Abstract
La Reacción de Transferencia de Protones (PTR), combinada con un Espectrómetro de Masa de Tiempo de Vuelo (ToF) es un enfoque analítico basado en la ionización química que pertenece a las tecnologías DIMS (Direct Injection Mass Spectrometric). Estas técnicas permiten la rápida determinación de compuestos orgánicos volátiles (COV), asegurando una alta sensibilidad y precisión. En general, PTR-MS no requiere preparación de muestras ni destrucción de muestras, lo que permite el análisis en tiempo real y no invasivo de las muestras. Los PTR-MS son explotados en muchos campos, desde la química ambiental y atmosférica hasta las ciencias médicas y biológicas. Más recientemente, desarrollamos una metodología basada en el acoplamiento de PTR-ToF-MS con un muestreador automatizado y herramientas de análisis de datos a medida, para incrementar el grado de automatización y, en consecuencia, potenciar el potencial de la técnica. Este enfoque nos permitió monitorear bioprocesos ( por ejemplo, oxidación enzimática, fermentación alcohólica), para examinar grandes conjuntos de muestras (Diferentes orígenes, germoplasmas enteros) y analizar varios modos experimentales ( por ejemplo, diferentes concentraciones de un ingrediente dado, diferentes intensidades de un parámetro tecnológico específico) en términos de contenido de COV. Aquí presentamos los protocolos experimentales que ejemplifican diferentes aplicaciones posibles de nuestra metodología: la detección de COV liberados durante la fermentación con ácido láctico de yogur (monitoreo en línea de bioprocesos), el monitoreo de COVs asociados a diferentes cultivares de manzana (cribado a gran escala) , Y el estudio in vivo de la liberación retronasal de COV durante el consumo de café (análisis del espacio nasal).
Introduction
Las tecnologías de espectrometría de masas de inyección directa (DIMS) representan una clase de enfoques instrumentales analíticos que ofrecen una resolución considerable de masa y tiempo con alta sensibilidad y robustez, permitiendo la rápida detección y cuantificación de compuestos orgánicos volátiles 1 . Estos enfoques instrumentales incluyen, entre otros, MS-e-nose, Espectrometría de Masa de Ionización Química a Presión Atmosférica (APCI-MS), Espectrometría de Masas de Reacción de Transferencia de Protones (PTR-MS) y Espectrometría de Masa de Tubo de Ion SIFT-MS) 1 . Los pros y los contras de cada enfoque dependen de: el tipo de inyección de la muestra, la fuente y el control de los iones precursores, el control del proceso de ionización y el analizador de masa 1 , 2 .
La espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones (PTR-MS) fue desarrollada hace más de veinte años para monitorear en tiempo real y wiLos límites de detección bajos (por lo general unos pocos ppbv, parte por mil millones por volumen) la mayoría de los compuestos orgánicos volátiles (COV) en el aire 3 , 4 . Los usos actuales de PTR-MS abarcan desde aplicaciones médicas hasta control de alimentos, hasta investigación ambiental 5 , 6 . Las principales características de esta técnica son: la posibilidad de medición rápida y continua, la fuente intensa y pura de iones precursores, y la posibilidad de controlar las condiciones de ionización (presión, temperatura y tensión de deriva). Estas características permiten combinar usos versátiles con un alto grado de estandarización 1 , 4 . De hecho, el método se basa en reacciones de iones hidronio (H $ ₃ $ O $ ⁺ $ ), que inducen la transferencia de protones no disociativos en la mayoría de los compuestos volátiles (particularmente en aquellos caracterizados por una afinidad del protón superior al agua), compuestos neutros protonantes(M) de acuerdo con la reacción: H $ ₃ $ O + + M → H $ ₂ $ O + MH $ ⁺ $ . En contraste con otras técnicas, por ejemplo , APCI-MS, la generación de iones precursores y la ionización de muestras se dividen en dos compartimentos instrumentales diferentes (en la Figura 1 se muestra una representación esquemática del instrumento PTR-MS). Una descarga eléctrica por vapor de agua en la fuente de iones de cátodo hueco genera un haz de iones hidronio. Después de esta fase, los iones cruzan el tubo de deriva, donde tiene lugar la ionización de los COV 7 . Los iones entran entonces en una sección de extracción de impulsos y se aceleran en la sección TOF. A través de los tiempos de vuelo, es posible determinar las relaciones masa-carga de los iones 8 . Cada impulso de extracción conduce a un espectro de masas completo 8 de la gama m / z seleccionada. Los espectros de iones se registran mediante un sistema rápido de adquisición de datos 7 . Un espectro completo es típicamenteAdquirida en un segundo, aunque se puede lograr una mayor resolución en el tiempo de acuerdo con el nivel de se~nal a ruido y se puede proporcionar una estimación cuantitativa de la concentración de espacio de cabeza de VOC incluso sin calibración 9 , 10 .
Figura 1: Ilustración esquemática de un PTR-MS. Representación esquemática del instrumento PTR-MS. HC: fuente de iones externa con cátodo hueco; SD: derivación de la fuente; VI, entrada de tipo venturi; EM, multiplicador de electrones; FC1-2, controladores de flujo. Reproducido con permiso de Boschetti et al. 7 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
11 . El PTR es de considerable interés en las ciencias ambientales, atmosféricas, alimentarias, tecnológicas, médicas y biológicas 12 .
Los COV asociados con las matrices alimentarias son de gran interés en la ciencia y tecnología de los alimentos debido a su importante papel en la base molecular de los fenómenos biológicos relacionados con la percepción del olor y el sabor y, por lo tanto, en la aceptación de los alimentos. Por lo tanto, nuestro interés en el tiempo real y la detección no invasiva de COV trata principalmente de las cualidades sensoriales de los alimentos. Además, si consideramos la posibilidad de detectar deterioro y microorganismos patógenos por medio de VOCs 13 liberados y / o monitorear compuestos orgánicos volátiles como marcadores follo( Por ejemplo, los subproductos de Maillard durante los tratamientos térmicos) 14 , queda claro cómo la identificación y cuantificación de COV son campos de interés en la gestión de la calidad de los alimentos 6 . Varios usos recientes de las tecnologías PTR-MS para el monitoreo y cuantificación rápidos de COV en matrices alimentarias demuestran el amplio rango de aplicación de estos enfoques analíticos ( Tabla 1 ).
| Matriz de alimentos | Tipo de aplicación | Breve descripción | Referencia |
| Mantequilla | Proyección / caracterización | Origen geográfico de las mantequillas europeas | 15 |
| Yogur | Monitoreo de Bioprocesos | Evolución durante la fermentación del ácido lácticoMentación | dieciséis |
| Barras de cereal | Medición in vivo | Nosespace durante el consumo de barras de cereales con composición de azúcar variable | 17 |
| Sistemas de modelos líquidos | Condiciones orales simuladas | Evaluación de la presión de la lengua y de las condiciones bucales en boca modelo | 18 |
| manzana | Medición in vivo | Nosespace durante el consumo de manzana con diferentes parámetros genéticos, texturales y físico-químicos | 19 |
| café | Proyección / caracterización | Diferenciación de cafés especiales | 20 |
| Mosto de uva | Proyección / caracterización | Efecto del proceso de cocción | 21 |
| Caramelos con sabor | Medición in vivo | Determinación de los panelistas que utilizanMétodos directos de espectrometría de masas | 22 |
| jamón | Proyección / caracterización | Efecto del sistema de cría de cerdos | 23 |
| Pan de molde | Condiciones orales simuladas | Simulación del aroma del pan durante la masticación | 24 |
| Leche | Proyección / caracterización | Control de cambios dinámicos inducidos por fotooxidación en la leche | 25 |
| café | Proyección / caracterización | Diversidad en cafés tostados de diferentes orígenes geográficos | 26 |
| Pan de molde | Monitoreo de Bioprocesos | Efecto de diferentes iniciadores de levadura durante la fermentación alcohólica | 27 |
| café | Medición in vivo | Nosespace durante el consumo de diferentes preparaciones de café tostado | 28 |
| Proyección / caracterización | Impacto de la ubicación de la producción, el sistema de producción y la variedad | 29 | |
| Pan de molde | Monitoreo de Bioprocesos | Efecto de harina, levadura y su interacción durante la fermentación alcohólica | 30 |
| Hongos | Proyección / caracterización | Vida útil de setas secas de porcini | 31 |
| Yogur | Monitoreo de Bioprocesos | Efecto de diferentes cultivos iniciadores durante la fermentación láctica | 32 |
| manzana | Proyección / caracterización | Diversidad en una colección de germoplasma de manzana | 33 |
| café | Proyección / caracterización | Seguimiento del origen del café | 34 |
| café | Medición in vivo | Combinación de unEl método sensorial dinámico y el análisis in situ del espacio nasal para entender la percepción del café | 35 |
Tabla 1: Lista de estudios científicos utilizando PTR-ToF-MS en el sector alimentario. Lista no exhaustiva de estudios científicos que utilizan enfoques basados en PTR para supervisar el contenido de COV en experimentos relacionados con los alimentos.
En estudios recientes, se informó sobre la aplicación de PTR-ToF-MS, junto con un sistema de muestreo automatizado y herramientas de análisis de datos a medida para aumentar la automatización de muestreo y la fiabilidad y, en consecuencia, para aumentar el potencial de esta técnica [ 7 , 10 , 13] . Esto permitió analizar la influencia de varios modos experimentales en la liberación de COV ( por ejemplo, diferentes concentracionesDe un determinado ingrediente, diversas intensidades de un parámetro tecnológico específico), y para monitorear los COV asociados con un determinado bioproceso ( por ejemplo, oxidación enzimática, fermentación alcohólica). En este sentido, para ejemplificar el potencial de PTR-ToF-MS en el sector agroalimentario, presentamos tres aplicaciones paradigmáticas: la detección de COV liberados durante la fermentación con ácido láctico de yogur inducida por diferentes cultivos iniciadores microbianos (monitoreo en línea de bioprocesos ), El monitoreo de COVs asociados a diferentes cultivares de manzanas (screening a gran escala) y el estudio in vivo de la liberación retronasal de COV mientras se toma café (análisis del espacio nasal).
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Protocol
El protocolo sigue las directrices de nuestro comité institucional sobre la ética de la investigación humana.
1. Preparación de muestras y condiciones del muestreador automático
- Monitoreo en línea de bioprocesos: detección de COV liberados durante la fermentación con ácido láctico de yogur
NOTA: Esta sección del protocolo representa parte del procedimiento informado por Benozzi et al. 32- Agregue 5 mL de leche pasteurizada a cada vial (viales de vidrio de 20 mL equipados con PTFE / septos de silicona). Observe el tipo de leche utilizada y caliente rápidamente las muestras a 45 ° C. Transferirlos a un automuestreador multifuncional GC equipado con una bandeja de temperatura controlada (45 ° C).
- Utilice el brazo robótico del autoamplificador para inocular los viales con los cultivos iniciadores microbianos (de acuerdo con las especificaciones del fabricante del cultivo de arranque). Ajustar el tiempo de incubación según la tipología del yogur deseado y la especificaciónS informado por el fabricante de la cultura de arranque. Establecer el muestreador automático para analizar convenientemente una muestra después de la otra, obteniendo un monitoreo en línea de VOC de fermentación de ácido láctico durante la preparación de yogur.
- Proyección a gran escala: vigilancia de los COV asociados a diferentes genotipos de manzana
NOTA: Esta sección del protocolo representa parte del procedimiento informado por Farneti et al. 33 , 36- Ejemplo de manzanas en la fase deseada de maduración / conservación ( por ejemplo, en la etapa de cosecha comercial). Seleccione por lo menos cinco frutas homogéneas sin ningún daño visible por cada clon. Guarde las manzanas durante el período deseado a temperatura ambiente (25 ° C) o refrigere (4 ° C).
- Recoja cinco discos cilíndricos (1,7 cm de diámetro y 1 cm de espesor) de cada manzana con un muestreador de hoja de carne. Incluya una parte del tejido de la corteza, y evite la porción del núcleo con las semillas.Homogeneizar inmediatamente las muestras y congelar en nitrógeno líquido. Almacenar a -80 ° C hasta su análisis.
- Antes del análisis, colocar tres repeticiones de la muestra de 2,5 g de manzana de cada replicación biológica en los viales (viales de vidrio de 20 ml equipados con PTFE / septos de silicona). Mezclar la muestra con 2,5 ml de agua desionizada, 1 g de cloruro de sodio, 12,5 mg de ácido ascórbico y 12,5 mg de ácido cítrico, y mantener las muestras a 4 ° C hasta el análisis (máximo 3 días).
- Incubar las muestras a 40 ° C y luego configurar el muestreador automático para analizar automáticamente los COV.
- Análisis de Nosespace: estudio de la liberación retronasal de COV durante el consumo de café
NOTA: Esta sección del protocolo representa parte del procedimiento informado por Romano et al. 28- Preparar el café preparado de las muestras de café molido.
- Utilice una máquina de café: informe de la relación agua / polvo, el tipo de agua mineral utilizada,El tipo de cafetera y el procedimiento adoptado para obtener la bebida de café (las cantidades son función de la dimensión de la cafetera).
- Utilice una cafetera de seis tazas, conocida en Italia como "moka", usando 450 ml de agua y 30 g de café en polvo. Colocar el café en un recipiente y transferirlo en un baño de agua termostático (60 ° C).
- Para cada infusión de café, transfiera alícuotas de 7,5 ml a una taza de poliestireno (40 ml) con una tapa de plástico. Cada panelista debe probar la bebida de acuerdo con el protocolo: i) 30 s de respiración libre, ii) un solo sorbo de café, seguido de un trago rápido, y iii) 3 min de respiración en una nariz de vidrio ergonómico 28 .
- Repetir todo el experimento durante tres días consecutivos, aleatorizando el orden de las muestras de café y los panelistas cada día.
- Realice el muestreo aplicando una pieza ergonómica de uso único en caucho de silicona a la nariz de los panelistas. Conecte el nA través de un tubo PEEK que no se calienta sólo en la primera parte en contacto con el cuerpo del panel, a continuación se calienta a 110 ° C en una manguera de entrada, que conecta la interfaz de muestreo con el PTR-MS instrumento.
NOTA: En la Tabla 2 se presenta una lista de productos analizados con procedimientos análogos a los reportados por Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 , y Romano et al. 28 .
- Preparar el café preparado de las muestras de café molido.
| Matriz de alimentos | Número y tipo de muestras | Referencia |
| manzana | Los autores revisaron una colección representada por 190 accesiones, compuestas por cultivares de manzana vieja y nueva | 33 |
| Yogur | Se analizaron cuatro iniciadores en términos de COV liberados durante la fermentación láctica de yogur (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 |
| café | Se utilizaron tres tipos diferentes de café molido obtenidos de una sola mezcla pura de café Arábica: asado mediano, asado oscuro y asado medio descafeinado | 28 |
Tabla 2: Lista de productos analizados. Lista de productos analizados con procedimientos análogos a los reportados por Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 , y Romano et al. 28
2. Diseño Experimental y Precauciones Prácticas
- Realizar al menos tres réplicas biológicas inter-díaTes, cada una con tres repeticiones técnicas, para cada modo experimental.
- Antes de la incubación y análisis de la muestra, lave el espacio de cabeza con aire limpio durante 1 min a 200 sccm por cada vial.
- Preparar un blanco para cada modo experimental, incubar y analizar el blanco en las mismas condiciones de las muestras.
- Aleatorizar el orden de las muestras / espacios en blanco para el análisis.
- Al igual que otros métodos utilizados para detectar COV, limitar el uso de perfumado productos de cuidado personal, así como la goma y los cigarrillos, antes de usar el instrumento. Tapar firmemente todos los productos químicos volátiles en el laboratorio, y controlar las corrientes de aire lo más posible durante las pruebas 37 .
3. PTR-MS Optimización y Análisis de Instrumentos
NOTA: Las condiciones instrumentales se describen en las referencias ( por ejemplo, Makhoul et al ., 27 ).
- Realizar mediciones del espacio de cabeza de las muestras con un commerciAl PTR-ToF-MS en el modo de configuración estándar.
- Inyecte directamente aire en el espacio libre del tubo de derivación PTR-MS sin ningún tratamiento. Hay un flujo continuo de aire de muestra a través de la PTR-MS, de modo que la inyección se consigue simplemente insertando el extremo de la entrada de PTR-MS en el espacio de cabeza de la muestra.
- Establecer y verificar constantemente las siguientes condiciones de ionización en el tubo de deriva: 110 ° C temperatura del tubo de deriva, 2,30 mbar de presión de deriva, 550 V de voltaje de deriva. Esto conduce a una relación E / N de aproximadamente 140 Td (1 Td = 10 - 17 cm ^ { 2 } V - 1 s - 1 ). La línea de entrada consiste en un tubo capilar PEEK (diámetro interior 0,04 pulgadas) calentado a 110 ° C. De forma predeterminada, establezca el flujo de entrada en 40 sccm.
- Ajustar el tiempo de muestreo por canal de adquisición de ToF a 0,1 ns, ascendiendo a 350.000 canales para un espectro de masas que varía hasta m / z = 400. Cada espectro es la suma de aproximadamente 28.600 adquisiciones que duran 35Μs cada uno, resultando en una resolución de tiempo de 1 s.
NOTA: Los espectros se almacenan continuamente. Las señales espectrométricas crecen desde un nivel de fondo hasta un valor estable en pocos segundos (el tiempo necesario para reemplazar el gas en las líneas de entrada) y sólo los espectros adquiridos después de este transitorio se consideran en un análisis posterior.
4. Análisis de datos personalizados
NOTA: El análisis de datos a medida se ha desarrollado utilizando un procedimiento en MATLAB.
- Corregir las pérdidas de recuento debido al tiempo muerto del detector de iones a través de una metodología basada en las estadísticas de Poisson como se describe por Cappellin et al. 10 .
- Realice la calibración interna de acuerdo con un procedimiento descrito por Cappellin et al. 38 para lograr una buena precisión de masa (hasta 0,001 Th).
- Realizar una anotación compuesta comparando los datos espectrales obtenidos con los datos de fragmentación de los estándares de referencia y con los datos rEn la literatura científica.
- Realizar la reducción del ruido, la eliminación de la línea de base y la intensidad máxima de extracción de acuerdo con Cappellin et al. 39 , utilizando Gaussianos modificados para adaptarse a los picos.
- Calcular la intensidad máxima en ppbv (partes por billón en volumen) a través de la fórmula descrita por Lindinger et al. 5 , utilizando el coeficiente de velocidad de reacción apropiado o un valor constante para el coeficiente de velocidad de reacción (k = 2,10 - 9 cm3 s - 1 ), cuando no se conoce el compuesto subyacente. Este último introduce un error sistemático de hasta el 30% que puede ser contabilizado si se conoce el coeficiente real 40 .
- Mine los datos realizando Análisis de Componentes Principales, Análisis de Varianza, prueba post-hoc de Tukey y otros análisis / análisis estadísticos adaptando paquetes existentes desarrollados usando R ( por ejemplo, Cappellin et al.
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Representative Results
El perfil volátil de las muestras dio como resultado un espectro de masas completo para el intervalo de masa deseado adquirido cada segundo. En la Figura 2 , se da un ejemplo del espectro medio adquirido durante el bioproceso en línea de yogur 32 . En cada espectro, se pueden identificar más de 300 picos de masa en el rango m / z hasta 250 Th.
Figura 2: Espectros de PTR-ToF-MS promedio de una muestra de leche inoculada durante la fabricación de yogur. Región de baja masa de los espectros PTR-ToF-MS promedio de una muestra de leche inoculada durante la fabricación de yogur: se han identificado más de 300 picos de masa en el intervalo m / z hasta 250 Th. Reproducido con permiso de Benozzi et al. 32 .Ove.com/files/ftp_upload/54075/54075fig2large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En los siguientes casos, presentamos los resultados obtenidos utilizando el análisis de datos adaptado sugerido, para las tres aplicaciones descritas en el protocolo. Hacemos hincapié en que el análisis completo de los datos se puede realizar en uno o unos pocos días por software adaptado desarrollado en nuestro laboratorio 10 , 40 . En la Figura 3 , respecto a la detección de VOC durante la fermentación con ácido láctico de yogur (monitoreo en línea de bioprocesos), mostramos diferentes cinéticas de fermentación de nueve picos de masa seleccionados correspondientes a cuatro cultivos iniciadores comerciales diferentes [ 32] . Si el pico molecular está saturado, como en el caso del acetaldehído en este ejemplo, se puede usar el isotopólogo 13 C correspondiente para estimar la concentraciónCión.
La mayoría de estos volátiles exhibieron cinética clásica de tipo microbiano, con una fase de retraso inicial, seguida por una fase de crecimiento y una fase post-log 32 . Curiosamente, el análisis en línea nos permitió resaltar, por primera vez, una cinética de agotamiento particular para cuatro compuestos que contienen azufre ( por ejemplo, cinética reportada para metanethiol, Figura 3e ).
Figura 3: Cinética de fermentación de nueve picos de masa seleccionados durante la fermentación de yogur utilizando cuatro cultivos iniciadores diferentes. Cinética de fermentación de nueve picos de masa seleccionados: ( a ) acetaldehído, ( b ) diacetilo, ( c ) ácido 2-hidroxi-3-pentanona / pentanoico, ( d ) benzaldehído, ( e )Hanethiol, ( f ) acetoin, ( g ) ácido butanoico, ( h ) 2-butanona, ( i ) ácido heptanoico (medios de tres repeticiones ± desviación estándar) (identificación tentativa). Círculo abierto (○), leche no inoculada; Cuadrado lleno (■), círculo relleno (●), triángulo relleno (▲) y rómbi relleno (♦), corresponden a cuatro diferentes arrancadores microbianos singularmente utilizados para pilotar la fermentación de yogur. Los asteriscos indican diferencias estadísticamente significativas (ANOVA, p <0,05) entre los iniciadores comerciales. Reproducido con permiso de Benozzi et al. 32 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Recientemente, hemos detectado VOC asociados con una gran colección de manzanas representadas por 190 accessioNs (ejemplo de aplicación posible para el cribado a gran escala) 33 . El dendrograma horizontal basado en el inventario de COV definido asociado a la colección destaca la presencia de seis grupos principales, principalmente determinados por ésteres y alcoholes ( Figura 4 ). Estos hallazgos nos llevaron a definir un índice de alcoholes / ésteres y proponerlo como un nuevo descriptor de calidad de fruta adecuado como una caracterización adicional de manzanas [ 33] .
Figura 4: Mapa de calor y dendrogramas jerárquicos bidimensionales de los patrones VOC evaluados en 190 accesiones de manzana por PTR-ToF-MS. Mapa de calor y dendrogramas jerárquicos bidimensionales de los patrones VOC evaluados en 190 accesiones de manzana por PTR-ToF-MS (usando un umbral de 25 ppbv). Los cultivares de Apple se agrupan y se agrupan por filas, mientras que los VOCLos compuestos se organizan por columnas. Los grupos de cultivos se definen por los números 1 a 6 y los grupos de compuestos se definen por las letras A a D. Reimpreso con permiso de Farneti et al. 33 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Concluimos esta sección con resultados que atestiguan la posible aplicación de PTR-ToF-MS en el estudio in vivo de la liberación retronasal de COV (análisis del espacio nasal). La figura 5 (lado izquierdo) describe los perfiles acumulativos para cinco probadores de café representados mediante parcelas radiales, una solución gráfica típica del análisis sensorial 28 . En este estudio, se prepararon muestras de café molido medio tostado asado oscuro y descafeinado de una sola mezcla pura de arábicaCinco panelistas 28 . Los resultados demostraron la presencia de diferencias reproducibles y relevantes entre los panelistas, como es evidente para los panelistas p1 y p2 en la Figura 5 (lado derecho) [ 28] .
Figura 5: Gráficos radiales que representan perfiles de liberación para un parámetro seleccionado ( es decir, área) y tres tipos de café. Parcelas radiales que representan los perfiles de liberación para un parámetro seleccionado ( es decir, área) y tres tipos de café (asado mediano, asado oscuro y asado de café descafeinado que proviene de una única mezcla de arábica pura). A la izquierda: perfiles acumulativos para cinco panelistas; A la derecha: perfiles individuales para dos panelistas seleccionados (es decir, p1 y p2). Los valores se escalaron dividiendo por las desviaciones estándar respectivas. Las bandas semicirculares Los márgenes exteriores representan las clases químicas, basadas en la identificación tentativa del pico. Los círculos indican diferencias significativas entre los tipos de café (ANOVA y prueba de Tukey, p <0,05). Reimpreso con permiso de Romano et al. 28 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Ejemplo de cromatogramas rápidos de GC PTR-ToF-MS. Cromatogramas obtenidos de un vino tinto (seis repeticiones) y cuatro picos seleccionados, tentativamente atribuidos a ésteres. Reimpreso con permiso de Romano et al. 45 .Et = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
La espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones (PTR-MS) acoplada a los analizadores de masa de tiempo de vuelo (ToF) representa un compromiso válido entre la necesidad de identificación y cuantificación de compuestos orgánicos volátiles y la necesidad de perfiles analíticos rápidos. La alta resolución de masa que caracteriza al analizador de masas ToF proporciona sensibilidad y espectros de masas relevantes con considerable contenido informacional. Además, la aplicación de PTR-ToF-MS junto con un auto-sampler y herramientas de análisis de datos a medida que aumentan el grado de automatización, aumenta las potencialidades de esta técnica.
En los muchos campos de investigación y tecnología donde la detección de compuestos volátiles puede ser relevante, la ciencia y la tecnología de los alimentos, en particular, requieren sensibilidad, resolución en tiempo alto y análisis directo. Por un lado, los métodos de referencia para el análisis de COV se basan en la cromatografía de gases, que proporciona más especificidad pero es iNtrinsecamente más lento y puede lograr una sensibilidad similar sólo al precio de procedimientos adicionales de pretratamiento o concentración. Algunos análisis rápidos, como el espacio de la nariz, no se pueden realizar con métodos basados en GC. Otros estudios de pantalla de muchas muestras utilizando PTR-MS y GC como enfoques complementarios: PTR_MS permite las mediciones de conjuntos de muestras muy grandes, mientras que el análisis por GC de subconjuntos reducidos proporciona información adicional para una mejor interpretación de los datos PTR-MS 40 . Por otro lado, se han propuesto otros enfoques rápidos para el análisis de COV, por ejemplo , aquellos basados en e-nose o MS-e-nose o sensores específicos. Estos son mucho menos costosos en comparación con PTR-MS, pero generalmente proporcionan una sensibilidad muy baja.
El análisis PTR-ToF-MS proporciona información sobre la masa de los picos espectrométricos observados, que generalmente no es suficiente para la identificación de compuestos sin ambigüedad. Además, a pesar de la ionización química suave, el protónLa fragmentación inducida por la ansferencia no siempre es despreciable. En algunos casos, el patrón de fragmentación puede ser de ayuda en la identificación tentativa 41 . Sin embargo, surge la necesidad de soluciones tecnológicas que mejoren la capacidad analítica de PTR-ToF-MS. En relación con este punto, un interesante desarrollo de la técnica está representado por el uso de otros iones primarios distintos de H 3 O + . El sistema de iones reactivos conmutable (SRI) 4 puede producir alternativamente en la misma fuente de cátodo hueco diferentes iones parentales, tales como NO + y O 2 + . Este enfoque, que cambia las condiciones de ionización y, en consecuencia, el fragmento y formación de conglomerados, aumenta el número de compuestos que son detectables y permite la separación de algunos compuestos isoméricos [ 42 , 43] . Algunas aplicaciones en ciencia y tecnología de los alimentos ya están disponibles, como VOC detErinización en el jamón seco 23 , café 34 y determinación del etileno en frutos 43 . Otra solución tecnológica adecuada para hacer frente a dificultades en la identificación exacta de compuestos está representada por la metodología rápida GC / PTR-ToF-MS 44 . Debido a los tiempos de separación reducidos, el GC rápido aumenta las capacidades analíticas, sin comprometer el rendimiento analítico de PTR-ToF-MS 44 . El valor añadido de la técnica está bien representado en la Figura 6 , representando los cromatogramas obtenidos para cuatro picos tentativamente identificados como fragmentos de éster del espacio de cabeza de un vino tinto 45 . Además de la importante separación de diferentes fragmentos isoméricos dentro del mismo pico, se mostró un interesante efecto secundario deseado de la aplicación de una etapa rápida de separación cromatográfica mediante la rápida elución (y consecuentemente, eliminatio sustancialN) de etanol. De hecho, el etanol provoca un efecto no deseado en el análisis basado en PTR de matrices alcohólicas debido a la reducción de iones hidronio y de la consiguiente formación de dímeros y trímeros (clones de etanol, clusters de etanol y agua y fragmentos correspondientes), dando lugar a la presencia De picos que comprometieron sustancialmente la interpretación de espectros correcta 46 . Más recientemente, se han propuesto otros desarrollos para mejorar la sensibilidad de los aparatos PTR-MS que aún no han sido probados en la ciencia y tecnología de los alimentos 47 , 48 .
En conclusión, el análisis rápido y no invasivo de PTR-ToF-MS de compuestos volátiles, junto con el muestreo automático y el manejo y análisis de datos adaptados proporcionan una nueva herramienta que permite abordar de manera eficiente varios temas en ciencia y tecnología alimentaria y complementa los resultados obtenibles por otras técnicas .
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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
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