Abstract
Реакция протон-переноса (PTR) в сочетании с масс-спектрометром Time-of-Flight (ToF) - это аналитический подход, основанный на химической ионизации, которая относится к технологиям с прямым впрыском масс-спектрометрии (DIMS). Эти методы позволяют быстро определять летучие органические соединения (ЛОС), обеспечивая высокую чувствительность и точность. В общем, PTR-MS не требует ни подготовки проб, ни уничтожения образцов, что позволяет проводить анализ образцов в реальном времени и неинвазивно. PTR-MS используются во многих областях, от химии окружающей среды и атмосферы до медицинских и биологических наук. В последнее время мы разработали методологию, основанную на связывании PTR-ToF-MS с автоматизированным сэмплером и специализированными инструментами для анализа данных, чтобы повысить степень автоматизации и, следовательно, повысить потенциал технологии. Этот подход позволил нам контролировать биопроцессы ( например, ферментативное окисление, спиртовое брожение) для скрининга больших наборов образцов (Например, разное происхождение, целые гермоплазмы) и проанализировать несколько экспериментальных режимов ( например, различные концентрации данного ингредиента, различные интенсивности конкретного технологического параметра) с точки зрения содержания ЛОС. Здесь мы сообщаем экспериментальные протоколы, иллюстрирующие различные возможные применения нашей методологии: обнаружение ЛОС, выделяемых при молочнокислом брожении йогурта (он-лайн мониторинг биопроцессов), мониторинг ЛОС, связанных с различными сортами яблок (крупномасштабный скрининг) , И in vivo исследование выделения ретрогранальной ЛОС во время питья кофе (анализ пространства носов).
Introduction
Технологии Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) представляют собой класс аналитических инструментальных подходов, которые обеспечивают значительное массовое и временное разрешение с высокой чувствительностью и надежностью, что позволяет быстро обнаруживать и количественно определять летучие органические соединения (ЛОС) 1 . Эти инструментальные подходы включают среди прочего MS-e-носы, масс-спектрометрию химической ионизации при атмосферном давлении (APCI-MS), масс-спектрометрию протон-перенос-реакционную реакцию (PTR-MS) и масс-спектрометрию, SIFT-MS) 1 . Достоинства и недостатки каждого подхода зависят от вида инъекции образца, источника и контроля ионов-предшественников, управления процессом ионизации и анализатора массы 1 , 2 .
Протон-трансфер-реакционная масс-спектрометрия (PTR-MS) была разработана более двадцати лет назад для мониторинга в режиме реального времени и wi(Обычно несколько ppbv, часть на миллиард по объему) наиболее летучих органических соединений (ЛОС) на воздухе 3 , 4 . В настоящее время использование PTR-MS варьируется от медицинских приложений, контроля пищевых продуктов до экологических исследований 5 , 6 . Главными особенностями этого метода являются: возможность быстрого и непрерывного измерения, интенсивный и чистый источник ионов-предшественников и возможность управления условиями ионизации (давление, температура и дрейфовое напряжение). Эти функции позволяют комбинировать универсальные применения с высокой степенью стандартизации 1 , 4 . Фактически, метод основан на реакциях ионов гидрония (H 3 O + ), которые индуцируют недиссоциативный перенос протонов в большинстве летучих соединений (особенно в тех, которые характеризуются протонным сродством выше, чем вода), протонируя нейтральные соединения(M) в соответствии с реакцией: H 3 O + + M → H 2 O + MH + . В отличие от других методов, например , APCI-MS, генерация предшественников и ионизация образцов делятся на два разных инструментальных отсека (схематическое изображение прибора PTR-MS приведено на рисунке 1 ). Электрический разряд водяным паром в полом катодном источнике ионов генерирует пучок ионов гидроксония. После этой фазы ионы пересекают дрейфовую трубку, где происходит ионизация ЛОС 7 . Затем ионы входят в секцию извлечения импульсов и ускоряются в секцию TOF. Через время полета можно определить отношения массы к заряду ионов 8 . Каждый импульс экстракции приводит к полному спектру масс 8 выбранного диапазона m / z. Спектры ионов регистрируются с помощью быстрой системы сбора данных 7 . Полный спектр, как правило,Полученное за одну секунду, хотя может быть достигнуто более высокое временное разрешение в зависимости от уровня сигнала и уровня шума, и количественная оценка концентрации свободного пробега ЛОС может быть обеспечена даже без калибровки 9 , 10 .
Рисунок 1: Схематическая иллюстрация PTR-MS. Схематическое изображение прибора PTR-MS. HC: внешний источник ионов с полым катодом; SD: дрейф источника; VI, входное отверстие трубки Вентури; EM, электронный умножитель; FC1-2, контроллеры потоков. Перепечатано с разрешения Boschetti et al. 7 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
11 . ПТР представляет значительный интерес для экологических, атмосферных, пищевых, технологических, медицинских и биологических наук 12 .
ЛОС, связанные с матрицами пищевых продуктов, представляют значительный интерес в области науки и технологии пищевых продуктов, поскольку они играют важную роль в молекулярной основе биологических явлений, связанных с восприятием запахов и вкуса и, таким образом, в принятии пищи. Таким образом, наша заинтересованность в реальном времени и неинвазивном обнаружении ЛОС в основном связана с сенсорными качествами пищи. Кроме того, если мы рассмотрим возможность обнаружения порчи и патогенных микроорганизмов с помощью высвобожденных ЛОС 13 и / или для мониторинга летучих органических соединений в качестве маркеров follo( Например , побочные продукты Майара во время термообработки) 14 , становится ясно, как идентификация и количественное определение ЛОС являются областями, представляющими интерес для управления качеством пищевых продуктов 6 . Несколько недавних применений технологий PTR-MS для быстрого мониторинга и количественной оценки ЛОС в пищевых матрицах свидетельствуют о широком диапазоне применения этих аналитических подходов ( таблица 1 ).
| Пищевая матрица | Вид применения | Краткое описание | Справка |
| Масло | Скрининг / характеристика | Географическое происхождение европейских масел | 15 |
| Йогурт | Мониторинг биопроцессов | Эволюция молочнокислых ферментовумонастроение | 16 |
| Зерновые батончики | Измерение in vivo | Носовое пространство при потреблении зерновых батончиков с различным составом сахара | 17 |
| Жидкие модельные системы | Моделируемые оральные состояния | Оценка давления языка и состояния полости рта в модельном рте | 18 |
| яблоко | Измерение in vivo | Носовое пространство во время потребления яблока с различными генетическими, текстуальными и физико-химическими параметрами | 19 |
| Кофе | Скрининг / характеристика | Дифференциация специальных сортов кофе | 20 |
| Виноградное сусло | Скрининг / характеристика | Влияние процесса варки | 21 |
| Ароматизированные конфеты | Измерение in vivo | Определение участников дискуссии с использованием различныхМетоды прямой масс-спектрометрии | 22 |
| ветчина | Скрининг / характеристика | Влияние системы выращивания свиней | 23 |
| Хлеб | Моделируемые оральные состояния | Имитация аромата хлеба во время жевания | 24 |
| Молоко | Скрининг / характеристика | Мониторинг вызванных фотоокислением динамических изменений в молоке | 25 |
| Кофе | Скрининг / характеристика | Разнообразие в поджаренном кофе из разных географических регионов | 26 |
| Хлеб | Мониторинг биопроцессов | Влияние различных стартеров дрожжей при спиртовом брожении | 27 |
| Кофе | Измерение in vivo | Носовое пространство во время употребления различных жареных кофейных препаратов | 28 |
| Скрининг / характеристика | Влияние местоположения производства, производственной системы и разнообразия | 29 | |
| Хлеб | Мониторинг биопроцессов | Влияние муки, дрожжей и их взаимодействия во время спиртового брожения | 30 |
| грибы | Скрининг / характеристика | Срок годности сушеных белых грибов | 31 |
| Йогурт | Мониторинг биопроцессов | Влияние разных стартовых культур при молочной ферментации | 32 |
| яблоко | Скрининг / характеристика | Разнообразие в коллекции яблочной зародышевой плазмы | 33 |
| Кофе | Скрининг / характеристика | Отслеживание происхождения кофе | 34 |
| Кофе | Измерение in vivo | СочетаниеДинамический сенсорный метод и in-vivo анализ носового пространства, чтобы понять восприятие кофе | 35 |
Таблица 1: Список научных исследований с использованием PTR-ToF-MS в пищевой промышленности. Неисчерпывающий перечень научных исследований с использованием подходов, основанных на ПТР, для контроля содержания ЛОС в экспериментах, связанных с пищевыми продуктами.
В последних исследованиях мы сообщали о применении PTR-ToF-MS в сочетании с автоматизированной системой отбора проб и специализированными инструментами для анализа данных, чтобы повысить автоматизацию и надежность выборки и, следовательно, повысить потенциал этой методики 7 , 10 , 13 . Это позволило нам проанализировать влияние нескольких экспериментальных режимов на высвобождение ЛОС (с точки зрения содержания ЛОС) в больших наборах проб ( например, пищевых продуктов разного происхождения с большим количеством повторов, целых гермоплазмов)От определенного ингредиента, различной интенсивности конкретного технологического параметра) и контролировать ЛОС, связанные с данным биопроцессом ( например, ферментативное окисление, спиртовое брожение). Здесь, для того, чтобы продемонстрировать потенциал PTR-ToF-MS в агропродовольственном секторе, мы представляем три парадигматических приложения: обнаружение ЛОС, выделяемых при молочнокислом ферментации йогурта, вызванного различными культурами микробных заквасок (on-line bioprocess monitoring ), Мониторинг ЛОС, связанный с различными сортами яблок (крупномасштабный скрининг), и исследование in vivo выделения ретрогранальной ЛОС во время питья кофе (анализ носового пространства).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Протокол следует принципам нашего институционального комитета по этике исследований человека.
1. Подготовка образца и условия автоматического пробоотборника
- Онлайновый мониторинг биопроцессов: обнаружение летучих органических соединений, выделяемых при молочнокислой ферментации йогурта
ПРИМЕЧАНИЕ. Этот раздел протокола представляет собой часть процедуры, описанной Benozzi et al. 32- Добавьте 5 мл пастеризованного молока в каждый флакон (20 мл стеклянные флаконы, снабженные перегородками из PTFE / силикона). Обратите внимание на тип используемого молока и быстро нагрейте образцы до 45 ° C. Перенесите их в многофункциональный автосамплер GC, снабженный термостатированным лотком (45 ° C).
- Используйте роботизированный манипулятор автосамплера для инокуляции флаконов с культурами микробных заквасок (в соответствии со спецификациями производителя стартовой культуры). Установите время инкубации в соответствии с типологией желаемого йогурта и спецификациейСообщается производителем стартовой культуры. Установите автоматический пробоотборник для удобного анализа одного образца за другим, получения онлайнового контроля содержания летучих органических соединений в процессе приготовления йогурта.
- Крупномасштабный скрининг: мониторинг ЛОС, связанных с различными генотипами яблони
ПРИМЕЧАНИЕ. Этот раздел протокола представляет собой часть процедуры, описанной Farneti et al. 33 , 36- Образцы яблок на желаемой стадии созревания / консервации ( например, на стадии коммерческого сбора урожая). Выберите не менее пяти однородных плодов без видимых повреждений для каждого клона. Храните яблоки в течение желаемого периода при комнатной температуре (25 ° C) или в холодильнике (4 ° C).
- Соберите пять цилиндрических дисков (диаметр 1,7 см и толщина 1 см) из каждого яблока с помощью пробоотборника из плотного лезвия. Включите часть кортикальной ткани и избегайте части ядра семенами.Немедленно гомогенизируйте образцы и замерзните в жидком азоте. Хранить при -80 ° C до анализа.
- Перед анализом поместите три повторения образца 2,5 г яблони из каждого биологического репликата во флаконы (стеклянные пробирки объемом 20 мл, снабженные перегородками из PTFE / силикона). Смешайте образец с 2,5 мл деионизированной воды, 1 г хлорида натрия, 12,5 мг аскорбиновой кислоты и 12,5 мг лимонной кислоты и выдерживайте образцы при 4 ° С до анализа (максимум 3 дня).
- Инкубируйте образцы при 40 ° C и затем установите автоматический пробоотборник для автоматического анализа ЛОС.
- Анализ носового пространства: изучение ретросазарного выделения ЛОС во время питья кофе
ПРИМЕЧАНИЕ. Этот раздел протокола представляет собой часть процедуры, описанной Romano et al. 28- Приготовить заваренный кофе из молотого кофе.
- Используйте кофеварку: сообщите о соотношении вода / порошок, тип используемой минеральной воды,Тип кофеварки и процедуру, принятую для получения кофейного напитка (количества зависят от размера кофеварки).
- Используйте кофеварку с шестью чашками, известную в Италии как «мока», используя 450 мл воды и 30 г порошка кофе. Поместите заваренный кофе в сосуд и перенесите его в термостатическую водяную баню (60 ° C).
- Для каждого кофейного напитка переведите 7,5 мл аликвоты в чашку из полистирола (40 мл) с пластиковой крышкой. Попросите каждого участника опробовать напиток в соответствии с протоколом: i) 30 секунд свободного дыхания, ii) один глоток кофе с последующим быстрым глотанием и iii) 3 минуты дыхания в эргономичный стеклянный наконечник 28 .
- Повторите весь эксперимент в течение трех дней подряд, каждый день произвольно производите выбор образцов кофе и участников.
- Выполняйте выборку, применяя одноразовый эргономичный наконечник в силиконовой резине к носу участников. Подключите nНа PTR-ToF-MS с помощью трубки PEEK, которая не нагревается только в первой части при контакте с корпусом участника, затем нагревается до 110 ° C во впускном шланге, который соединяет интерфейс для отбора проб с PTR-MS инструмент.
ПРИМЕЧАНИЕ. В таблице 2 представлен список продуктов, проанализированных с использованием аналогичных методик, описанных Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 и Romano et al. 28 сообщается.
- Приготовить заваренный кофе из молотого кофе.
| Пищевая матрица | Количество и вид образцов | Справка |
| яблоко | Авторы провели скрининг коллекции, состоящей из 190 образцов, состоящих из старых и новых сортов яблони | 33 |
| Йогурт | Четыре стартера были проанализированы в отношении летучих органических соединений, выделяемых при молочной ферментации йогурта (A, FD-DVS YF-L812 Yo-Flex, Chr. Hansen, B, FD-DVS YC-380 Yo-Flex, Chr. -DVS YC-X11 Yo-Flex, Chr. Hansen, D, YO-MIX 883, Danisco) | 32 |
| Кофе | Использовали три разных вида молотого кофе, полученные из одной чистой кофейной смеси Arabica: средне обжаренные, темные жареные и без кофеина средние обжаренные | 28 |
Таблица 2: Список проанализированных продуктов. Список продуктов, проанализированных с помощью аналогичных процедур, описанных Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 и Romano et al. 28
2. Экспериментальный дизайн и практические меры предосторожности
- Выполните как минимум три межсуточных биологических репликиКаждая с тремя техническими повторами для каждого экспериментального режима.
- Перед инкубацией и анализом образца промывайте свободное пространство свободным воздухом в течение 1 мин при 200 см 3 / мин для каждого флакона.
- Подготовьте пробел для каждого экспериментального режима, инкубируйте и анализируйте пробел в тех же условиях образцов.
- Производит рандомизацию порядка выборок / пробелов для анализа.
- Подобно другим методам, используемым для обнаружения ЛОС, перед использованием инструмента следует ограничить использование парфюмированных продуктов личной гигиены, а также жевательной резинки и сигарет. Тщательно закройте все летучие химикаты в лаборатории и как можно лучше контролируйте сквозняки воздуха во время испытаний 37 .
3. PTR-MS Оптимизация и анализ инструмента
ПРИМЕЧАНИЕ. Инструментальные условия описаны в ссылках ( например, Makhoul et al ., 27 ).
- Выполните измерения свободного пространства на образцах с помощью commerciAl PTR-ToF-MS в режиме стандартной конфигурации.
- Непосредственно нагнетайте воздух в свободное пространство дрейфующей трубки PTR-MS без какой-либо обработки. Существует непрерывный поток пробы воздуха через PTR-MS, так что инъекция достигается простым вводом конца входа PTR-MS в свободное пространство образца.
- Установить и постоянно проверять следующие условия ионизации в дрейфовой трубе: температура дрейфовой трубы 110 ° C, давление дрейфа 2,30 мбар, напряжение дрейфа 550 В. Это приводит к соотношению E / N около 140 Td (1 Td = 10 -17 см 2 В - 1 с - 1 ). Входная линия состоит из капиллярной трубки PEEK (внутренний диаметр 0,04 дюйма), нагретой до 110 ° C. По умолчанию установите входной поток на 40 sccm.
- Установите время дискретизации каждого канала для сбора ToF в 0,1 нс, что составляет 350 000 каналов для спектра масс, до m / z = 400. Каждый отдельный спектр представляет собой сумму около 28 600 поглощений продолжительностью 35Мкс каждая, что приводит к временному разрешению в 1 с.
ПРИМЕЧАНИЕ. Затем спектры непрерывно сохраняются. Спектрометрические сигналы растут от фонового уровня до стабильного значения в течение нескольких секунд (время, необходимое для замены газа во входных линиях), и только спектры, полученные после этого переходного процесса, рассматриваются в дальнейшем анализе.
4. Анализ специализированных данных
ПРИМЕЧАНИЕ. Анализ специализированных данных был разработан с использованием процедуры в MATLAB.
- Исправьте потери отсчета из-за мертвого времени детектора ионов с помощью методологии, основанной на статистике Пуассона, как описано Cappellin et al. 10 .
- Выполните внутреннюю калибровку в соответствии с процедурой, описанной Cappellin et al. 38 для достижения хорошей точности массы (до 0,001 Th).
- Проведите составную аннотацию, сравнив полученные спектральные данные с данными фрагментации эталонных стандартов и данными rИзложены в научной литературе.
- Выполните подавление шума, удаление базовой линии и извлечение интенсивности пика согласно Cappellin et al. 39 , с использованием модифицированных гауссианов для достижения пиков.
- Рассчитайте пиковую интенсивность в ppbv (частей на миллиард по объему) по формуле, описанной Lindinger et al. 5 , используя соответствующий коэффициент скорости реакции или постоянное значение для коэффициента скорости реакции (k = 2,10-9 см 3 с -1 ), когда нижележащее соединение неизвестно. Последний вводит систематическую ошибку до 30%, которая может быть учтена, если известен фактический коэффициент 40 .
- Размещайте данные, проводя анализ основных компонентов, дисперсионный анализ, постфактум Tukey и другие статистические тесты / анализ, адаптируя существующие пакеты, разработанные с использованием R ( например, Cappellin et al.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Летучий профиль образцов приводил к полному спектру масс для желаемого диапазона масс, получаемого каждую секунду. На рис. 2 приведен пример полученного усредненного спектра во время биопроцесса он-лайн йогурта. 32 . В каждом спектре может быть идентифицировано более 300 массовых пиков в диапазоне m / z до 250 Th. 32 .
Рисунок 2: Средние спектры PTR-ToF-MS образца инокулированного молока при производстве йогурта. Низкомассивная область средних спектров PTR-ToF-MS образца инокулированного молока при производстве йогурта: более 300 массовых пиков в m / z диапазоне до 250 Th. Перепечатано с разрешения Benozzi et al. 32 .Ove.com/files/ftp_upload/54075/54075fig2large.jpg "target =" _ blank "> Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В следующих случаях мы сообщаем результаты, полученные с использованием предложенного специализированного анализа данных, для трех приложений, описанных в протоколе. Мы подчеркиваем, что весь анализ данных может быть выполнен в течение одного или нескольких дней с помощью специально разработанного программного обеспечения, разработанного в нашей лаборатории 10 , 40 . На рисунке 3 , в отношении обнаружения ЛОС во время молочнокислого брожения йогурта (он-лайн мониторинг биопроцессов), мы показываем различную кинетику ферментации из девяти выбранных массовых пиков, соответствующих четырем различным коммерческим заквасочным культурам 32 . Если молекулярный пик насыщен, как и для ацетальдегида в этом примере, соответствующий изотополог 13 C может быть использован для оценки концентрациитрация.
Большинство этих летучих веществ демонстрировали классическую микробно-подобную кинетику с начальной фазой запаздывания, за которой следует фаза роста и пост-логарифмическая фаза 32 . Интересно, что он-лайн анализ позволил впервые выделить кинетику истощения для четырех соединений, содержащих серу ( например, кинетика, описанная для метантиола, рис. 3д ).
Рисунок 3: Кинетика ферментации из девяти выбранных пиков массы при ферментации йогурта с использованием четырех различных заквасочных культур. Кинетика ферментации девяти выбранных массовых пиков: ( а ) ацетальдегида, ( б ) диацетила, ( в ) 2-гидрокси-3-пентанона / пентановой кислоты, ( г ) бензальдегида, ( е )Хантиол, ( f ) ацетоин, ( g ) бутановая кислота, ( h ) 2-бутанон, ( i ) гептановая кислота (средство из трех повторов ± стандартное отклонение) (предварительная идентификация). Открытый круг (○), инокулированное молоко; Заполненный круг (●), заполненный треугольник (▲) и заполненные ромбы (♦), соответствуют четырем различным микробным пускам, особенно используемым для пилотного брожения йогурта. Звездочки указывают статистически значимые различия (ANOVA, p <0,05) среди коммерческих стартеров. Перепечатано с разрешения Benozzi et al. 32 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Недавно мы обнаружили ЛОС, связанные с большой коллекцией яблок, представленной 190 accessioНс (пример возможного применения для крупномасштабного скрининга) 33 . Горизонтальная дендрограмма, основанная на определенной инвентаризации ЛОС, связанной с сбором, указывает на присутствие шести основных кластеров, главным образом определяемых сложными эфирами и спиртами ( рисунок 4 ). Эти результаты привели нас к определению индекса спиртов / эфиров и предложили его как новый дескриптор качества фруктов, подходящий для дополнительной характеристики яблок 33 .
Рисунок 4: Тепловая карта и двумерные иерархические дендрограммы образцов ЛОС, оцененные в 190 афроамериканцах методом PTR-ToF-MS. Тепловая карта и двумерные иерархические дендрограммы образцов ЛОС, оцененные в 190 афроамериканцах методом PTR-ToF-MS (с использованием порога 25 ppbv). Сорта Apple сгруппированы и сгруппированы по строкам, а VOCСоединения организованы по столбцам. Кластеры сорта определяются цифрами от 1 до 6, а группы соединений обозначаются буквами от A до D. Перепечатано с разрешения Farneti et al. 33 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Мы завершаем этот раздел результатами, свидетельствующими о возможном применении PTR-ToF-MS в исследовании in vivo выделения ретрогранальных ЛОС (анализ пространства носов). Рисунок 5 (слева) описывает кумулятивные профили для пяти тестеров кофе, представленных с помощью радиальных диаграмм, графическое решение, типичное для сенсорного анализа 28 . В этом исследовании были приготовлены средне обжаренные, темные обжаренные и без кофеина средние обжаренные молотые образцы кофе из одной чистой смеси арабики, которые были приготовлены и поданыПять человек 28 . Результаты продемонстрировали наличие воспроизводимых и существенных различий между участниками дискуссии, что очевидно для участников p1 и p2 на рис. 5 (справа) 28 .
Рисунок 5: Радиальные графики, представляющие профили высвобождения для одного выбранного параметра ( т. Е. Площади) и трех типов кофе. Радиальные графики, представляющие профили высвобождения для одного выбранного параметра ( т. Е. Площади) и трех типов кофе (жареный средний, темный жареный и без кофеина, полученный из одной чистой арабической смеси). Слева: совокупные профили для пяти участников; Справа: отдельные профили для двух выбранных участников (а именно, p1 и p2). Значения масштабировались путем деления на соответствующие стандартные отклонения. Полукруглые полосы на Внешние поля представляют собой химические классы, основанные на предварительном определении пика. Кружки указывают на значительные различия между типами кофе (ANOVA и Tukey's test, p <0,05). Перепечатано с разрешения Romano et al. 28 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Пример хроматограмм быстрого ГХ PTR-ToF-MS. Хроматограммы получают из красного вина (шесть повторов) и четырех выбранных пиков, ориентировочно отнесенных к эфирам. Перепечатано с разрешения Romano et al. 45 .Et = "_ blank"> Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Массовые анализаторы реакции переноса протонов (PTR-MS), связанные с масс-анализаторами времени пролета (ToF), представляют собой эффективный компромисс между необходимостью идентификации и количественной оценки летучих органических соединений и необходимостью быстрого аналитического профилирования. Высокое разрешение по массе, которое характеризует масс-анализатор ToF, дает / обеспечивает соответствующую чувствительность и масс-спектры с большим информационным наполнением. Кроме того, применение PTR-ToF-MS в сочетании с автоматическим выборщиком и специализированными инструментами для анализа данных, которые повышают степень автоматизации, расширяет возможности этой технологии.
В многочисленных исследовательских и технологических областях, где обнаружение летучих соединений может иметь значение, наука и технология пищевых продуктов, в частности, требуют чувствительности, высокого разрешения и прямого анализа. С одной стороны, эталонные методы для анализа ЛОС основаны на газовой хроматографии, которая обеспечивает более специфичность, но яИ может достигать аналогичной чувствительности только по цене дополнительных процедур предварительной обработки или концентрирования. Некоторый быстрый анализ, такой как пространство в носу, не может быть выполнен с помощью методов на основе GC. Экран других исследований многих образцов, использующих PTR-MS и GC в качестве дополнительных подходов: PTR_MS позволяет проводить измерения очень больших наборов выборок, в то время как анализ GC сокращенных подмножеств предоставляет дополнительную информацию для лучшей интерпретации данных PTR-MS 40 . С другой стороны, были предложены другие быстрые подходы к анализу ЛОС, например , на основе электронных носов или MS-e-носов или конкретных датчиков. Они намного дешевле по сравнению с PTR-MS, но, как правило, обеспечивают очень низкую чувствительность.
Анализ PTR-ToF-MS дает информацию о массе наблюдаемых спектральных пиков, что обычно недостаточно для однозначной идентификации соединения. Более того, несмотря на мягкую химическую ионизацию, протон trВызванная ansfer фрагментация не всегда пренебрежимо мала. В некоторых случаях шаблон фрагментации может помочь в предварительной идентификации 41 . Тем не менее, возникает необходимость в технологических решениях, которые улучшают аналитическую способность PTR-ToF-MS. В связи с этим интересным развитием техники является использование первичных родительских ионов, отличных от H 3 O + . Система 4 с переключаемым реагентом (SRI) может альтернативно производить в одном и том же источнике полого катода различные исходные ионы, такие как NO + и O 2 + . Такой подход, изменяя условия ионизации и, следовательно, образование фрагментов и кластеров, увеличивает количество соединений, которые можно обнаружить, и позволяет выделить некоторые изомерные соединения 42 , 43 . Уже имеется несколько приложений в области науки и технологий в области пищевых продуктов, таких как VOC detErmination в сухом высушенном ветчине 23 , кофе 34 и определение этилена во фруктах 43 . Другое технологическое решение, подходящее для преодоления трудностей в точной идентификации соединений, представлено методологией быстрого GC / PTR-ToF-MS 44 . Из-за уменьшения времени разделения быстрый GC расширяет аналитические возможности без ущерба для аналитической пропускной способности PTR-ToF-MS 44 . Добавленная стоимость методики хорошо представлена на рисунке 6 , изображая хроматограммы, полученные для четырех пиков, условно идентифицированных как фрагменты сложного эфира из свободного пространства красного вина 45 . Помимо важного разделения различных изомерных фрагментов в пределах одного и того же пика интересный желаемый побочный эффект применения стадии быстрого хроматографического разделения был представлен быстрым элюированием (и, следовательно, существенным элиминированиемП) этанола. Фактически, этанол вызывает нежелательный эффект в анализе спиртовых матриц на основе PTR из-за уменьшения ионов гидрония и последующего образования димеров и тримеров (этанольных кластеров, этанола и водных кластеров и соответствующих фрагментов), что приводит к присутствию Пиков, которые существенно нарушают правильную интерпретацию спектров 46 . Позднее были предложены другие разработки для повышения чувствительности аппаратов PTR-MS, которые еще не были испытаны в науке и технике пищевых продуктов 47 , 48 .
В заключение, быстрый и неинвазивный анализ летучих соединений PTR-ToF-MS в сочетании с автоматическим отбором проб и обработкой и анализом данных обеспечивают новый инструмент, который позволяет эффективно решать несколько тем в науке и технологии пищевых продуктов и дополнять результаты, получаемые другими методами ,
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).
