespace במהלך תפוח הצריכה עם פרמטרים גנטיים שונים, מרקם, ופיזיוכימיים | 19 |
| קָפֶה | הקרנה / אפיון | בידול של קפה מיוחדים | 20 |
| ענבים חייב | הקרנה / אפיון | השפעת תהליך הבישול | 21 |
| ממתקים בטעם | במדידת vivo | קביעת פאנאליסטים באמצעות שונותשיטות ספקטרומטריית מסה ישירה | 22 |
| בְּשַׂר חֲזִיר | הקרנה / אפיון | השפעת מערכת גידול החזירים | 23 |
| לֶחֶם | תנאים אוראליים מדומים | הדמיית ניחוח הלחם בזמן העיסה | 24 |
| חָלָב | הקרנה / אפיון | ניטור photoxidation-induced שינויים דינמיים בחלב | 25 |
| קָפֶה | הקרנה / אפיון | גיוון של קפה קלוי ממוצא גיאוגרפי שונים | 26 |
| לֶחֶם | ניטור Bioprocess | השפעת שמרים שונים במהלך התסיסה אלכוהוליים | 27 |
| קָפֶה | במדידת vivo | Nosespace במהלך הצריכה של ההכנות קפה קלויים שונים | 28 |
| הקרנה / אפיון | ההשפעה של מיקום הייצור, מערכת הייצור, וראייטי | 29 | |
| לֶחֶם | ניטור Bioprocess | השפעת קמח, שמרים ואת האינטראקציה שלהם במהלך תסיסה אלכוהוליים | 30 |
| פטריות | הקרנה / אפיון | חיי מדף של פטריות פורצ'יני מיובשות | 31 |
| יוֹגוּרט | ניטור Bioprocess | ההשפעה של תרבויות Starter שונים במהלך תסיסה לקטית | 32 |
| תפוח עץ | הקרנה / אפיון | גיוון באוסף גרגרפלס תפוח | 33 |
| קָפֶה | הקרנה / אפיון | מעקב אחר מקור קפה | 34 |
| קָפֶה | במדידת vivo | שילוב שלשיטת חישה דינמית ו in-vivo nosespace ניתוח להבין תפיסת קפה | 35 |
טבלה 1: רשימת המחקרים המדעיים באמצעות PTR-ToF-MS בתחום המזון. רשימה בלתי ממצה של מחקרים מדעיים באמצעות גישות מבוססות PTR כדי לפקח על תוכן VOC בניסויים הקשורים למזון.
במחקרים שנערכו לאחרונה, דיווחנו על היישום של PTR-ToF-MS יחד עם מערכת הדגימה האוטומטית וכלים מותאמים לניתוח נתונים כדי להגדיל את אוטומציה הדגימה ואת האמינות, וכתוצאה מכך, כדי לשפר את הפוטנציאל של טכניקה זו 7 , 10 , 13 . זה מאפשר לנו לבדוק, במונחים של תוכן VOC, קבוצות מדגם גדול ( למשל מזון ממקורות שונים עם משכפלים רבים, germoplasms כולו), כדי לנתח את ההשפעה של מספר מצבים ניסיוניים על שחרור VOC ( למשל ריכוזים שוניםשל מרכיב מסוים, עוצמות מגוונות של פרמטר טכנולוגי מסוים), ולנטר VOCs הקשורים bioprocess נתון ( למשל חמצון אנזימטי, תסיסה אלכוהוליים). כאן, על מנת להדגים את הפוטנציאל של PTR-ToF-MS במגזר המזון החקלאי, אנו מציגים שלושה יישומים פרדיגמטיים: איתור VOCs שפורסמו במהלך התסיסה חומצת חלב על יוגורט הנגרמת על ידי תרבויות שונות מיקרוביאלית Starter (ניטור bioprocess מקוון ), ניטור של VOCs הקשורים זנים שונים תפוח (בקנה מידה גדול ההקרנה) ואת המחקר in vivo של שחרור VOC retronasal תוך שתיית קפה (ניתוח nosespace).
Protocol
Representative Results
Discussion
תגובת פרוטון-ספקטרומטריית מסה (PTR-MS) יחד עם זמן הטיסה (טוף) מנתחי המונית מייצגים פשרה תקפה בין הצורך זיהוי וכימות של תרכובות אורגניות נדיפות ואת הצורך פרופיל אנליטי מהיר. רזולוציית המסה הגבוהה המאפיינת את מנתח המסה טופ נותן / מספק רגישות רלוונטית וספקטרום המונית עם תו?…
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).
