Method Article

PTR-ToF-MS w połączeniu ze zautomatyzowanym systemem pobierania próbek i dostosowaną analizą danych do badań żywności: monitorowanie bioprocesów, badania przesiewowe i analiza przestrzeni nosowej

DOI:

10.3791/54075

⸱

May 11th, 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Czas reakcji transferu protonów w locie Spektrometria mas umożliwia bardzo czułą, szybką i nieinwazyjną analizę lotnych związków organicznych. Aby pokazać jej potencjał, podajemy trzy przykłady: fermentację mlekową jogurtu (monitorowanie bioprocesów on-line), różne genotypy jabłek (badania przesiewowe na dużą skalę) oraz przestrzeń zanosową po wypiciu kawy (analiza przestrzeni nosowej).

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Reakcja transferu protonów (PTR), w połączeniu ze spektrometrem masowym (MS) czasu przelotu (ToF) to analityczne podejście oparte na jonizacji chemicznej, które należy do technologii bezpośredniego wtrysku spektrometrii mas (DIMS). Techniki te pozwalają na szybkie oznaczanie lotnych związków organicznych (LZO), zapewniając wysoką czułość i dokładność. Ogólnie rzecz biorąc, PTR-MS nie wymaga ani przygotowania próbki, ani jej niszczenia, umożliwiając nieinwazyjną analizę próbek w czasie rzeczywistym. PTR-MS znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, od chemii środowiska i atmosfery po nauki medyczne i biologiczne. Niedawno opracowaliśmy metodologię opartą na sprzężeniu PTR-ToF-MS z automatycznym samplerem i dostosowanymi narzędziami do analizy danych, aby zwiększyć stopień automatyzacji, a co za tym idzie, zwiększyć potencjał techniki. Takie podejście pozwoliło nam na monitorowanie procesów biologicznych (np. utlenianie enzymatyczne, fermentacja alkoholowa), przesiewanie dużych zestawów próbek (np. różnego pochodzenia, całych germoplazm) oraz analizę kilku trybów eksperymentalnych (np. różne stężenia danego składnika, różne intensywności określonego parametru technologicznego) pod kątem zawartości LZO. W tym miejscu przedstawiamy protokoły eksperymentalne ilustrujące różne możliwe zastosowania naszej metodologii: tj. wykrywanie LZO uwalnianych podczas fermentacji kwasu mlekowego w jogurcie (monitorowanie bioprocesów on-line), monitorowanie LZO związanych z różnymi odmianami jabłek (badania przesiewowe na dużą skalę) oraz badanie in vivo retronosowego uwalniania LZO podczas picia kawy (analiza przestrzeni nosowej).

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Technologie spektrometrii mas z bezpośrednim wtryskiem (DIMS) reprezentują klasę analitycznych metod instrumentalnych, które oferują znaczną rozdzielczość masową i czasową z wysoką czułością i wytrzymałością, umożliwiając szybkie wykrywanie i kwantyfikację lotnych związków organicznych (LZO)1. Te instrumentalne podejścia obejmują m.in. MS-e-noses, spektrometrię mas z jonizacją chemiczną pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI-MS), spektrometrię mas z przeniesieniem protonów (PTR-MS) oraz spektrometrię mas z wybranym przepływem jonów (SIFT-MS)1. Plusy i minusy każdego podejścia zależą od: rodzaju wstrzykiwania próbki, źródła i kontroli jonów prekursorowych, kontroli procesu jonizacji oraz analizatora masy1,2.

Spektrometria mas reakcji przeniesienia protonów (PTR-MS) została opracowana ponad dwadzieścia lat temu do monitorowania w czasie rzeczywistym i z niskimi granicami wykrywalności (zwykle kilka ppbv, część na miliard objętości) najbardziej lotnych związków organicznych (LZO) w powietrzu3,4. Obecne zastosowania PTR-MS obejmują zastosowania medyczne, kontrolę żywności i badania środowiskowe5,6. Głównymi cechami tej techniki są: możliwość szybkiego i ciągłego pomiaru, intensywne i czyste źródło jonów prekursorowych oraz możliwość kontrolowania warunków jonizacji (ciśnienie, temperatura i napięcie dryftu). Cechy te pozwalają na połączenie wszechstronnych zastosowań z wysokim stopniem standaryzacji1,4. W rzeczywistości metoda opiera się na reakcjach jonów hydroniowych (H3O+), które indukują niedysocjacyjny transfer protonów w większości związków lotnych (szczególnie w tych, które charakteryzują się powinowactwem protonowym wyższym od wody), protonujących związki obojętne (M) zgodnie z reakcją:H3O++M →H2O+ MH+. W przeciwieństwie do innych technik, np. APCI-MS, generowanie jonów prekursorowych i jonizacja próbki są podzielone na dwa różne przedziały instrumentalne (schematyczne przedstawienie instrumentu PTR-MS przedstawiono na rysunku 1). Wyładowanie elektryczne przez parę wodną w pustym źródle jonów katodowych generuje wiązkę jonów hydroniowych. Po tej fazie jony przechodzą przez rurkę dryfującą, gdzie zachodzi jonizacja LZO7. Następnie jony wchodzą do sekcji ekstrakcji impulsowej i są przyspieszane do sekcji DOF. Na podstawie czasu lotu możliwe jest określenie stosunku masy do ładunku jonów8. Każdy impuls ekstrakcji prowadzi do pełnego spektrum masowego8 wybranego zakresu m/z. Widma jonów są rejestrowane przez system szybkiej akwizycji danych7. Pełne widmo jest zwykle uzyskiwane w ciągu jednej sekundy, chociaż wyższą rozdzielczość czasową można osiągnąć w zależności od poziomu sygnału do szumu, a ilościowe oszacowanie stężenia LZO w przestrzeni nad powierzchnią można uzyskać nawet bez kalibracji9,10.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Schematyczna ilustracja PTR-MS. Schematyczne przedstawienie instrumentu PTR-MS. HC: zewnętrzne źródło jonów z pustą katodą; SD: dryft źródła; VI, wlot typu Venturiego; EM, mnożnik elektronów; FC1-2, regulatory przepływu. Przedruk za zgodą Boschetti et al.7. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ogólnie rzecz biorąc, technika PTR zapewnia szybki czas analizy, wysoką czułość wykrywania i stosunkowo kompaktowy rozmiar urządzenia, nie wymaga ani przygotowania próbki, ani jej niszczenia, a tym samym umożliwia prowadzenie badań w czasie rzeczywistym11. PTR cieszy się dużym zainteresowaniem w naukach o środowisku, atmosferze, żywności, technologii, medycynie i biologii12.

LZO związane z matrycami żywności są szczególnie interesujące w nauce i technologii żywności, ze względu na ich ważną rolę w molekularnych podstawach zjawisk biologicznych związanych z percepcją zapachu i smaku, a tym samym w akceptacji żywności. Stąd nasze zainteresowanie wykrywaniem lotnych związków organicznych w czasie rzeczywistym i nieinwazyjnym dotyczy głównie cech sensorycznych żywności. Ponadto, jeśli weźmiemy pod uwagę możliwość wykrywania psucia się i mikroorganizmów chorobotwórczych za pomocą uwalnianych LZOs13 i/lub monitorowania lotnych związków organicznych jako markerów po procesach technologicznych (np. produkty uboczne Maillarda podczas obróbki termicznej)14, staje się jasne, w jaki sposób identyfikacja i kwantyfikacja LZO są obszarami zainteresowania w zarządzaniu jakością żywności6. Kilka niedawnych zastosowań technologii PTR-MS do szybkiego monitorowania i oznaczania ilościowego LZO w matrycach spożywczych świadczy o szerokim zakresie zastosowań tych podejść analitycznych (tabela 1).

Rozdział
Matryca pokarmowaRodzaj zastosowaniaKrótki opisodniesienie
masłoBadanie przesiewowe/charakterystykaPochodzenie geograficzne maseł europejskich15
jogurtMonitorowanie bioprocesówEwolucja podczas fermentacji mlekowej16
Batony zbożowePomiar in vivoPrzestrzeń nosowa podczas spożywania batonów zbożowych o różnym składzie cukru17
Systemy modeli ciekłychSymulowane warunki jamy ustnejOcena nacisku na język i warunków jamy ustnej w modelowej jamie ustnejRozdział 18
jabłkoPomiar in vivoPrzestrzeń nosowa podczas konsumpcji jabłka o różnych parametrach genetycznych, teksturalnych i fizykochemicznychRozdział 19
kawaBadanie przesiewowe/charakterystykaZróżnicowanie kaw speciality20
Moszcz winogronowyBadanie przesiewowe/charakterystykaEfekt procesu gotowania21
Cukierki smakowe Pomiar in vivoDeterminacja na panelistach przy użyciu różnych metod bezpośredniej spektrometrii mas22 Rozdział 22
szynka Badanie przesiewowe/charakterystykaWpływ systemu chowu świń23
chlebSymulowane warunki jamy ustnejSymulacja aromatu chleba podczas przeżuwania24
mlekoBadanie przesiewowe/charakterystykaMonitorowanie dynamicznych zmian w mleku wywołanych fotooksydacją25
kawaBadanie przesiewowe/charakterystykaRóżnorodność palonych kaw o różnym pochodzeniu geograficznym26
chlebMonitorowanie bioprocesówWpływ różnych starterów drożdżowych podczas fermentacji alkoholowej27 Rozdział 27
kawaPomiar in vivoPrzestrzeń nosowa podczas spożywania różnych preparatów z palonej kawy28
PomidoryBadanie przesiewowe/charakterystykaWpływ lokalizacji produkcji, systemu produkcji i różnorodności 29
chlebMonitorowanie bioprocesówWpływ mąki, drożdży i ich interakcji podczas fermentacji alkoholowejRozdział 30
Grzyby Badanie przesiewowe/charakterystykaOkres trwałości suszonych borowików Rozdział 31
jogurtMonitorowanie bioprocesówWpływ różnych kultur starterowych podczas fermentacji mlecznejRozdział 32
jabłkoBadanie przesiewowe/charakterystykaRóżnorodność w kolekcji plazmy zarodkowej jabłoni33 Rozdział 33
kawaBadanie przesiewowe/charakterystykaŚledzenie pochodzenia kawy Rozdział 34
kawaPomiar in vivoPołączenie dynamicznej metody sensorycznej i analizy przestrzeni nosowej in vivo w celu zrozumienia percepcji kawy35

Tabela 1: Lista badań naukowych z wykorzystaniem PTR-ToF-MS w sektorze spożywczym. Niewyczerpująca lista badań naukowych wykorzystujących podejścia oparte na PTR do monitorowania zawartości LZO w eksperymentach związanych z żywnością.

W ostatnich badaniach informowaliśmy o zastosowaniu PTR-ToF-MS w połączeniu z automatycznym systemem próbkowania i dostosowanymi narzędziami do analizy danych w celu zwiększenia automatyzacji i niezawodności próbkowania, a co za tym idzie, zwiększenia potencjału tej techniki7,10,13. Pozwoliło to na przesiewanie, pod kątem zawartości LZO, dużych zestawów próbek (np. żywność różnego pochodzenia z wieloma powtórzeniami, całe germoplazmy), analizę wpływu kilku trybów eksperymentalnych na uwalnianie LZO (np. różne stężenia danego składnika, różne intensywności określonego parametru technologicznego) oraz monitorowanie LZO związanych z danym bioprocesem (np. utlenianie enzymatyczne, fermentacja alkoholowa). W tym miejscu, w celu zilustrowania potencjału PTR-ToF-MS w sektorze rolno-spożywczym, przedstawiamy trzy paradygmatyczne zastosowania: wykrywanie LZO uwalnianych podczas fermentacji kwasu mlekowego jogurtu indukowanej przez różne mikrobiologiczne kultury starterowe (monitorowanie bioprocesów on-line), monitorowanie LZO związanych z różnymi odmianami jabłoni (badania przesiewowe na dużą skalę) oraz badanie in vivo retronosowego uwalniania LZO podczas picia kawy (analiza przestrzeni nosowej).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół jest zgodny z wytycznymi naszej instytucjonalnej komisji ds. etyki badań klinicznych na ludziach.

1. Przygotowanie próbki i warunki automatycznego pobierania próbek

  1. Monitorowanie bioprocesów on-line: wykrywanie lotnych związków organicznych uwalnianych podczas fermentacji kwasu mlekowego w jogurcie
    UWAGA: Ta sekcja protokołu stanowi część procedury opisanej przez Benozzi i wsp.32
    1. Dodać 5 ml pasteryzowanego mleka do każdej fiolki (szklane fiolki o pojemności 20 ml wyposażone w przegrodę PTFE/silikonową). Zwróć uwagę na rodzaj użytego mleka i szybko podgrzej próbki do temperatury 45 °C. Przenieś je do wielofunkcyjnego automatycznego podajnika próbek GC wyposażonego w tackę o kontrolowanej temperaturze (45 °C).
    2. Użyj ramienia robotycznego automatycznego podajnika próbek, aby zaszczepić fiolki mikrobiologicznymi kulturami starterowymi (zgodnie ze specyfikacjami producenta kultury starterowej). Ustaw czas inkubacji zgodnie z typologią żądanego jogurtu i specyfikacjami podanymi przez producenta kultury starterowej. Ustaw automatyczny podajnik próbek tak, aby wygodnie analizował jedną próbkę po drugiej, uzyskując monitorowanie on-line LZO fermentacji kwasu mlekowego podczas przygotowywania jogurtu.
  2. Badania przesiewowe na dużą skalę: monitorowanie LZO związanych z różnymi genotypami jabłek
    UWAGA: Ta sekcja protokołu stanowi część procedury opisanej przez Farneti i wsp.33,36
    1. Próbki jabłek należy pobrać w pożądanej fazie dojrzewania/konserwacji (np. na etapie zbioru handlowego). Wybierz co najmniej pięć jednorodnych owoców bez widocznych uszkodzeń dla każdego klonu. Przechowuj jabłka przez żądany okres w temperaturze pokojowej (25 °C) lub w lodówce (4 °C).
    2. Zbierz pięć cylindrycznych krążków (o średnicy 1,7 cm i grubości 1 cm) z każdego jabłka za pomocą próbnika do miąższu. Uwzględnij część tkanki kory mózgowej i unikaj rdzennej części z nasionami. Natychmiast homogenizować próbki i zamrażać w ciekłym azocie. Przechowywać w temperaturze -80 °C do czasu analizy.
    3. Przed analizą należy umieścić trzy powtórzenia 2,5 g próbki jabłka z każdej kontrpróby biologicznej w fiolkach (szklane fiolki o pojemności 20 ml wyposażone w przegrody PTFE/silikon). Zmieszać próbkę z 2,5 ml wody dejonizowanej, 1 g chlorku sodu, 12,5 mg kwasu askorbinowego i 12,5 mg kwasu cytrynowego i utrzymywać próbki w temperaturze 4 °C do czasu analizy (maksymalnie 3 dni).
    4. Inkubować próbki w temperaturze 40 °C, a następnie ustawić automatyczny podajnik próbek tak, aby automatycznie analizował LZO.
  3. Analiza przestrzeni nosowej: badanie retronosowego uwalniania LZO podczas picia kawy
    UWAGA: Ta sekcja protokołu stanowi część procedury opisanej przez Romano i wsp.28
    1. Przygotuj parzoną kawę z próbek kawy mielonej.
      1. Używaj ekspresu do kawy: podaj stosunek wody do proszku, rodzaj użytej wody mineralnej, typ ekspresu do kawy oraz procedurę zastosowaną do uzyskania napoju kawowego (ilości są funkcją wymiarów ekspresu do kawy).
      2. Użyj ekspresu do kawy na sześć filiżanek z płytą kuchenną, znanego we Włoszech jako "moka", używając 450 ml wody i 30 g kawy mielonej. Zaparzoną kawę przelać do naczynia i umieścić w termostatycznej łaźni wodnej (60 °C).
    2. Do każdego naparu kawy przenieś 7,5 ml porcji do styropianowego kubka (40 ml) z plastikową nakrętką. Niech każdy z panelistów spróbuje napoju zgodnie z protokołem: i) 30 s swobodnego oddychania, ii) pojedynczy łyk kawy, a następnie szybkie przełknięcie oraz iii) 3 minuty wdychania do ergonomicznego szklanego nosa28.
    3. Powtarzaj cały eksperyment przez trzy kolejne dni, losując kolejność próbek kawy i panelistów każdego dnia.
    4. Pobieranie próbek należy przeprowadzić, przykładając do nosa panelistów jednorazowy ergonomiczny nosek z gumy silikonowej. Podłączyć końcówkę do PTR-ToF-MS za pomocą rurki PEEK, która jest niepodgrzewana tylko w pierwszej części w kontakcie z korpusem panelisty, a następnie podgrzewana do temperatury 110 °C w wężu dopływowym, który łączy interfejs próbkowania z przyrządem PTR-MS.
      UWAGA: W Tabeli 2 znajduje się wykaz produktów analizowanych z procedurami analogicznymi do tych zgłoszonych przez Benozzi i wsp.32, Farneti et al.33,36, oraz Romano et al.28 jest zgłaszany.
Matryca pokarmowaLiczba i rodzaj próbekodniesienie
jabłkoAutorzy przeanalizowali kolekcję reprezentowaną przez 190 akcesji, składającą się zarówno ze starych, jak i nowych odmian jabłoni33 Rozdział 33
jogurtCztery startery analizowano pod kątem LZO uwalnianych podczas fermentacji mlecznej jogurtu (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)Rozdział 32
kawaUżyto trzech różnych rodzajów kawy mielonej otrzymanej z jednej mieszanki czystej kawy Arabica: średnio palną, ciemno paloną i średniopaloną bezkofeinową28

Tabela 2: Wykaz analizowanych produktów. Lista produktów poddanych analizie z procedurami analogicznymi do tych zgłoszonych przez Benozzi i wsp.32, Farneti et al.33,36, oraz Romano et al.28

2. Projekt eksperymentalny i praktyczne środki ostrożności

  1. Przeprowadzić co najmniej trzy międzydniowe kontrpróby biologiczne, z których każda składa się z trzech kontrprób technicznych, dla każdego trybu doświadczalnego.
  2. Przed inkubacją i analizą próbki należy przepłukać przestrzeń nad wodą czystym powietrzem przez 1 minutę w temperaturze 200 cm³ na każdą fiolkę.
  3. Przygotować ślepą próbę dla każdego trybu doświadczalnego, inkubować i analizować ślepą próbę w tych samych warunkach, w jakich znajdują się próbki.
  4. Losowo dobieraj kolejność próbek/ślepych prób do analizy.
  5. Podobnie jak w przypadku innych metod stosowanych do wykrywania lotnych związków organicznych, przed użyciem przyrządu należy ograniczyć stosowanie perfumowanych produktów higieny osobistej, a także gumy do żucia i papierosów. Szczelnie zakryj wszystkie lotne substancje chemiczne w laboratorium i kontroluj przeciągi powietrza tak bardzo, jak to możliwe podczas testowania37.

3. Optymalizacja i analiza urządzeń PTR-MS

UWAGA: Warunki instrumentalne są opisane w przypisach (np. Makhoul et al.Rozdział 27).

  1. Pomiary przestrzeni nad próbkami należy wykonywać za pomocą komercyjnego aparatu PTR-ToF-MS w trybie konfiguracji standardowej.
  2. Bezpośrednie wtryskiwanie powietrza do przestrzeni nad głową rurki dryfującej PTR-MS bez żadnego zabiegu. Przez PTR-MS przepływa powietrze z próbki w sposób ciągły, więc wtryskiwanie odbywa się po prostu poprzez włożenie końca wlotu PTR-MS do przestrzeni nad próbką.
  3. Ustaw i stale sprawdzaj następujące warunki jonizacji w rurze dryfującej: temperatura rurki dryfującej 110 °C, ciśnienie dryftu 2,30 mbar, napięcie dryftu 550 V. Prowadzi to do stosunku E/N wynoszącego około 140 Td (1 Td = 10−17 cm,2 V−1 s−1). Przewód dolotowy składa się z rurki kapilarnej z PEEK (średnica wewnętrzna 0,04 cala) podgrzanej do temperatury 110 °C. Domyślnie ustaw przepływ wlotowy na 40 sccm.
  4. Ustaw czas próbkowania na kanał akwizycji ToF na 0,1 ns, co daje 350 000 kanałów dla widma masowego w zakresie do m/z = 400. Każde pojedyncze widmo jest sumą około 28 600 akwizycji trwających 35 μs każde, co daje rozdzielczość czasową 1 s.
    UWAGA: Widma są następnie przechowywane w sposób ciągły. Sygnały spektrometryczne rosną od poziomu tła do stabilnej wartości w ciągu kilku sekund (czas potrzebny na wymianę gazu w przewodach dolotowych) i tylko widma uzyskane po tym stanie przejściowym są brane pod uwagę w dalszej analizie.

4. Analiza danych dostosowanych do potrzeb

UWAGA: Analiza danych na zamówienie została opracowana przy użyciu procedury w MATLAB.

  1. Skorygować straty zliczeniowe spowodowane czasem martwym detektora jonów za pomocą metodologii opartej na statystyce Poissona, opisanej przez Cappellin i wsp.10.
  2. Przeprowadzić kalibrację wewnętrzną zgodnie z procedurą opisaną przez Cappellin i wsp.38, aby osiągnąć dobrą dokładność masy (do 0,001 Th).
  3. Przeprowadzić adnotację złożoną, porównując uzyskane dane spektralne z danymi fragmentacji wzorców odniesienia oraz z danymi podawanymi w literaturze naukowej.
  4. Wykonaj redukcję szumów, usunięcie linii bazowej i ekstrakcję intensywności szczytowej zgodnie z Cappellin i wsp.39, używając zmodyfikowanych gaussianów w celu dopasowania szczytów.
  5. Oblicz szczytową intensywność w ppbv (części na miliard objętości) za pomocą wzoru opisanego przez Lindingera i wsp.5, używając odpowiedniego współczynnika szybkości reakcji lub stałej wartości współczynnika szybkości reakcji (k = 2,10−9 cm3 s−1), gdy związek leżący pod spodem nie jest znany. To ostatnie wprowadza błąd systematyczny do 30%, który można uwzględnić, jeśli znany jest rzeczywisty współczynnik40.
  6. Eksploruj dane, wykonując analizę głównych składowych, analizę wariancji, test post-hoc Tukeya i inne testy/analizy statystyczne dostosowujące istniejące pakiety opracowane przy użyciu R (np. Cappellin i wsp.10).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Lotny profil próbek zaowocował pełnym spektrum masowym dla pożądanego zakresu mas pozyskiwanym co sekundę. Na rysunku 2 podano przykład średnich widm uzyskanych podczas bioprocesu jogurtowego on-line32. W każdym widmie można zidentyfikować ponad 300 pików masy w zakresie m/z do 250 Th32.

figure-results-1
...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Spektrometria mas z reakcją transferu protonów (PTR-MS) w połączeniu z analizatorami mas czasu przelotu (ToF) stanowi ważny kompromis między potrzebą identyfikacji i kwantyfikacji lotnych związków organicznych a koniecznością szybkiego profilowania analitycznego. Wysoka rozdzielczość masy, która charakteryzuje analizator masy ToF, zapewnia/zapewnia odpowiednią czułość i widma masowe o znacznej zawartości informacyjnej. Co więcej, zastosowanie PTR-ToF-MS w połączeniu z automatycznym samplerem i dostosowanymi narzędziami d...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca jest wspierana przez 7 Program Ramowy Komisji Europejskiej na podstawie umowy o grant numer 287382. SY jest beneficjentem umowy o udzielenie dotacji nr 287382 zawartej przez Komisję Europejską w ramach 7. programu ramowego. IK jest stypendystką FIRST szkoły doktorskiej Fondazione Edmund Mach. W swojej pracy na Uniwersytecie w Foggii, VC jest wspierany przez Region Apulii w ramach programu "Future In Research" (kod praktyki 9OJ4W81).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
PTR-TOF 8000 Wysoka rozdzielczość PTR-TOF-MSIonicon Analytik Ges.m.b.H.PTR-TOF 8000Detektor lotnych związków organicznych (LZO), który pozwala na ciągłą kwantyfikację LZO z bardzo wysoką rozdzielczością masową
GERSTEL  MPS 2XLGerstelWielofunkcyjny automatyczny podajnik próbek 
Jednostka kalibracji gazówIonicon Analytik Ges.m.b.H.GCU-s / GCU-aDynamiczny system rozcieńczania gazu, który dostarcza zmienne, ale znane ilości różnych standardowych związków w strumieniu gazu nośnego
TofDaqTofwerk AGbezpłatnie dostępny w http://soft.tofwerk.com/   Oprogramowanie do akwizycji danych  (dla widm  akwizycji)
MATLAB MathWorkshttp://it.mathworks.com/products/matlab/Techniczny język obliczeniowy i interaktywne środowisko do tworzenia algorytmów, wizualizacji danych i analizy danych
RThe R Foundationdostępne bezpłatnie pod adresem https://cran.r-project.org/mirrors.html  Język i środowisko do obliczeń statystycznych i grafiki

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

PTR ToF MSVolatile Organic CompoundsAutomated SamplingBioprocess MonitoringNose space AnalysisFood Science TechnologyDirect Injection Mass SpectrometryData Analysis ToolsVOC ScreeningLactic Acid Fermentation

Related Articles