质子转移反应飞行时间质谱法可实现对挥发性有机化合物的高灵敏度、快速且无创的分析。为展示其应用潜力，本文提供三个示例：酸奶的乳酸发酵过程（在线生物过程监测）、不同苹果基因型（大规模筛查）以及饮用咖啡后经鼻腔空间的分析（鼻腔空间分析）。
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本文内容
摘要
摘要
质子转移反应（Proton Transfer Reaction, PTR）与飞行时间质谱仪（Time-of-Flight, ToF）联用是一种基于化学电离的分析方法，属于直接进样质谱技术（Direct-Injection Mass Spectrometric, DIMS）。该技术可快速测定挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs），具有高灵敏度和高准确性。通常情况下，PTR-MS无需样品前处理，也不破坏样品，可实现对样品的实时、无损分析。PTR-MS已广泛应用于多个领域，从环境与大气化学到医学与生命科学。近期，我们开发了一种将PTR-ToF-MS与自动进样器及定制化数据分析工具相结合的方法，以提高分析过程的自动化程度，从而进一步提升该技术的应用潜力。该方法使我们能够监测生物过程（例如 酶促氧化，酒精发酵），用于筛选大规模样本集（例如 不同来源、完整种质资源）以及分析多种实验模式（例如 给定成分的不同浓度、特定技术参数的不同强度）对挥发性有机化合物（VOC）含量的影响。本文报告了若干实验方案，用以示例说明本方法的不同可能应用： 即 酸奶乳酸发酵过程中释放的挥发性有机化合物检测（在线生物过程监测）、不同苹果品种相关挥发性有机化合物的监测（大规模筛选）以及 在体 咖啡饮用过程中经鼻后通道挥发性有机化合物释放的研究（鼻腔空间分析）
引言
直接进样质谱（Direct-Injection Mass Spectrometric, DIMS）技术是一类分析仪器方法，具有高灵敏度和高稳定性，并能提供出色的质量和时间分辨率，可实现对挥发性有机化合物（VOCs）的快速检测与定量1。此类仪器方法包括但不限于质谱电子鼻（MS-e-noses）、常压化学电离质谱（Atmospheric-Pressure Chemical Ionization Mass Spectrometry, APCI-MS）、质子转移反应质谱（Proton-Transfer-Reaction Mass Spectrometry, PTR-MS）以及选择离子流动管质谱（Selected Ion-Flow-Tube Mass Spectrometry, SIFT-MS）1。每种方法的优缺点取决于样品注入方式、前体离子的来源与控制、电离过程的调控以及质量分析器的性能1,2。
质子转移反应质谱法（PTR-MS）二十多年前被开发出来，用于实时监测空气中大多数挥发性有机化合物（VOCs），其检测限低（通常为几个ppbv，即十亿分之一体积浓度）3,4
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方案
该方案遵循本机构人体研究伦理委员会的指导原则。
1. 样品制备与自动进样器条件
- 在线生物过程监测：检测酸奶乳酸发酵过程中释放的挥发性有机化合物
注意：本方案的这一部分属于 Benozzi 报道的实验流程的一部分 等32- 向每个小瓶（20 mL 玻璃小瓶，配有聚四氟乙烯/硅胶隔垫）中加入 5 mL 巴氏灭菌乳。记录所用乳的类型，并迅速将样品加热至 45 °C。随后将其转移至配备温度控制样品盘（45 °C）的多功能气相色谱自动进样器中。
- 使用自动进样器的机械臂将微生物发酵剂接种到小瓶中（按照发酵剂生产商的说明进行操作）。根据目标酸奶的类型以及发酵剂生产商提供的说明设置培养时间。设置自动进样器以便依次连续分析各样品，从而在酸奶制备过程中实现乳酸发酵的在线挥发性有机物（VOC）监测。
- 大规模筛选：监测与不同苹果基因型相关的挥发性有机化合物
注意：本方案的这一部分代表了 Farneti 报道的实验步骤的一部分 等33,36- 在所需的成熟/保存阶段采样苹果例如 在商业采收阶段，为....
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结果
样品的挥发性成分谱每秒产生一次目标质量范围内的完整质谱图。图2展示了酸奶在线生物过程中采集到的平均质谱图示例32。在每张质谱图中，可在m/z不超过250 Th的质量范围内识别出超过300个质谱峰32。
图 2： 酸奶生产过程中接种乳样品的平均PTR-ToF-MS谱图。 酸奶生产过程中接种乳样品的平均PTR-ToF-MS谱图的低质量区域：在m/z不超过250 Th的范围内已鉴定出超过30.......
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讨论
质子转移反应-质谱法（PTR-MS）与飞行时间（ToF）质量分析器联用，是在实现挥发性有机化合物的鉴定与定量需求，以及快速分析表征必要性之间的一种有效折中方案。ToF质量分析器所具备的高质谱分辨率，可提供较高的灵敏度，并生成信息含量丰富的质谱图。此外，将PTR-ToF-MS与自动进样器联用，并结合定制化的数据分析工具以提高自动化程度，进一步拓展了该技术的应用潜力。
在众多涉及挥发性化合物检测的研究与技术领域中，食品科学与技术尤其需要高灵敏度、高时间分辨率和直接分析能力。一方面，挥发性有机化合物（VOC）分析的参考方法基于气相色谱法，该方法虽然具有更高的特异性，但本质上速度较慢，且只有通过额外的预处理或浓缩步骤才能达到类似的灵敏度。某些快速分析（例如鼻腔空间分析）无法使用基于气相色谱的方法完成。其他研究则采用质子转移反应质谱法（PTR-MS）与气相色谱法作为互补手段对大量样品进行筛选：PTR-MS可用于测量非常大的样本集，而对其中较小子集进行的气相色谱分析则为更好地解读PTR-MS数据提供附加信息40。另一方面，已有其他快速方法被提出用.......
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披露
作者无任何利益冲突披露。
致谢
本工作由欧盟第七框架计划资助，资助协议编号为287382。SY是欧盟第七框架计划资助协议编号287382的受益人。IK是Fondazione Edmund Mach博士生院FIRST项目的受益人。VC在福贾大学的工作由普利亚大区在“研究中的未来”项目框架下提供支持（实践代码9OJ4W81）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PTR-TOF 8000 高分辨率 PTR-TOF-MS | Ionicon Analytik Ges.m.b.H. | PTR-TOF 8000 | 一种用于挥发性有机化合物（VOCs）的检测器，可在载气流中以极高的质荷比分辨率对VOC进行连续定量分析 |
| GERSTEL MPS 2XL | Gerstel | 一种多功能自动进样器 | |
| 气体校准单元 | Ionicon Analytik Ges.m.b.H. | GCU-s / GCU-a | 一种动态气体稀释系统，可在载气流中提供不同标准物质的可变但已知浓度 |
| TofDaq | Tofwerk AG | 可在 http://soft.tofwerk.com/ 免费获取 | 一种数据采集软件 （用于 光谱采集） |
| MATLAB | MathWorks | http://it.mathworks.com/products/matlab/ | 一种用于算法开发、数据可视化和数据分析的技术计算语言与交互式环境 |
| R | The R Foundation | 可在 https://cran.r-project.org/mirrors.html 免费获取 | 一种用于统计计算和图形处理的语言与环境 |
参考文献
- 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)....
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重印与许可
