자동 샘플링 시스템과 결합 된 PTR-ToF-MS 및 식품 연구를위한 맞춤형 데이터 분석 : 바이오 프로세스 모니터링, 스크리닝 및 코 공간 분석
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
TOF (Time-Of-Flight) 질량 분석기 (MS)와 결합 된 양성자 이동 반응 (PTR)은 직접 주입 질량 분광 분석 (DIMS) 기술에 속하는 화학 이온화를 기반으로 한 분석 방법입니다. 이 기술은 휘발성 유기 화합물 (VOCs)의 신속한 측정을 가능하게하여 높은 감도와 정확성을 보장합니다. 일반적으로 PTR-MS는 시료 준비 및 시료 파괴를 필요로하지 않으므로 실시간 및 비 침습적 시료 분석이 가능합니다. PTR-MS는 환경 및 대기 화학에서 의학 및 생물 과학에 이르기까지 많은 분야에서 이용됩니다. 보다 최근에는 자동 샘플러 및 맞춤형 데이터 분석 도구를 사용하여 PTR-ToF-MS를 결합하여 자동화 수준을 높이고 결과적으로 기술의 잠재력을 향상시키는 방법론을 개발했습니다. 이 접근법은 바이오 프로세스 ( 예 : 효소 산화, 알콜 성 발효)를 모니터하고, 대형 샘플 세트를 스크리닝 할 수있게 해줍니다.VOC 함유량의 측면에서 여러 가지 실험 모드 ( 예 : 주어진 성분의 다른 농도, 특정 기술 매개 변수의 다른 강도)를 분석 할 수 있습니다 ( 예 : 다른 기원, 전체 germoplasms). 여기서는 요구르트의 젖산 발효 중에 방출되는 휘발성 유기 화합물 (온라인 바이오 프로세스 모니터링)의 검출, 상이한 사과 품종과 관련된 VOC (대규모 스크리닝) 모니터링, , 커피 마시 (코끝 분석) 중 retronasal VOC 방출 에 대한 생체 내 연구.
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) 기술은 휘발성 유기 화합물 (VOCs)의 신속한 검출 및 정량화를 가능하게하는 고감도 및 견고성으로 상당한 질량 및 시간 분해능을 제공하는 일종의 분석 장비 접근 방식을 나타냅니다. 이러한 기 계적 접근에는 MS-e-noses, 대기압 화학 이온화 질량 분광법 (APCI-MS), 양성자 전달 반응 질량 분광법 (PTR-MS) 및 선택된 이온 흐름 튜브 질량 분광법 ( SIFT-MS) 1 . 각 접근법의 장단점은 시료 주입의 종류, 전구체 이온의 공급원 및 제어, 이온화 공정의 제어 및 질량 분석기 1,2에 달려 있습니다.
양성자 전달 반응 질량 분광계 (PTR-MS)는 실시간으로 모니터링하기 위해 20 년 전에 개발되었습니다.공기 중 대부분의 휘발성 유기 화합물 (VOCs)을 검출 할 수있는 낮은 검출 한계 (대개 수 ppbv, 10 억분의 1 ppb). PTR-MS의 현재 용도는 의학 응용에서부터 식품 관리, 환경 연구에 이르기까지 다양합니다. 이 기술의 주요 특징은 빠르고 연속적인 측정의 가능성, 전구체 이온의 강렬하고 순수한 소스 및 이온화 조건 (압력, 온도 및 드리프트 전압)을 제어 할 수있는 가능성입니다. 이러한 기능을 통해 다양한 용도로 높은 표준화 수준 1 , 4를 결합 할 수 있습니다. 사실,이 방법은 대부분의 휘발성 화합물 (특히 물보다 높은 양성자 친 화성을 특징으로하는 화합물)에서 비 해리 성 양성자 전달을 유도하는 하이드로 늄 이온 (H 3 O + )의 반응에 기반하며, 중성 화합물H 3O + + M → H 2 O + MH + 반응에 따라 (M) APCI-MS와 같은 다른 기술과는 달리, 전구체 이온 생성 및 샘플 이온화는 두 개의 다른 도구 격실로 나뉩니다 (PTR-MS 기기의 도식적 표현은 그림 1 에 나와 있습니다). 중공 음극 이온 소스 내의 수증기에 의한 방전은 하이드로 늄 이온 빔을 생성한다. 이 단계 후에, 이온은 VOC의 이온화가 일어나는 드리프트 튜브를 가로 지른다. 그런 다음 이온이 펄스 추출 섹션으로 들어가고 TOF 섹션으로 가속됩니다. 비행 시간을 통해 이온 8 의 질량 대 전하 비율을 결정할 수 있습니다. 각각의 추출 펄스는 선택된 m / z 범위의 완전한 질량 스펙트럼 8 을 유도합니다. 이온 스펙트럼은 빠른 데이터 수집 시스템 7 에 의해 기록됩니다. 전체 스펙트럼은 일반적으로신호 대 소음 수준에 따라 더 높은 시간 분해능을 얻을 수는 있지만 보정 없이도 VOC 헤드 스페이스 농도의 정량적 인 평가가 가능합니다.
그림 1 : PTR-MS의 개략도 PTR-MS 기기의 도식적 표현. HC : 할로우 캐소드가있는 외부 이온 소스; SD : 소스 드리프트; VI, 벤 투리 (venturi) 형 입구; EM, 전자 배율기; FC1-2, 유량 컨트롤러. Boschetti et al.의 허락을 받아 증쇄 됨 . 7 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
식품 매트릭스와 관련된 휘발성 유기 화합물 (VOCs)은 악취 및 향미 인식과 관련된 생물학적 현상의 분자 적 기초에서 중요한 역할을하기 때문에 식품 과학 및 기술 분야에서 탁월한 관심을 보이고 있습니다. 따라서 VOC의 실시간 및 비 침습 탐지에 대한 관심은 주로 음식의 감각적 인 특성을 다룹니다. 또한, 방출 된 휘발성 유기 화합물 ( VOCs ) 및 / 또는 휘발성 유기 화합물을 마커로 모니터링하기 위해 부패 및 병원성 미생물을 검출 할 가능성을 고려한다면( 예 : 열처리 중 Maillard 부산물) 14) , VOC 식별 및 정량화가 식품 품질 관리에서 관심 분야 인 방법이 분명해진다. 식품 매트릭스에서의 VOC의 신속한 모니터링과 정량화를위한 PTR-MS 기술의 최근 사용은 이러한 분석 접근법의 광범위한 적용에 대해 증언합니다 ( 표 1 ).
| 식품 매트릭스 | 신청 종류 | 간단한 설명 | 참고 |
| 버터 | 스크리닝 / 특성 분석 | 유럽 버터의 지리적 기원 | 15 명 |
| 요거트 | 생물 공정 모니터링 | 유산균의 발달 과정멘토 | 16 |
| 시리얼 바 | 생체 내 측정 | 다양한 설탕 성분으로 시리얼 바를 소비하는 동안의 노즈 공간 | 17 세 |
| 액체 모델 시스템 | 모의 구강 조건 | 입안에서의 혀의 압력 및 구강 상태 평가 | 18 |
| 사과 | 생체 내 측정 | 소비 중 Nosespace 다른 유전, 조직 및 물리 화학적 매개 변수를 가진 사과 | 19 |
| 커피 | 스크리닝 / 특성 분석 | 전문 커피의 차별화 | 20 |
| 포도 필수 | 스크리닝 / 특성 분석 | 조리 과정의 효과 | 21 |
| 맛을 낸 사탕 | 생체 내 측정 | 다른 패널을 사용하는 패널리스트에 대한 결정직접 질량 분광법 | 22 개월 |
| 햄 | 스크리닝 / 특성 분석 | 양돈 시스템의 효과 | 23 |
| 빵 | 모의 구강 조건 | 저작 중의 빵 향기 시뮬레이션 | 24 |
| 우유 | 스크리닝 / 특성 분석 | 광산화에 의한 우유의 동적 변화 모니터링 | 25 세 |
| 커피 | 스크리닝 / 특성 분석 | 서로 다른 지리적 기원의 볶은 커피의 다양성 | 26 세 |
| 빵 | 생물 공정 모니터링 | 알콜 성 발효 중 다른 효모 스타터의 영향 | 27 |
| 커피 | 생체 내 측정 | 다른 볶은 커피 준비의 소비 중 Nosespace | 28 |
| 스크리닝 / 특성 분석 | 생산 위치, 생산 시스템 및 다양성의 영향 | 29 | |
| 빵 | 생물 공정 모니터링 | 알콜 발효 중 밀가루, 효모 및 이들의 상호 작용 | 30 |
| 버섯 | 스크리닝 / 특성 분석 | 말린 새우 버섯의 유통 기한 | 31 |
| 요거트 | 생물 공정 모니터링 | 젖산 발효 중 다른 스타터 배양의 효과 | 32 |
| 사과 | 스크리닝 / 특성 분석 | 사과 germplasm 컬렉션의 다양성 | 33 |
| 커피 | 스크리닝 / 특성 분석 | 커피 원산지 추적 | 34 |
| 커피 | 생체 내 측정 | 조합동적 인 감각 방법 및 커피 지각을 이해하는 생체 내 코끝 분석 | 35 세 |
표 1 : 식품 분야에서 PTR-ToF-MS를 사용한 과학적 연구 목록. 식품 관련 실험에서 VOC 함유량을 모니터링하기위한 PTR 기반 접근법을 사용한 과학 연구의 비 한정적인 목록.
최근의 연구에서 우리는 샘플링 자동화 및 신뢰성을 높이기 위해 자동화 된 샘플링 시스템 및 맞춤형 데이터 분석 도구와 결합 된 PTR-ToF-MS의 적용에 대해보고했으며 결과적으로이 기술의 잠재력을 향상 시켰습니다 7 , 10 , 13 . 이로써 우리는 VOC 함유량과 관련하여 VOC 방출에 대한 여러 실험 모드의 영향을 분석하기 위해 큰 샘플 세트 ( 예 : 많은 복제물, 전체 자성체가있는 다른 기원의 식품)를 화면에 표시 할 수있었습니다 ( 예 : 다양한 농도특정 기술 파라미터의 다양한 강도), 주어진 바이오 프로세스와 관련된 VOC ( 예 : 효소 산화, 알코올 발효)를 모니터링 할 수 있습니다. 여기서는 농업 식품 분야에서 PTR-ToF-MS의 잠재력을 예시하기 위해 다양한 미생물 스타터 배양에 의해 유도 된 요구르트의 젖산 발효 중에 방출되는 VOCs 검출 (온라인 바이오 프로세스 모니터링 ), 다양한 사과 재배 품종 (대형 스크리닝)과 관련된 VOC 모니터링 및 커피를 마시면서 역행렬 VOC 방출 에 대한 생체 내 연구 (코끝 분석).
Protocol
Representative Results
Discussion
비행 시간 (ToF) 질량 분석기에 결합 된 양성자 전달 반응 – 질량 분석 (PTR-MS)은 휘발성 유기 화합물의 식별 및 정량화의 필요성과 신속한 분석 프로파일 링의 필요성 사이에서 유효한 절충안입니다. ToF 질량 분석기를 특징 짓는 높은 질량 분해능은 관련 정보 및 관련 민감도 및 질량 스펙트럼을 제공합니다. 또한 PTR-ToF-MS 응용 프로그램과 자동 샘플러 및 맞춤형 데이터 분석 도구를 결합하여 자동화…
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 |
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