Abstract
Protonöverföringsreaktion (PTR), kombinerat med en Time-of-Flight (ToF) masspektrometer (MS), är en analytisk metod baserad på kemisk jonisering som tillhör Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) -tekniken. Dessa tekniker möjliggör snabb bestämning av flyktiga organiska föreningar (VOC), vilket säkerställer hög känslighet och noggrannhet. I allmänhet kräver PTR-MS varken provberedning eller provförstöring, vilket möjliggör realtid och icke-invasiv analys av prover. PTR-MS utnyttjas på många områden, från miljö och atmosfärskemi till medicinska och biologiska vetenskaper. Nyligen utvecklade vi en metod som bygger på koppling av PTR-ToF-MS med en automatiserad sampler och skräddarsydda dataanalysverktyg, för att öka graden av automatisering och därigenom öka potentialen i tekniken. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för oss att övervaka bioprocesser ( t.ex. enzymatisk oxidation, alkoholhaltning), för att visa stora provuppsättningar (T.ex. olika ursprung, hela germoplasmer) och analysera flera experimentella lägen ( t.ex. olika koncentrationer av en given ingrediens, olika intensiteter av en specifik teknisk parameter) när det gäller VOC-innehåll. Här redovisar vi de experimentella protokoll som exemplifierar olika möjliga tillämpningar av vår metodik: detektering av VOC som frigörs vid mjölksyrajäsning av yoghurt (on-line bioprocessövervakning), övervakning av VOC associerade med olika äppelkulturer (storskalig screening) , Och in vivo- studien av retronasal VOC-frisättning under kaffedryck (nosespaceanalys).
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) -teknik representerar en klass av analytiska instrumentella tillvägagångssätt som erbjuder betydande massa- och tidsupplösning med hög känslighet och robusthet, vilket möjliggör snabb detektion och kvantifiering av flyktiga organiska föreningar (VOC) 1 . Dessa instrumentella tillvägagångssätt innefattar bland annat MS-e-noser, atmosfärisk-tryckkemisk ioniseringsmasspektrometri (APCI-MS), protonöverföringsreaktionsmasspektrometri (PTR-MS) och selekterad jonflödesmasspektrometri ( SIFT-MS) 1 . Fördelarna och nackdelarna med varje tillvägagångssätt beror på: typen av provinjektion, källan och kontrollen av prekursorjoner, kontrollen av joniseringsprocessen och massanalysatorn 1 , 2 .
Protonöverföringsreaktionsmasspektrometri (PTR-MS) utvecklades mer än tjugo år sedan för att övervaka i realtid och wiDe låga detekteringsgränserna (vanligen några ppbv, del per miljard i volym) mest flyktiga organiska föreningar (VOC) i luft 3 , 4 . Nuvarande användningsområden för PTR-MS spänner från medicinska tillämpningar, till livsmedelskontroll, till miljöforskning 5 , 6 . Huvuddragen i denna teknik är möjligheten till snabb och kontinuerlig mätning, den intensiva och rena källan till precursorjoner och möjligheten att styra joniseringsförhållandena (tryck, temperatur och drivspänning). Dessa funktioner gör det möjligt att kombinera mångsidiga användningar med hög standardisering 1 , 4 . I själva verket är metoden baserad på reaktioner av hydroniumjoner (H3O + ), vilka inducerar icke-dissociativ protonöverföring i de flesta flyktiga föreningar (speciellt i de som karaktäriseras av en protonaffinitet högre än vatten), protonerande neutrala föreningar(M) enligt reaktionen: H3O + + M ^ H20 + MH + . I motsats till andra tekniker är t.ex. APCI-MS, prekursorjongenerering och provjonisering indelad i två olika instrumentfack (en schematisk representation av PTR-MS-instrumentet ges i Figur 1 ). En elektrisk urladdning genom vattenånga i den ihåliga katodjonskällan alstrar en stråle av hydroniumjoner. Efter denna fas korsar joner röret, där joniseringen av VOC äger rum 7 . Ioner anger sedan en pulsextraktionssektion och accelereras till TOF-sektionen. Genom flygtider är det möjligt att bestämma jonernas 8 för massa-till-laddning. Varje extraktionspuls leder till ett komplett massspektrum 8 av det valda m / z-intervallet. Ionspektra registreras av ett snabbt datainsamlingssystem 7 . Ett komplett spektrum är typisktFörvärvad på en sekund, även om högre tidsupplösning kan åstadkommas i enlighet med signalen till brusnivå och en kvantitativ uppskattning av VOC-huvudutrymmeskoncentrationen kan tillhandahållas även utan kalibrering 9 , 10 .
Figur 1: Schematisk illustration av en PTR-MS. Schematisk representation av PTR-MS-instrumentet. HC: yttre jonkälla med ihålig katod; SD: källa drift VI, venturi-typ inlopp; EM, elektronmultiplikator; FC1-2, flödesregulatorer. Reprinted med tillstånd från Boschetti et al. 7 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
11 . PTR är av stort intresse för miljö, atmosfär, mat, teknik, medicin och biologi 12 .
VOC som är associerade med matmatriser är av stort intresse för livsmedelsvetenskap och teknik på grund av deras viktiga roll i molekylärbasis av biologiska fenomen kopplade till lukt- och smakuppfattning och därmed vid livsmedelstillträde. Därför handlar vårt intresse för realtid och icke-invasiv detektion av VOC huvudsakligen om sensoriska kvaliteter av mat. Om vi överväger möjligheten att upptäcka förstörings- och patogena mikroorganismer med hjälp av släppta VOC 13 och / eller övervaka flyktiga organiska föreningar som markörer folloVingteknologiska processer ( t.ex. Maillard-biprodukter under termiska behandlingar) 14 , blir det klart hur VOC-identifiering och kvantifiering är fält av intresse för kvalitetshantering av livsmedel 6 . Flera nya användningar av PTR-MS-teknik för snabb övervakning och kvantifiering av VOC i livsmedelsmatriser vittnar om det stora tillämpningsområdet för dessa analytiska metoder ( tabell 1 ).
| Matmatris | Typ av ansökan | Kort beskrivning | Referens |
| Smör | Screening / karakterisering | Geografiskt ursprung hos europeiska butters | 15 |
| yoghurt | Bioprocessövervakning | Utveckling under mjölksyramentation | 16 |
| Spannmålstänger | In vivo mätning | Nosespace under konsumtion av spannmålstänger med varierande sockerkomposition | 17 |
| Vätskeformiga system | Simulerade orala tillstånd | Utvärdering av tungtryck och orala tillstånd i en modellmunn | 18 |
| Äpple | In vivo mätning | Nosespace under konsumtion äpple med olika genetiska, texturella och fysikalisk-kemiska parametrar | 19 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Differentiering av specialkofféer | 20 |
| Druvmust | Screening / karakterisering | Effekt av matlagningsprocessen | 21 |
| Smaksatt godis | In vivo mätning | Bestämning på paneldeltagare med olikaDirektmasspektrometriska metoder | 22 |
| Skinka | Screening / karakterisering | Effekten av grisuppfödningssystemet | 23 |
| Bröd | Simulerade orala tillstånd | Simulera bröd arom under mastication | 24 |
| Mjölk | Screening / karakterisering | Övervakning av fotooxidationsinducerade dynamiska förändringar i mjölk | 25 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Mångfald i rostade kaffe från olika geografiska ursprung | 26 |
| Bröd | Bioprocessövervakning | Effekt av olika jäststarter under alkoholjäsning | 27 |
| Kaffe | In vivo mätning | Nosespace under konsumtion av olika rostade kaffepreparat | 28 |
| Screening / karakterisering | Påverkan av produktionsplats, produktionssystem och variation | 29 | |
| Bröd | Bioprocessövervakning | Effekt av mjöl, jäst och deras interaktion vid alkoholjäsning | 30 |
| svamp | Screening / karakterisering | Hållbarhet för torkade porcini svampar | 31 |
| yoghurt | Bioprocessövervakning | Effekt av olika starterkulturer under mjölksfermentering | 32 |
| Äpple | Screening / karakterisering | Mångfald i en äpple germplasm samling | 33 |
| Kaffe | Screening / karakterisering | Spårar kaffe ursprung | 34 |
| Kaffe | In vivo mätning | Kombination av aDynamisk sensorisk metod och in vivo nosespace analys för att förstå kaffeproception | 35 |
Tabell 1: Förteckning över vetenskapliga studier som använder PTR-ToF-MS i livsmedelssektorn. Icke-uttömmande lista över vetenskapliga studier som använder PTR-baserade metoder för att övervaka VOC-innehåll i livsmedelsrelaterade experiment.
I senare studier rapporterade vi om tillämpningen av PTR-ToF-MS i kombination med ett automatiserat provtagningssystem och skräddarsydda dataanalysverktyg för att öka provtagningsautomatisering och tillförlitlighet och följaktligen öka potentialen i denna teknik 7 , 10 , 13 . Detta gjorde det möjligt för oss att skärpa, i form av VOC-innehåll, stora provuppsättningar ( t.ex. mat av olika ursprung med många replikat, hela germoplasmer) för att analysera inflytandet av flera experimentella lägen vid VOC-frisättning ( t.ex. olika koncentrationerAv en given ingrediens, olika intensiteter av en specifik teknologisk parameter) och för att övervaka VOC som är associerade med en given bioprocess ( t.ex. enzymatisk oxidation, alkoholhaltning). För att exemplifiera potentialen hos PTR-ToF-MS i jordbrukssektorn presenterar vi tre paradigmatiska tillämpningar: detektering av VOC som frisätts under mjölksyrajäsning av yoghurt inducerad av olika mikrobiella startkulturer (on-line bioprocessövervakning ), Övervakning av VOC i samband med olika äppelkulturer (storskalig screening) och in vivo- studien av retronasal VOC-frisättning medan man dricker kaffe (nosespaceanalys).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollet följer riktlinjerna i vår institutionella kommitté för mänsklig forskningsetik.
1. Provberedning och autosamplerbetingelser
- On-line bioprocessövervakning: Detektering av VOC som frisätts under mjölksyrajäsning av yoghurt
OBS! Det här avsnittet av protokollet utgör en del av det förfarande som rapporterats av Benozzi et al. 32- Lägg till 5 ml pastöriserad mjölk till varje injektionsflaska (20 ml glasflaskor utrustade med PTFE / silikon septa). Observera vilken typ av mjölk som används och värm upp proverna snabbt till 45 ° C. Överför dem till en multifunktionell GC autosampler utrustad med ett temperaturreglert fack (45 ° C).
- Använd autosamplerens robotarm för att ympa injektionsflaskorna med de mikrobiella startkulturerna (enligt specifikationerna från startkultursproducenten). Ställ in inkubationstiden enligt typologin för önskad yoghurt och specifikationenS rapporterad av startkulturstillverkare. Ange autosampler för att enkelt analysera ett prov efter det andra, få en online VOC-övervakning av mjölksyrafermentation under yoghurtberedning.
- Storskalig screening: övervakning av VOC i samband med olika äpplegenotyper
OBS! Det här avsnittet av protokollet utgör en del av det förfarande som rapporterats av Farneti et al. 33 , 36- Prov äpplen i önskad fas av mognad / bevarande ( t.ex. vid kommersiell skörd). Välj minst fem homogena frukter utan synlig skada för varje klon. Förvara äpplen i önskad period vid rumstemperatur (25 ° C) eller kyl (4 ° C).
- Samla fem cylindriska skivor (1,7 cm diameter och 1 cm tjocklek) från varje äpple med en köttbladprovtagare. Inkludera en del av cortexvävnad och undvik kärndelen med frön.Homogenisera omedelbart proverna och frys i flytande kväve. Förvaras vid -80 ° C till analys.
- Före analysen placera tre replikat av 2,5 g äppleprovet från varje biologiskt replikat i flaskorna (20 ml glasflaskor utrustade med PTFE / silikon septa). Blanda provet med 2,5 ml avjoniserat vatten, 1 g natriumklorid, 12,5 mg askorbinsyra och 12,5 mg citronsyra och behåll proverna vid 4 ° C tills analysen (max 3 dagar).
- Inkubera proven vid 40 ° C och ställ sedan in autosampler för att automatiskt analysera VOC.
- Nosespace analys: studerar retronasal frisättning av VOC under kaffedryck
OBS! Det här avsnittet av protokollet utgör en del av det förfarande som rapporterats av Romano et al. 28- Förbered bryggt kaffe från malda kaffeprover.
- Använd en kaffemaskin: rapportera förhållandet vatten / pulver, typen av mineralvatten som används,Typ av kaffebryggare och förfarandet för att få kaffedrycken (kvantiteterna är en funktion av kaffemaskinens dimension).
- Använd en kaffekokare med sex koppar, känd i Italien som en "moka", med 450 ml vatten och 30 g kaffepulver. Lägg bryggt kaffe i ett kärl och överför det i ett termostatvattenbad (60 ° C).
- För varje kaffebröd överför 7,5 ml alikvoter till en polystyrenkopp (40 ml) med en plastlock. Har varje panelist smakat drycken i enlighet med protokollet: i) 30 s med fri andning, ii) En enda kaffeflaska, följt av en snabb sväljning, och iii) 3 minuter med andning i en ergonomisk glasnosepiece 28 .
- Upprepa hela experimentet i tre på varandra följande dagar, randomisering av beställningen av kaffeprover och paneldeltagare varje dag.
- Utför provtagning genom att använda en engångs-ergonomisk nosepiece i kiselgummi till paneldeltagarnas näsa. Anslut nOsepiece till PTR-ToF-MS med hjälp av ett PEEK-rör som är uppvärmt endast i den första delen i kontakt med panelkroppen, upphettas sedan vid 110 ° C i en inloppsslang som förbinder provtagningsgränssnittet med PTR-MS instrument.
OBS: I tabell 2 visas en lista över produkter som analyseras med analoga procedurer till de som rapporterats av Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 och Romano et al. 28 rapporteras.
- Förbered bryggt kaffe från malda kaffeprover.
| Matmatris | Antal och typ av prover | Referens |
| Äpple | Författarna screenade en samling representerad av 190 accessioner, bestående av både gamla och nya äppelkulturer | 33 |
| yoghurt | Fyra förrätter analyserades i termer av VOC som frisattes under mjölksyrajäsning av yoghurt (A, FD-DVS YF-L812 Yo-Flex, Chr. Hansen; B, FD-DVS YC-380 Yo-Flex, Chr. Hansen; C, FD -DVS YC-X11 Yo-Flex, Chr. Hansen; D, YO-MIX 883, Danisco) | 32 |
| Kaffe | Tre olika slags slipat kaffe som erhållits från en enda ren Arabica kaffeblandning användes: medelstekt rost, mörkt rostad och koffeinfritt mediumbröd | 28 |
Tabell 2: Lista över analyserade produkter. Lista över produkter analyserade med analoga procedurer till de som rapporterats av Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 och Romano et al. 28
2. Experimentell design och praktiska försiktighetsåtgärder
- Utför minst tre bi-dagliga biologiska replikaTes, var och en med tre tekniska replikat, för varje experimentläge.
- Före provinkubation och analys, spola huvudutrymmet med ren luft i 1 min vid 200 sccm för varje injektionsflaska.
- Förbered ett ämne för varje experimentellt läge, inkubera och analysera ämnet under samma förhållanden av proven.
- Slumpmässig ordningen för prov / ämnen för analys.
- På samma sätt som andra metoder som används för att detektera VOC, begränsa användningen av parfymerade personliga produkter, såväl som tuggummi och cigaretter, innan instrumentet används. Tätt kepsa alla flyktiga kemikalier i labbet och kontrollera lufttryck så mycket som möjligt under provningen 37 .
3. Optimering och analys av PTR-MS-instrument
OBS: De instrumentella förhållandena beskrivs i referenserna ( t.ex. Makhoul et al . 27 ).
- Utför huvudutrymme mätningar av proven med en kommersiellAl PTR-ToF-MS-apparat i standardkonfigurationsläge.
- Injicera luft direkt i PTR-MS-rörets rörutrymme utan någon behandling. Det finns ett kontinuerligt flöde av provluft genom PTR-MS så att injektion uppnås genom att enkelt infoga änden av PTR-MS inloppet i provhuvudytan.
- Ställ in och ständigt verifiera följande joniseringsförhållanden i drivröret: 110 ° C rörrörstemperatur, 2,30 mbar driftstryck, 550 V driftspänning. Detta leder till ett E / N-förhållande av ca 140 Td (1 Td = 10-17 cm V - 1 s - 1 ). Inloppsledningen består av ett PEEK-kapillärrör (inre diameter 0,04 tum) uppvärmd vid 110 ° C. Ange som standard inloppsflödet till 40 sccm.
- Ange provtagningstid per kanal för ToF-förvärv till 0,1 ns, vilket motsvarar 350 000 kanaler för ett massspektrum upp till m / z = 400. Varje enskilt spektrum är summan av cirka 28 600 förvärv som varar 35Μs vardera, vilket resulterar i en tidsupplösning på 1 s.
OBS: Spectra lagras sedan kontinuerligt. Spektrometriska signaler växer från en bakgrundsnivå till ett stabilt värde inom några sekunder (den tid som behövs för att ersätta gasen i inloppsledningarna) och endast de spektra som förvärvats efter denna övergångsperiod beaktas vid ytterligare analys.
4. Skräddarsydd dataanalys
OBS! Skräddad dataanalys har utvecklats med hjälp av ett förfarande i MATLAB.
- Korrigera räkneförlusterna på grund av jondetektorns dödtid via en metod baserad på Poisson-statistik som beskrivs av Cappellin et al. 10 .
- Utför intern kalibrering enligt ett förfarande som beskrivs av Cappellin et al. 38 för att uppnå en god massa noggrannhet (upp till 0,001 Th).
- Utför sammansatt anteckning som jämförde erhållna spektraldata med fragmenteringsdata av referensstandarder och med data rEported i den vetenskapliga litteraturen.
- Utför brusreducering, baslinjeavlägsnande och toppintensitetsuttag enligt Cappellin et al. 39 , med hjälp av modifierade gaussier för att passa topparna.
- Beräkna toppintensitet i ppbv (delar per miljard i volym) via formeln beskriven av Lindinger et al. 5 , med användning av lämplig reaktionshastighetskoefficient eller ett konstant värde för reaktionshastighetskoefficienten (k = 2,10-9 cm 3 s -1 ), när den underliggande föreningen inte är känd. Den senare introducerar ett systematiskt fel på upp till 30% som kan redovisas om den faktiska koefficienten är känd 40 .
- Gruva dataen genom att utföra huvudkomponentanalys, variansanalys, Tukey's post-hoc-test och annat statistiskt test / analys som anpassar befintliga paket som utvecklats med hjälp av R ( t.ex. Cappellin et al.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den flyktiga profilen för prover resulterade i ett komplett massspektrum för det önskade massintervallet som förvärvades varannan sekund. I figur 2 ges ett exempel på de förvärvade genomsnittsspektra under yoghurtens online-bioprocess 32 . I alla spektrum kan mer än 300 masstoppar i m / z-området upp till 250 Th identifieras 32 .
Figur 2: Genomsnittlig PTR-ToF-MS-spektra av ett prov av inokulerad mjölk under yoghurttillverkning. Lågmassregion av genomsnittliga PTR-ToF-MS-spektra av ett prov av ympad mjölk under yoghurttillverkning: mer än 300 masstoppar i m / z-området upp till 250 Th har identifierats. Reprinted med tillstånd från Benozzi et al. 32 .Ove.com/files/ftp_upload/54075/54075fig2large.jpg "target =" _ blank "> Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
I följande fall rapporterar vi resultat som erhållits med hjälp av den föreslagna skräddarsydda dataanalysen, för de tre applikationer som beskrivs i protokollet. Vi betonar att hela dataanalysen kan utföras om ett eller några dagar genom skräddarsydd mjukvara som utvecklats i vårt laboratorium 10 , 40 . I figur 3 visar VOC-detektion under mjölksyrajäsning av yoghurt (on-line bioprocessövervakning) olika fermentationskinetik av nio utvalda masspinnar motsvarande fyra olika kommersiella startkulturer 32 . Om molekyltoppen är mättad, såsom för acetaldehyd i detta exempel, kan motsvarande 13- C-isotopolog användas för att uppskatta concentration.
De flesta av dessa flyktiga ämnen uppvisade klassisk mikrobiell kinetik, med en initial fördröjningsfas följt av en tillväxtfas och en post-logfas 32 . Intressant kan vi analysera för första gången en särskild uttömningskinetik för fyra svavelhaltiga föreningar ( t.ex. kinetik rapporterad för metanietiol, figur 3e ).
Figur 3: Fermenteringskinetik av nio utvalda masstoppar under yoghurtfermentering med användning av fyra olika startkulturer. Fermenteringskinetik av nio utvalda masspinnar: ( a ) acetaldehyd, ( b ) diacetyl, ( c ) 2-hydroxi-3-pentanon / pentansyra, ( d ) bensaldehyd, ( e ) metHanetiol, ( f ) aketoin, ( g ) butansyra, ( h ) 2-butanon, ( i ) heptansyra (medel för tre replikat ± standardavvikelse) (preliminär identifiering). Öppna cirkel (○), icke-inokulerad mjölk; Fylld kvadrat (■), fylld cirkel (●), fylld triangel (▲) och fylld rhombi (♦), motsvarar fyra olika mikrobiella förrätter som enbart används för pilot yoghurtjäsning. Asterisker indikerar statistiskt signifikanta skillnader (ANOVA, p <0,05) bland kommersiella förrätter. Reprinted med tillstånd från Benozzi et al. 32 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Nyligen upptäckte vi VOC i samband med en stor äpplesamling representerad av 190 accessioNs (exempel på eventuell ansökan om storskalig screening) 33 . Den horisontella dendrogrammet baserad på den definierade VOC-inventeringen i samband med samlingen belyser närvaron av sex huvudkluster, huvudsakligen bestämda av estrar och alkoholer ( Figur 4 ). Dessa resultat ledde oss till att definiera ett alkohol- / estersindex och föreslå det som en ny fruktkvalitetsbeskrivare som är lämplig som en ytterligare karakterisering av äpplen 33 .
Figur 4: Värmekarta och tvådimensionella hierarkiska dendrogram för VOC-mönstren som bedömts i 190 äppeltillgångar av PTR-ToF-MS. Värmekarta och tvådimensionella hierarkiska dendrogrammer av VOC-mönstren bedömdes i 190 appleanslutningar av PTR-ToF-MS (med ett tröskelvärde på 25 ppbv). Äppelkulturer grupperas och grupperas av rader, medan VOCFöreningar organiseras av kolumner. Kultivarklyftor definieras av nummer 1 till 6 och grupper av föreningar definieras med bokstäverna A till D. Reprinted with permission from Farneti et al. 33 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Vi avslutar detta avsnitt med resultat som vittnar om den möjliga tillämpningen av PTR-ToF-MS i in vivo- studien av retronasal VOC-frisättning (nosespaceanalys). Figur 5 (vänster sida) beskriver de kumulativa profilerna för fem kaffetestare som representeras med hjälp av radiella tomter, en grafisk lösning som är typisk för sensorisk analys 28 . I den här studien framställdes medelstekt rostade, mörka rostade och koffeinfria medelstegade kaffeprover från en enda ren Arabica-blandning och underkastadesDet hände till fem paneldeltagare 28 . Resultaten visade närvaron av reproducerbara och relevanta skillnader mellan paneldeltagare, vilket framgår av paneldeltagarna p1 och p2 i figur 5 (höger sida) 28 .
Figur 5: Radiella diagram som representerar frisättningsprofiler för en vald parameter ( dvs. område) och tre kaffetyper. Radiella diagram som representerar frisättningsprofiler för en vald parameter ( dvs. område) och tre kaffetyper (medelstekt rost, mörkt rost och koffeinfritt mediumbräda som härrör från en enda ren Arabica-blandning). Till vänster: Kumulativa profiler för fem paneler; Till höger: enskilda profiler för två valda paneldeltagare (nämligen p1 och p2). Värdena skalades genom att dividera med respektive standardavvikelser. De halvcirkelbanden på Yttermarginalerna representerar kemiska klasser, baserat på preliminär toppidentifiering. Cirklar indikerar signifikanta skillnader mellan kaffetyper (ANOVA och Tukey test, p <0,05). Reprinted med tillstånd från Romano et al. 28 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Exempel på snabb-GC PTR-ToF-MS-kromatogram. Kromatogram erhållna från ett rött vin (sex replikat) och fyra utvalda toppar, preliminärt hänförda till estrar. Reprinted med tillstånd från Romano et al. 45 .Et = "_ blank"> Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protonöverföringsreaktionsmasspektrometri (PTR-MS) kopplad till tidsmätare (ToF) massanalysatorer utgör en giltig kompromiss mellan behovet av identifiering och kvantifiering av flyktiga organiska föreningar och nödvändigheten för snabb analysprofilering. Den höga massupplösningen som karakteriserar ToF-massanalysatorn ger / ger relevant känslighet och massspektra med mycket informativt innehåll. Vidare ökar tillämpningen av PTR-ToF-MS i kombination med en auto-sampler och skräddarsydda dataanalysverktyg som ökar graden av automatisering, vilket ökar möjligheterna i denna teknik.
På de många forsknings- och teknologiska områdena där detekteringen av flyktiga föreningar kan vara av betydelse, kräver matvetenskap och teknik i synnerhet känslighet, högupplösning och direktanalys. På ena sidan baseras referensmetoderna för VOC-analys på gaskromatografi, vilket ger mer specificitet men är jagNtersins långsammare och kan bara uppnå liknande känslighet till priset av ytterligare förbehandling eller koncentrationsförfaranden. Vissa snabba analyser, som t.ex. näsan, kan inte utföras med GC-baserade metoder. Andra studier av flera prover med PTR-MS och GC som komplementära tillvägagångssätt: PTR_MS möjliggör mätningar av mycket stora provuppsättningar, medan GC-analys av reducerade deluppsättningar ger ytterligare information för en bättre tolkning av PTR-MS-data 40 . Å andra sidan har andra snabba tillvägagångssätt föreslagits för VOC-analys, t ex de baserade på e-näsor eller MS-noser eller specifika sensorer. Dessa är mycket billigare jämfört med PTR-MS men ger i allmänhet mycket låg känslighet.
PTR-ToF-MS-analys ger information om massan av de observerade spektrometriska topparna, vilket i allmänhet inte är tillräcklig för entydig förening identifiering. Dessutom, trots den mjuka kemiska joniseringen, protontrAnsfer-inducerad fragmentering är inte alltid försumbar. I vissa fall kan fragmenteringsmönstret vara till hjälp vid preliminär identifiering 41 . Trots detta uppstår behovet för tekniska lösningar som förbättrar PTR-ToF-MS analytiska förmåga. Beträffande denna punkt representeras en intressant utveckling av tekniken med användning av primära moderjoner andra än H3O + . Det omkopplingsbara reagensjonsystemet (SRI) 4 kan alternativt producera i samma ihåliga katodkällan olika moderna joner, såsom NO + och O2 + . Detta tillvägagångssätt, vilket förändrar joniseringsförhållandena och följaktligen fragmentet och klusterbildning, ökar antalet föreningar som är detekterbara och medger separation av vissa isomera föreningar 42 , 43 . Några tillämpningar inom livsmedelsvetenskap och teknik är redan tillgängliga, såsom VOC detErminering i torrhärdad skinka 23 , kaffe 34 och etenbestämning i frukter 43 . En annan teknisk lösning som är lämplig för att hantera svårigheter vid korrekt förening av identifiering representeras av snabbmetoden GC / PTR-ToF-MS 44 . På grund av de reducerade separationstiderna utökar snabb-GC analytiska möjligheter utan att kompromissa med den analytiska genomströmningen av PTR-ToF-MS 44 . Mervärdet av tekniken är väl representerat i figur 6 , vilket visar kromatogram erhållna för fyra toppar identifierat preliminärt som esterfragment från huvudytan av ett rött vin 45 . Förutom den viktiga separationen av olika isomera fragment inom samma topp representerades en intressant önskad bieffekt av appliceringen av ett snabbt kromatografiskt separationssteg av snabb eluering (och följaktligen väsentlig elimineringN) etanol. Faktum är att etanol provar en oönskad effekt i PTR-baserad analys av alkoholhaltiga matriser på grund av minskningen av hydroniumjoner och den resulterande bildningen av dimerer och trimerer (etanolkluster, etanol och vattenklyvningar och motsvarande fragment), vilket leder till närvaron Av toppar som väsentligt äventyrade den rätta spektratolkningen 46 . Mer nyligen har andra utvecklingar föreslagits för att förbättra känsligheten hos PTR-MS-apparater som ännu inte har testats i livsmedelsvetenskap och teknik 47 , 48 .
Sammanfattningsvis ger snabb och icke-invasiv PTR-ToF-MS analys av flyktiga föreningar i kombination med automatisk provtagning och skräddarsydd hantering och analys av data ett nytt verktyg som gör det möjligt att effektivt adressera flera teman inom livsmedelsvetenskap och teknik och kompletterar resultat som kan erhållas med andra tekniker .
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 |
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. , John Wiley & Sons. Chichester, West Sussex. (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, Ö, 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).
