Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

PTR-ToF-MS יחד עם מערכת הדגימה אוטומטית וניתוח נתונים מותאמים למחקרים על מזון: ניטור Bioprocess, הקרנה וניתוח שטח האף

Published: May 11, 2017 doi: 10.3791/54075
Automatic Translation
1,2,3, 1,2,4, 1,5, 1, 1, 1, 2, 1
1Department of Food Quality and Nutrition, Research and Innovation Centre, Fondazione Edmund Mach (FEM), 2Faculty of Science and Technology, Free University of Bolzano, 3Department of Agriculture, Food and Environmental Sciences, University of Foggia, 4Institute of Analytical Chemistry & Radiochemistry, Leopold-Franzens Universität Innsbruck, 5Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik, Leopold-Franzens Universität Innsbruck

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 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.

N-page = "1"> באופן כללי, טכניקת ה- PTR מבטיחה זמן ניתוח מהיר, רגישות גבוהה לאיתור וגודל מכשיר קומפקטי יחסית, אינה דורשת הכנת מדגם או הרס מדגם ובכך מאפשרת חקירה בזמן אמת. PTR הוא בעל עניין רב במדעי הסביבה, האטמוספירה, המזון, הטכנולוגיה, הרפואה והביולוגיה 12 .

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).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הפרוטוקול עוקב אחר הנחיות הוועדה המוסדית שלנו בנושא אתיקה של מחקר אנושי.

1. הכנת דוגמאות ותנאי אוטוסמפלרים

  1. ניטור ביו-מערכי מקוון: גילוי VOCs שפורסמו במהלך תסיסה חומצת חלב של יוגורט
    הערה: סעיף זה של הפרוטוקול מייצג חלק מהנוהל שדווח על ידי Benozzi et al. 32
    1. הוסף 5 מ"ל של חלב מפוסטר לכל בקבוקון (20 בקבוקי זכוכית מ"ל מצויד PTFE / סיליקון ספטה). הערה סוג של חלב המשמש במהירות לחמם את דגימות ל 45 מעלות צלזיוס. מעבירים אותם autosampler GC רב תכליתיים מצויד במגש הנשלט על טמפרטורה (45 ° C).
    2. השתמש הזרוע הרובוטית של autosampler לחסן את צלוחיות עם תרבויות Starter microbial (על פי המפרט של יצרן תרבות המתנע). קבע את זמן הדגירה על פי הטיפולוגיה של היוגורט הרצוי ועל המפרטS דיווח על ידי יצרנית תרבות המתנע. הגדר את autosampler כדי לנתח בנוחות מדגם אחד לאחר השני, קבלת ניטור VOC on line של תסיסה חומצת חלב במהלך הכנת יוגורט.
  2. בדיקות בקנה מידה גדול: ניטור VOCs הקשורים גנוטיפים תפוח שונים
    הערה: סעיף זה של הפרוטוקול מייצג חלק מהנוהל שדווח על ידי Farneti et al. 33 , 36
    1. מדגימים תפוחים בשלב הרצוי של הבשלה / שימור ( למשל בשלב המסיק המסחרי). בחר לפחות חמישה פירות הומוגניים ללא נזק גלוי לכל שיבוט. לאחסן את התפוחים לתקופה הרצויה בטמפרטורת החדר (25 ° C) או קירור (4 ° C).
    2. לאסוף חמישה דיסקים גליליים (1.7 ס"מ קוטר עובי 1 ס"מ) מכל תפוח עם דוגם להב בשר. כלול חלק של רקמת קליפת המוח, ולהימנע חלק הליבה עם זרעים.מיד homogenize דגימות להקפיא חנקן נוזלי. חנות ב -80 מעלות צלזיוס עד הניתוח.
    3. לפני הניתוח, במקום שלושה משכפל של 2.5 גרם מדגם תפוח מכל שכפול ביולוגי לתוך בקבוקונים (20 בקבוקי זכוכית מ"ל מצויד PTFE / סיליקון ספטה). מערבבים את המדגם עם 2.5 מ"ל של מים deionized, 1 גרם של נתרן כלורי, 12.5 מ"ג של חומצה אסקורבית, ו 12.5 מ"ג של חומצת לימון, ולשמור על דגימות ב 4 מעלות צלזיוס עד ניתוח (מקסימום 3 ימים).
    4. דגירה דגימות ב 40 מעלות צלזיוס ולאחר מכן להגדיר את autosampler באופן אוטומטי לנתח את VOCs.
  3. ניתוח Nosespace: לימוד שחרור retronasal של VOCs במהלך שתיית קפה
    הערה: סעיף זה של הפרוטוקול מייצג חלק מהנוהל שדווח על ידי Romano et al. 28
    1. הכן קפה מבושל מן דגימות קפה הקרקע.
      1. השתמש במכונת קפה: דווח על יחס המים / אבקה, סוג המים המינרליים המשמשים,סוג מכונת קפה, והנוהל שאומצה להשגת משקה הקפה (הכמויות הן פונקציה של מימד מכונת הקפה).
      2. השתמשו במכונת קפה בעלת שישה ספלים, הידועים באיטליה כ"מוקה ", תוך שימוש במים 450 מ"ל ו -30 גרם של אבקת קפה. שים את הקפה מבושל בכלי ולהעביר אותו באמבט מים תרמוסטטי (60 ° C).
    2. עבור כל לחלוט קפה, העברת aliquots 7.5 מ"ל כוס פוליסטירן (40 מ"ל) עם מכסה פלסטיק. יש לכל פאנליסט לטעום את המשקה בהתאם לפרוטוקול: 30) s של נשימה חופשית, ii) לגימה אחת של קפה, ואחריו סנונית מהירה, iii) 3 דקות של נשימה לתוך האף זכוכית ארגונומי 28 .
    3. חזור על הניסוי כולו במשך שלושה ימים רצופים, באקראי את סדר הדגימות קפה פאנליסטים כל יום.
    4. בצע דגימה על ידי החלת האף ארגונומי יחיד לשימוש גומי סיליקון על האף של פאנליסטים. חבר את nOsepiece ל PTR-ToF-MS באמצעות צינור הצצה כי הוא מחומם רק בחלק הראשון במגע עם הגוף פאנל, ולאחר מכן מחומם על 110 מעלות צלזיוס צינור כניסת, אשר מחברת את ממשק הדגימה עם PTR-MS כלי.
      הערה: בטבלה 2 רשימת מוצרים אשר נותחו עם פרוצדורות מקבילות לאלו שדווחו על ידי Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 , רומנו ואח '. 28 דווח.
מטריצת מזון מספר ודוגמאות התייחסות
תפוח עץ המחברים הציגו אוסף המיוצג על ידי 190 כניסות, המורכבת משני זנים תפוחים ישנים וחדשים 33
יוֹגוּרט ארבעה מנות ראשונות נותחו במונחים של VOCs שפורסמו במהלך תסיסה לקטית של יוגורט (A, FD-DVS YF-L812 יו-פלקס, Chr הנסן, B, FD-DVS YC-380 יו-פלקס, נ.ר. הנסן, C, FD -DVS YC-X11 יו-פלקס, נ.ר. הנסן, D, YO-MIX 883, דניסקו) 32
קָפֶה שלושה סוגים שונים של קפה יבשתי המתקבל מתערובת קפה ערבית אחת, טהורה, שימשו: צלי קלייה בינונית, צלי כהה וצלייה בינונית נטולת קפאין 28

לוח 2: רשימת המוצרים שניתחו. רשימה של מוצרים נותחו עם נהלים מקבילים לאלה המדווחים על ידי Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 , רומנו ואח '. 28

2. עיצוב ניסיוני ואמצעי זהירות מעשיים

  1. בצע לפחות שלושה העתקים ביולוגיים בין יומייםטס, כל אחד עם שלושה משכפל טכני, עבור כל מצב ניסיוני.
  2. לפני המדגם הדגירה וניתוח, לשטוף את headspace עם אוויר נקי למשך 1 דקות ב 200 סמ"ק עבור כל בקבוקון.
  3. הכן ריק עבור כל מצב ניסיוני, דגירה ולנתח את ריק תחת אותם תנאים של דגימות.
  4. אקראי את סדר דגימות / החסר לניתוח.
  5. בדומה לשיטות אחרות המשמשות לזיהוי VOCs, להגביל את השימוש של מוצרי טיפוח אישי מבושמים, כמו גם מסטיק וסיגריות, לפני השימוש במכשיר. חזק מכסה את כל כימיקלים נדיפים במעבדה, ולשלוט טיוטות אוויר ככל האפשר במהלך בדיקה 37 .

3. PTR-MS כלי אופטימיזציה וניתוח

הערה: התנאים האינסטרומנטליים מתוארים בהפניות ( לדוגמה, מח'ול ואח '27 ).

  1. ביצוע מדידות headspace של דגימות עם commerciאל PTR-ToF-MS מנגנוני במצב תצורה סטנדרטית.
  2. ישירות להזריק את האוויר לתוך PTR-MS סחף headspace צינור ללא כל טיפול. יש זרימה רציפה של אוויר המדגם דרך PTR-MS כך זריקה מושגת פשוט על ידי החדרת סוף כניסת PTR-MS לתוך headspace המדגם.
  3. הגדר כל הזמן לאמת את התנאים הבאים יינון בצינור נסחף: 110 מעלות צלזיוס טמפרטורת צינור להיסחף, 2.30 הלחץ mbar סחיפה, מתח V5 להיסחף. זה מוביל יחס E / N של כ 140 Td (1 Td = 10 -17 ס"מ 2 V - 1 s - 1 ). קו כניסת מורכב צינור נימי Peek (קוטר פנימי 0.04 פנימה) מחומם ב 110 מעלות צלזיוס. כברירת מחדל, הגדר את זרימת הכניסה ל- 40 ס"מ.
  4. קביעת זמן הדגימה לכל ערוץ רכישת TOF ל 0.1 ns, בהיקף של 350,000 ערוצים עבור ספקטרום המונית הנעים עד m / z = 400. כל ספקטרום אחד הוא סכום של כ 28,600 רכישות שנמשכות 35Μs כל, וכתוצאה מכך רזולוציה זמן של 1 s.
    הערה: ספקטרה מאוחסנים ברציפות. אותות ספקטרומטריים גדלים מרמת רקע לערך יציב בעוד מספר שניות (הזמן הדרוש להחלפת הגז בקווי המפרצון) ורק הספקטרה שנרכשה לאחר מעבר זה נחשבת בניתוח נוסף.

4. ניתוח נתונים מותאמים

הערה: ניתוח נתונים מותאמים פותח באמצעות הליך MATLAB.

  1. לתקן את ההפסדים לספור עקב זמן גלאי יון מתון באמצעות מתודולוגיה המבוססת על הסטטיסטיקה פואסון כפי שתואר על ידי Cappellin et al. 10 .
  2. בצע כיול פנימי בהתאם לנוהל שתואר על ידי Cappellin et al. 38 כדי להשיג דיוק המונית טוב (עד 0.001 Th).
  3. ביצוע ביאור מתחם השוואת נתונים ספקטרליים שהושגו עם נתונים פיצול של תקני התייחסות עם נתונים rהמופיעים בספרות המדעית.
  4. בצע הפחתת רעש, הסרת הבסיס ואת החילוץ עוצמת שיא על פי Cappellin et al. 39 , באמצעות Gaussians שונה כדי להתאים את הפסגות.
  5. חישוב עוצמת שיא ppbv (חלקים למיליארד לפי נפח) באמצעות הנוסחה שתוארה על ידי Lindinger et al. 5 , באמצעות מקדם התגובה התגובה המתאימה או ערך קבוע עבור מקדם קצב התגובה (k = 2.10 - 9 ס"מ 3 - 1 ), כאשר המתחם הבסיסי אינו ידוע. זה האחרון מציג שגיאה שיטתית של עד 30% כי ניתן להסביר אם המקדם בפועל ידוע 40 .
  6. שלי את הנתונים על ידי ביצוע ניתוח רכיב ראשי, ניתוח של שונות, מבחן Tukey של פוסט הוק, ומבחן סטטיסטי / ניתוח אחרים התאמה חבילות קיימות שפותחו באמצעות R ( למשל Cappellin et al.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

פרופיל נדיף של דגימות הביא ספקטרום מסה מלאה עבור טווח המונית הרצוי רכשה כל שנייה. באיור 2 , דוגמה של הספקטרה הממוצעת שנרכשה במהלך הביופרוקס המקוון של היוגורט ניתנת 32 . בכל ספקטרום, יותר מ 300 פסגות המונית של m / z טווח עד 250 th ניתן לזהות 32 .

איור 2
איור 2: ממוצע ספקטרום PTR-ToF-MS של מדגם חלב מחוסן במהלך ייצור יוגורט. אזור המסה נמוכה של הספקטרום הממוצע PTR-ToF-MS של מדגם חלב מחוסן במהלך ייצור יוגורט: יותר מ 300 פסגות המונית בטווח m / z עד 250 th זוהו. הודפס באישור מאת Benozzi et al. 32 .Ove.com/files/ftp_upload/54075/54075fig2large.jpg "target =" _ blank "> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

במקרים הבאים, אנו מדווחים על תוצאות שהושגו באמצעות ניתוח הנתונים המותאם המוצע, עבור שלושת היישומים המתוארים בפרוטוקול. אנו מדגישים כי ניתוח הנתונים כולו יכול להתבצע תוך יום או כמה ימים על ידי תוכנה מותאמת שפותחה במעבדה שלנו 10 , 40 . באיור 3 , בנוגע לזיהוי VOC במהלך תסיסה חומצת לקטית של יוגורט (on-line bioprocess ניטור), אנו מראים קינטיקה תסיסה שונים של תשעה פסגות המסה שנבחרו המתאים ארבע תרבויות שונות Starter 32 . אם שיא מולקולרי רווי, כמו acetaldehyde בדוגמה זו, 13 C המקביל isotopologue ניתן להשתמש כדי להעריך את הקונסוןTration.

רוב נדיפים אלה מוצגים קינטיקה קלאסית כמו קינטיקה, עם שלב השהיה הראשונית, ואחריו שלב הצמיחה לשלב שלאחר שלב 32 . מעניין, הניתוח on-line מותר לנו להדגיש, בפעם הראשונה, קינטיקה מסוימת דלדול ארבעה תרכובות המכילות גופרית ( למשל קינטיקה דיווחו methanethiol, איור 3e ).

איור 3
איור 3: קינטיקה תסיסה של תשעה פסגות המסה שנבחרו במהלך תסיסה יוגורט באמצעות ארבע תרבויות Starter שונים. קינטיקה של תסיסה של תשעה פסגות המסה שנבחרו: ( א ) אצטאלדהיד, ( ב ) diacetyl, ( ג ) 2-hydroxy-3-pentanone / pentanoic חומצה, ( ד ) benzaldehyde, ( ה ) נפגשוHanethiol, ( f ) אצטון, ( g ) חומצה butanoic, ( ח ) 2-בוטאנון, ( i ) חומצה heptanoic (אמצעי שלוש משכפל ± סטיית תקן) (זיהוי זמני). מעגל פתוח (○), חלב שאינו מחוסן; ריבוע מלא ()), מעגל מלא (●), משולש מלא (▲), וממולא rhombi (♦), תואמים ארבעה מנות ראשונות שונות המשמשים טירון יוגורט תסיסה. כוכביות מציינות הבדלים משמעותיים מבחינה סטטיסטית (ANOVA, p <0.05) בקרב התחלה ראשונית. הודפס באישור מאת Benozzi et al. 32 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

לאחרונה, זיהינו VOCs הקשורים אוסף תפוחים גדול המיוצג על ידי 190 accessioNs (דוגמה ליישום אפשרי להקרנה בקנה מידה גדול) 33 . Dendrogram האופקי מבוסס על המלאי המוגדר VOCs הקשורים לאוסף מדגיש את נוכחותם של שישה אשכולות עיקריים, שנקבע בעיקר על ידי אסטרים ואלכוהול ( איור 4 ). ממצאים אלה הובילו אותנו להגדיר אינדקס של אלכוהול / אסתר ולהציע אותו כמתאר איכותי חדש המתאים לאפיון נוסף של תפוחים 33 .

איור 4
איור 4: מפת חום ו dandrograms היררכי דו מימדי של דפוסי VOC מוערך ב 190 כניסות תפוח על ידי PTR-ToF-MS. מפת חום ו dendrograms היררכי דו מימדי של דפוסי VOC מוערך ב 190 כניסות תפוח על ידי PTR-ToF-MS (באמצעות סף של 25 ppbv). זנים Apple מקובצים מקובצים על ידי שורות, בעוד VOCתרכובות מאורגנות על ידי עמודות. קבוצות אשכולות מוגדרות במספרים 1 עד 6 וקבוצות של תרכובות מוגדרות באותיות א 'עד ד' עם אישור מאת Farneti et al. 33 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

אנו מסיקים את החלק הזה עם תוצאות המעידות על יישום אפשרי של PTR-ToF-MS במחקר vivo של שחרור VOCs retronasal (ניתוח nosespace). איור 5 (צד שמאל) מתאר את הפרופילים המצטברים עבור חמישה בודקי קפה המיוצגים באמצעות מגרשים רדיאליים, פתרון גרפי אופייני לניתוח חושי 28 . במחקר זה, רוסטבי קלוי, צלי כהה וקפה נטול קפאין בינוניים בקפה טחון מן תערובת ערבית אחת טהורה הוכנו ושולחIted חמישה פאנליסטים 28 . התוצאות הראו נוכחות של הבדלים לשחזור ורלוונטיים בין הפאנאליסטים, כפי שניתן לראות עבור p1 p1 ו- p2 באיור 5 (בצד ימין).

איור 5
איור 5: מגרשים רדיאליים המייצגים פרופילים לשחרור עבור פרמטר נבחר אחד ( כלומר שטח) ושלושה סוגי קפה. חלקות רדיאליות המייצגות פרופילי שחרור עבור פרמטר נבחר אחד ( כלומר שטח) ושלושה סוגי קפה (קלוי צלוי, צלי כהה וצליום בינוני נטול קפאין שמקורו בתערובת ערבית אחת טהורה). בצד שמאל: פרופילים מצטברים עבור חמישה פאנליסטים; בצד ימין: פרופילים בודדים עבור שני פאנלים נבחרים (כלומר p1 ו- p2). הערכים סווגו על ידי חלוקה לפי סטיות התקן המתאימות. את להקות semicircular על השוליים החיצוניים מייצגים שיעורים כימיים, המבוססים על זיהוי שיא טנטטיבי. מעגלים מציינים הבדלים משמעותיים בין סוגי קפה (ANOVA ו- Tukey's test, p <0.05). הודפס באישור מרומנו ואח '. 28 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6: דוגמה ל- chromatograms של PTR-ToF-MS מהיר. Chromatograms המתקבל יין אדום (שישה משכפל) וארבע פסגות שנבחרו, מיוחס באופן טבילי אסטרים. הודפס באישור מרומנו ואח '. 45 .Et = "_ blank"> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 תוכן אינפורמטיבי ניכר. יתר על כן, היישום של PTR-ToF-MS יחד עם אוטומטי דוגם ומותאמים ניתוח נתונים כלי להגדיל את מידת האוטומציה, משפר את הפוטנציאל של טכניקה זו.

בתחומי המחקר והטכנולוגיה הרבים שבהם ניתן לזהות רלוונטיות, מדע המזון והטכנולוגיה, בפרט, דורשים רגישות, רזולוציה גבוהה וניתוח ישיר. בצד אחד, שיטות התייחסות לניתוח VOC מבוססים על כרומטוגרפיה גז, אשר מספק יותר ספציפיות, אבל אניאיטי יותר ו יכול להשיג רגישות דומה רק במחיר של טיפול מקדים או הליכי ריכוז נוספים. ניתוח מהיר, כגון מרחב האף, אינו יכול להתבצע בשיטות מבוססות GC. מחקרים אחרים מסך של דגימות רבות באמצעות PTR-MS ו- GC כמו גישות משלימות: PTR_MS מאפשר את המדידות של מדגם גדול מאוד קובע בעוד ניתוח GC של תת קבוצות מופחת מספק מידע נוסף עבור פרשנות טובה יותר של נתונים PTR-MS 40 . מצד שני, גישות מהירות אחרות הוצעו עבור ניתוח VOC, כגון אלה המבוססים על e-noses או MS-e-noses או חיישנים ספציפיים. אלה הם הרבה פחות יקר לעומת PTR-MS אבל בדרך כלל לספק רגישות נמוכה מאוד.

ניתוח PTR-ToF-MS מספק מידע על המסה של פסגות ספקטרומטריות שנצפו, אשר בדרך כלל אינו מספיק עבור זיהוי מתחם חד משמעי. יתר על כן, למרות יינון כימי רך, פרוטון trפיצול המושרה על ידי ansfer הוא לא תמיד זניח. במקרים מסוימים, דפוס הפיצול יכול לעזור בזיהוי זמני. עם זאת, נוצר צורך בפתרונות טכנולוגיים המשפרים את היכולת האנליטית של PTR-ToF-MS. בהקשר זה, התפתחות מעניינת של הטכניקה מיוצגת על ידי שימוש של יונים הורים ראשוניים אחרים מאשר H 3 O + . את יון מגיב יון (SRI) מערכת 4 יכול לחלופין לייצר באותו קוד קתודה חלולה יונים הורים שונים, כגון NO + ו O 2 + . גישה זו, שינוי תנאי יינון, וכתוצאה מכך, את שבר מקבץ היווצרות, מגדיל את מספר תרכובות כי הם לזיהוי מאפשר הפרדה של כמה תרכובות איזומריות 42 , 43 . כמה יישומים במדעי המזון והטכנולוגיה כבר זמינים, כגון VOC detנביטה של ​​בשר חזיר יבש 23 , קפה 34 וקביעת אתילן בפירות 43 . פתרון טכנולוגי נוסף המתאים להתמודדות עם קשיים בזיהוי מתחם מדויק מיוצג על ידי מתודולוגיית Fast-GC / PTR-ToF-MS 44 . בשל זמני ההפרדה המופחתים, מהיר GC מורחבת יכולות אנליטיות, מבלי להתפשר על התפוקה האנליטית של PTR-ToF-MS 44 . הערך המוסף של הטכניקה מיוצג היטב באיור 6 , המתאר chromatograms שהושגו עבור ארבעה פסגות שזוהו באופן זמני כמו שברי אסתר מן headspace של יין אדום 45 . מלבד ההפרדה החשובה של שברי איזומרי שונים בתוך אותו שיא, אפקט צדדי מעניין הרצוי של היישום של צעד ההפרדה כרומטוגרפי מהיר היה מיוצג על ידי elution מהיר (וכתוצאה מכך,N) של אתנול. למעשה, אתנול מעורר אפקט לא רצוי בניתוח מבוסס PTR של מטריצות אלכוהולי בגלל הפחתת יונים הידרוניום ועל היווצרות של דימרים ו trimers כתוצאה (אשכולות אתנול, אתנול ו אשכולות מים, וכן מקבילים), המוביל נוכחות של פסגות אשר בסכנה משמעותית את פרשנות ספקטרית נכונה 46 . לאחרונה, התפתחויות אחרות הוצעו כדי לשפר את הרגישות של המנגנונים PTR-MS אשר טרם נבדקו במדעי המזון והטכנולוגיה 47 , 48 .

לסיכום, ניתוח מהיר ובלתי פולשני PTR-ToF-MS של תרכובות נדיפים בשילוב עם דגימה אוטומטית טיפול נתונים מותאמים וניתוח לספק כלי חדש המאפשר ביעילות כתובת מספר נושאים במדעי המזון והטכנולוגיה ומשלים את התוצאות שהושגו על ידי טכניקות אחרות .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Ellis, A. M., Mayhew, C. A. Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry: Principles and Applications. , John Wiley & Sons. Chichester, West Sussex. (2012).
  12. Blake, R. S., Monks, P. S., Ellis, A. M. Proton-Transfer Reaction Mass Spectrometry. Chem Rev. 109 (3), 861-896 (2009).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Maçatelli, M., et al. Verification of the geographical origin of European butters using PTR-MS. J Food Compost Anal. 22 (2), 169-175 (2009).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Özdestan, Ö, et al. Differentiation of specialty coffees by proton transfer reaction-mass spectrometry. Food Res Int. 53 (1), 433-439 (2013).
  21. Dimitri, G., et al. PTR-MS monitoring of volatiles fingerprint evolution during grape must cooking. LWT-Food Sci Technol. 51 (1), 356-360 (2013).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Farneti, B., et al. Comprehensive VOC profiling of an apple germplasm collection by PTR-ToF-MS. Metabolomics. 11 (4), 838-850 (2014).
  34. Yener, S., et al. Tracing coffee origin by direct injection headspace analysis with PTR/SRI-MS. Food Res Int. 69, 235-243 (2015).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Cappellin, L., et al. PTR-ToF-MS and data mining methods: a new tool for fruit. Metabolomics. 8 (5), 761-770 (2012).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. Romano, A., et al. Wine analysis by FastGC proton-transfer reaction-time-of-flight-mass spectrometry. Int J Mass Spectrom. 369, 81-86 (2014).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).

Tags

כימיה גליון 123 הזרקה ישירה של מסה ספקטרומטרייתית (DIMS) פרוטון העברת תגובה זמן טיסה ספקטרומטריית מסה (PTR-ToF-MS) autosampler תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) מזון טעם nosespace הקרנה bioprocess יוגורט קפה תפוח
PTR-ToF-MS יחד עם מערכת הדגימה אוטומטית וניתוח נתונים מותאמים למחקרים על מזון: ניטור Bioprocess, הקרנה וניתוח שטח האף
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Capozzi, V., Yener, S., Khomenko,… More

Capozzi, V., Yener, S., Khomenko, I., Farneti, B., Cappellin, L., Gasperi, F., Scampicchio, M., Biasioli, F. PTR-ToF-MS Coupled with an Automated Sampling System and Tailored Data Analysis for Food Studies: Bioprocess Monitoring, Screening and Nose-space Analysis. J. Vis. Exp. (123), e54075, doi:10.3791/54075 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter