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).
بروتون ترانسفر رياكتيون (بتر)، جنبا إلى جنب مع مطياف الكتلة وقت الرحلة (توف) هو نهج تحليلي يعتمد على التأين الكيميائي الذي ينتمي إلى تقنيات قياس الطيف الكتلي المباشر (ديمس). وتتيح هذه التقنيات التحديد السريع للمركبات العضوية المتطايرة (فوك)، مما يضمن حساسية ودقة عالية. بشكل عام، بتر-مس لا يتطلب إعداد العينات ولا تدمير العينة، مما يسمح في الوقت الحقيقي والتحليل غير الغازية من العينات. تستغل بتر-مس في العديد من المجالات، من الكيمياء البيئية والغلاف الجوي إلى العلوم الطبية والبيولوجية. في الآونة الأخيرة، وضعنا منهجية تقوم على اقتران بتر-توف-مس مع العينات الآلي وأدوات تحليل البيانات مصممة خصيصا، لزيادة درجة الأتمتة، وبالتالي، لتعزيز إمكانات هذه التقنية. وقد سمح لنا هذا النهج بمراقبة العمليات الحيوية ( مثل الأكسدة الأنزيمية، والتخمر الكحولي)، وفحص مجموعات العينات الكبيرة (على سبيل المثال، أصول مختلفة، جرثومية كاملة) وتحليل عدة طرق تجريبية (على سبيل المثال تركيزات مختلفة من عنصر معين، شدة مختلفة من المعلمة التكنولوجية محددة) من حيث محتوى المركبات العضوية المتطايرة. هنا، نحن نبلغ البروتوكولات التجريبية التي تجسد التطبيقات المختلفة الممكنة لمنهجيتنا: أي الكشف عن المركبات العضوية المتطايرة صدر خلال تخمير حمض اللاكتيك من اللبن (على الخط مراقبة بيوبروسيس)، ورصد المركبات العضوية المتطايرة المرتبطة أصناف التفاح مختلفة (الفحص على نطاق واسع) ، والدراسة في الجسم الحي من الإفراج عن المركبات العضوية المتطايرة ريتروناسال خلال شرب القهوة (تحليل نوسزباس).
إن تقنيات حقن الطيف الكتلي المباشر (ديمس) تمثل فئة من الأساليب التحليلية المفيدة التي توفر قدرا كبيرا من الدقة في الوقت والكتلة مع حساسية عالية ومتانة عالية، مما يسمح بالكشف السريع والتقدير الكمي للمركبات العضوية المتطايرة (فوكس) 1 . وتشمل هذه الأساليب الفعالة، من بين أمور أخرى، أنف مس-e، الطيف الكتلي التأين الكيميائي للغلاف الجوي (أبسي-مس)، بروت-ترانسفورمنت رياكتيون ماسك سبيكتروميتري (بتر-مس)، و إيون-فلو-تيوب ماس سبيكتروميتري سيفت-مس) 1 . إيجابيات وسلبيات كل نهج تعتمد على: هذا النوع من حقن العينة، مصدر ومراقبة أيونات السلائف، والسيطرة على عملية التأين، والمحلل الشامل 1 ، 2 .
وقد تم تطوير بروتون نقل رد فعل الكتلة الطيفية (بتر-مس) منذ أكثر من عشرين عاما لمراقبة في الوقت الحقيقي و وايحدود الكشف المنخفضة (عادة بضع ببف، جزء في المليار من حيث الحجم) المركبات العضوية الأكثر تقلبا (فوك) في الهواء 3 ، 4 . الاستخدامات الحالية لل بتر-مس تتراوح بين التطبيقات الطبية، لمراقبة الأغذية، إلى البحوث البيئية 5 ، 6 . الملامح الرئيسية لهذه التقنية هي: إمكانية القياس السريع والمستمر، مصدر مكثف ونقي من أيونات السلائف، وإمكانية التحكم في ظروف التأين (الضغط ودرجة الحرارة والجهد الانجراف). هذه الميزات تسمح الجمع بين الاستخدامات تنوعا مع درجة عالية من التوحيد 1 ، 4 . في الواقع، تعتمد الطريقة على تفاعلات أيونات الهيدرونيوم (H 3 O + )، التي تحفز نقل بروتون غير انفصالي في معظم المركبات المتطايرة (وخاصة في تلك التي تتميز بروتين تقارب أعلى من الماء)، بروتونات مركبات محايدة(M) وفقا للتفاعل: H 3 O + + M → H 2 O + م + . على النقيض من التقنيات الأخرى، على سبيل المثال ، يتم تقسيم أبسي-مس، جيل الأيونات السلائف وتأين العينة في اثنين من مقصورات مفيدة مختلفة (ويرد تمثيل تخطيطي لل صك بتر-مس في الشكل 1 ). تفريغ كهربائي بواسطة بخار الماء في مصدر أيون الكاثود جوفاء يولد شعاع من أيونات الهيدرونيوم. بعد هذه المرحلة، الأيونات عبر أنبوب الانجراف، حيث تأين المركبات العضوية المتطايرة يحدث 7 . ثم تدخل الأيونات في قسم استخراج النبضات ويتم تسريعها في قسم توف. من خلال أوقات الطيران، فمن الممكن لتحديد نسب كتلة إلى تهمة الأيونات 8 . كل نبض استخراج يؤدي إلى الطيف الشامل الشامل 8 من مجموعة م / ض المحدد. يتم تسجيل الأطياف أيون من قبل نظام الحصول على البيانات بسرعة 7 . الطيف الكامل هو عادة المكتسبة في ثانية واحدة على الرغم من أن قرار الوقت العالي يمكن أن يتحقق وفقا للإشارة إلى مستوى الضوضاء والتقدير الكمي للتركيز فوك هيدزباس يمكن توفيرها حتى من دون معايرة 9 ، 10 .
الشكل 1: التوضيح التخطيطي ل بتر-مس. التمثيل التخطيطي للصك بتر-مس. هك: مصدر أيون الخارجية مع الكاثود جوفاء. سد: مصدر الانجراف؛ سادسا، مدخل من نوع فينتوري؛ إم، مضاعف الإلكترون؛ FC1-2، وحدات تحكم التدفق. أعيد طباعته بإذن من بوشتي وآخرون. 7 – الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
والمركبات العضوية المتطايرة المرتبطة بمصفوفات الأغذية ذات أهمية كبيرة في علوم وتكنولوجيا الأغذية نظرا لدورها الهام في الأساس الجزيئي للظواهر البيولوجية المرتبطة بالروائح ونكهة الإدراك، وبالتالي في قبول الأغذية. وبالتالي، فإن اهتمامنا في الوقت الحقيقي والكشف غير الغازية من المركبات العضوية المتطايرة تتعامل أساسا مع الصفات الحسية من المواد الغذائية. وبالإضافة إلى ذلك، إذا نظرنا في إمكانية الكشف عن تلف الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض عن طريق المركبات العضوية المتطايرة الافراج عنهم 13 و / أو لرصد المركبات العضوية المتطايرة كعلامات فولو( مثل منتجات مايلار الثانوية خلال العلاجات الحرارية) 14 ، يصبح من الواضح كيفية تحديد المركبات العضوية المتطايرة وتحديدها كمجالات ذات أهمية في إدارة جودة الأغذية 6 . وتشهد عدة استخدامات حديثة لتقنيات بتر-مس من أجل الرصد السريع والتقدير الكمي للمركبات العضوية المتطايرة في مصفوفات الأغذية على النطاق الواسع لتطبيق هذه النهج التحليلية ( الجدول 1 ).
مصفوفة الطعام | نوع من التطبيق | وصف مختصر | مرجع |
زبدة | فحص / توصيف | الأصل الجغرافي للزبدة الأوروبية | 15 |
زبادي | مراقبة العمليات البيولوجية | تطور خلال حامض اللاكتيك فرنشاط عقلي | 16 |
حبوب الحبوب | في الجسم الحي القياس | نوسزباس خلال استهلاك حبوب الحبوب مع تكوين السكر المختلفة | 17 |
أنظمة نموذج السائل | الظروف الشفوية المحاكاة | تقييم ضغط اللسان والظروف الشفوية في فم نموذجي | 18 |
تفاحة | في الجسم الحي القياس | نوسزباس خلال التفاح الاستهلاك مع مختلف المعلمات الوراثية، تكستورال، والفيزيائية | 19 |
قهوة | فحص / توصيف | تمايز القهوة المتخصصة | 20 |
سلافة العنب | فحص / توصيف | تأثير عملية الطهي | 21 |
حلوى النكهة | في الجسم الحي القياس | تحديد أعضاء الفريق باستخدام مختلفطرق الطيف الكتلي المباشر | 22 |
لحم خنزير | فحص / توصيف | تأثير نظام تربية الخنازير | 23 |
خبز | الظروف الشفوية المحاكاة | محاكاة رائحة الخبز أثناء المضغ | 24 |
حليب | فحص / توصيف | رصد التغيرات الحيوية التي يسببها فوتوكسيداتيون في الحليب | 25 |
قهوة | فحص / توصيف | التنوع في القهوة المحمصة من أصول جغرافية مختلفة | 26 |
خبز | مراقبة العمليات البيولوجية | تأثير مختلف الخميرة مبتدئين أثناء التخمر الكحولية | 27 |
قهوة | في الجسم الحي القياس | نوسزباس خلال استهلاك مختلف التحضير البن المحمص | 28 |
فحص / توصيف | تأثير موقع الإنتاج، ونظام الإنتاج، ومتنوعة | 29 | |
خبز | مراقبة العمليات البيولوجية | تأثير الدقيق والخميرة وتفاعلها أثناء التخمير الكحولي | 30 |
الفطر | فحص / توصيف | الجرف، بسبب، جافة، بورسيني، الفطر | 31 |
زبادي | مراقبة العمليات البيولوجية | تأثير الثقافات بداية كاتب خلال التخمير اللبن | 32 |
تفاحة | فحص / توصيف | التنوع في جمع المواد الوراثية التفاح | 33 |
قهوة | فحص / توصيف | تتبع أصل القهوة | 34 |
قهوة | في الجسم الحي القياس | مزيج من أطريقة الحسية الديناميكية وتحليل في الجسم الحي نوزسباس لفهم تصور القهوة | 35 |
الجدول 1: قائمة الدراسات العلمية باستخدام بتر-توف-مس في قطاع الأغذية. قائمة غير شاملة للدراسات العلمية باستخدام النهج القائمة على بتر لرصد محتوى المركبات العضوية المتطايرة في التجارب المتعلقة بالأغذية.
في الدراسات الحديثة، أبلغنا عن تطبيق بتر-توف-مس إلى جانب نظام أخذ العينات الآلي وأدوات تحليل البيانات مصممة لزيادة أتمتة العينات والموثوقية، وبالتالي، لتعزيز إمكانات هذه التقنية 7 ، 10 ، 13 . وقد سمح لنا ذلك بالتحري، من حيث محتوى المركبات العضوية المتطايرة، مجموعات عينات كبيرة ( مثل المواد الغذائية من أصول مختلفة مع العديد من المكررات، جرثومية كاملة) لتحليل تأثير عدة طرق تجريبية على إطلاق المركبات العضوية المتطايرة (على سبيل المثال تركيزات مختلفةمن عنصر معين، شدة متنوعة من معلمة تكنولوجية محددة)، ورصد المركبات العضوية المتطايرة المرتبطة معمل بيوبروسيس ( مثل الأكسدة الأنزيمية، والتخمير الكحولي). هنا، من أجل تجسيد إمكانات بتر-توف-مس في قطاع الأغذية الزراعية، نقدم ثلاثة تطبيقات نموذجية: الكشف عن المركبات العضوية المتطايرة صدر خلال تخمير حامض اللبنيك من اللبن الناجم عن مختلف الثقافات كاتب الميكروبية (على الخط رصد العمليات الحيوية )، ورصد المركبات العضوية المتطايرة المرتبطة أصناف مختلفة التفاح (فحص على نطاق واسع) والدراسة في الجسم الحي من الإفراج عن المركبات العضوية المتطايرة ريتروناسال في حين شرب القهوة (تحليل نوسزباس).
ويمثل تحليل الطيف الكتلي للروتونات (بتر-مس)، إلى جانب وقت التحليق الجماعي (توف)، حلا وسطا صالحا بين الحاجة إلى تحديد المركبات الكيماوية المتطايرة وتحديد حجمها وضرورة التنميط التحليلي السريع. القرار الشامل الشامل الذي يميز محلل كتلة توف يعطي / يوفر حساسية ذات الصلة وا…
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |