Abstract
Proton Transfer Reaction (PTR), gecombineerd met een Time-of-Flight (ToF) Mass Spectrometer (MS) is een analytische aanpak gebaseerd op chemische ionisatie die behoort tot de Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) technologieën. Deze technieken laten de snelle bepaling van vluchtige organische verbindingen (VOC's) toe, waardoor hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid worden gewaarborgd. In het algemeen vereist PTR-MS geen monsterbereiding of steekproefvernietiging, waardoor realtime en niet-invasieve analyse van monsters mogelijk is. PTR-MS worden uitgebuit op vele gebieden, van milieu- en atmosferische chemie naar de medische en biologische wetenschappen. Meer recent ontwikkelden we een methodologie op basis van koppeling PTR-ToF-MS met een geautomatiseerde sampler en op maat gemaakte data analyse tools, om de mate van automatisering te verhogen en derhalve het potentieel van de techniek te vergroten. Deze aanpak liet ons toezicht op bioprocessen ( bijv. Enzymatische oxidatie, alcoholische fermentatie), om grote steekproefsetjes te screenen (Bijv. Verschillende herkomst, gehele germoplasma's) en analyseren verschillende experimentele modi ( bijv. Verschillende concentraties van een bepaald ingrediënt, verschillende intensiteiten van een specifieke technologische parameter) in termen van VOC-inhoud. Hierbij rapporteren we de experimentele protocollen die verschillende mogelijke toepassingen van onze methodologie illustreren: de detectie van VOC's die worden vrijgelaten tijdens de melkzuurfermentatie van yoghurt (on-line bioprocesmonitoring), de monitoring van VOC's die verband houden met verschillende appelcultivars (grootschalige screening) , En de in vivo studie van retronasale VOC release tijdens koffie drinken (nosespace analyse).
Introduction
Direct-Injection Mass Spectrometric (DIMS) technologieën vormen een klasse van analytische instrumentale benaderingen die aanzienlijke massa- en tijdresolutie bieden met hoge gevoeligheid en robuustheid, waardoor de snelle detectie en kwantificering van vluchtige organische verbindingen (VOC's) 1 mogelijk zijn . Deze instrumentale benaderingen omvatten onder andere MS-e-noses, atmosferische-druk chemische ionisatie massaspectrometrie (APCI-MS), proton-transfer-reactie massaspectrometrie (PTR-MS) en geselekteerde Ion-Flow-Tube Massaspectrometrie ( SIFT-MS) 1 . De voordelen en nadelen van elke aanpak zijn afhankelijk van: het soort monsterinjectie, de bron en de controle van precursor ionen, de controle van het ionisatieproces en de massaanalysator 1 , 2 .
Proton-overdracht-reactie massaspectrometrie (PTR-MS) is meer dan twintig jaar geleden ontwikkeld om in real-time en wiDe lage detectiegrenzen (meestal een paar ppbv, deel per miljard in volume) de meeste vluchtige organische verbindingen (VOC's) in lucht 3 , 4 . Huidig gebruik van PTR-MS varieert van medische toepassingen, naar voedselcontrole, naar milieuonderzoek 5 , 6 . De belangrijkste kenmerken van deze techniek zijn: de mogelijkheid van snelle en continue meting, de intense en zuivere bron van precursor ionen, en de mogelijkheid om ioniseringsomstandigheden (druk, temperatuur en drijfspanning) te beheersen. Deze functies maken het mogelijk veelvoudige toepassingen te combineren met een hoge mate van standaardisatie 1 , 4 . In feite is de methode gebaseerd op reacties van hydroniumionen (H3O + ), die niet-dissociatieve protonoverdracht in de meeste vluchtige verbindingen veroorzaken (in het bijzonder bij die die worden gekenmerkt door een protonaffiniteit hoger dan water), protonerende neutrale verbindingen(M) volgens de reactie: H3O + + M → H20 + MH + . In tegenstelling tot andere technieken, bijvoorbeeld APCI-MS, precursor iongeneratie en monster ionisatie zijn verdeeld in twee verschillende instrumentale compartimenten (een schematische weergave van het PTR-MS instrument is gegeven in Figuur 1 ). Een elektrische ontlading door waterdamp in de holle kathode ionbron genereert een bundel hydroniumionen. Na deze fase overschrijden ionen de drijfbuis, waar de ionisatie van VOC's plaatsvindt 7 . Ionen dan een puls extractie sectie en worden versneld in de TOF sectie. Via vluchttijden is het mogelijk om de massa-op-ladingverhoudingen van de ionen 8 te bepalen . Elke extractiepuls leidt tot een compleet massaspectrum 8 van het geselecteerde m / z bereik. Ion-spectra worden opgenomen door een snel data-acquisitie systeem 7 . Een volledig spectrum is typischVerworven in een seconde, alhoewel hogere tijdresolutie kan worden bereikt volgens het signaal naar het geluidsniveau en een kwantitatieve schatting van de VOC-hoofdruimteconcentratie kan zelfs zonder kalibratie 9 , 10 worden verschaft.
Figuur 1: Schematische illustratie van een PTR-MS. Schematische weergave van het PTR-MS instrument. HC: externe ionbron met holle kathode; SD: source drift; VI, venturi-type inlaat; EM, elektronenvermenigvuldiger; FC1-2, flow controllers. Reprinted met toestemming van Boschetti et al. 7 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
11 . PTR is van groot belang in de milieu-, atmosferische, voedsel-, technologische, medische en biologische wetenschappen 12 .
VOC's die verband houden met voedingsmatrices hebben een uitstekende interesse in voedselwetenschappen en technologie vanwege hun belangrijke rol in de moleculaire basis van biologische fenomenen die verband houden met geur- en smaakperspectie en dus bij voedselacceptatie. Vandaar dat onze interesse in real-time en niet-invasieve detectie van VOC's vooral betrekking heeft op sensorische kwaliteiten van voedsel. Bovendien, als we de mogelijkheid beschouwen om spoilage en pathogene micro-organismen te detecteren door middel van vrijgegeven VOC's 13 en / of om vluchtige organische verbindingen te monitoren als markers folloVleugel technologische processen ( bijv. Maillard bijproducten tijdens thermische behandelingen) 14 , wordt duidelijk hoe VOC identificatie en kwantificering belanghebbende gebieden zijn in voedselkwaliteit management 6 . Verscheidene recente toepassingen van PTR-MS-technologieën voor het snel monitoren en kwantificeren van VOC's in voedingsmatrices getuigen van het brede toepassingsgebied van deze analytische benaderingen ( tabel 1 ).
| Food matrix | Soort aanvraag | Korte beschrijving | Referentie |
| Boter | Screening / karakterisatie | Geografische oorsprong van Europese boters | 15 |
| Yoghurt | Bioproces monitoring | Evolutie tijdens melkzuurlegging | 16 |
| Graanrepen | In vivo meting | Nosespace tijdens consumptie van graangewassen met wisselende suiker samenstelling | 17 |
| Vloeibare modelsystemen | Gesimuleerde mondelinge aandoeningen | Evaluatie van de tongdruk en de mondelinge condities in een modelmond | 18 |
| appel | In vivo meting | Nosespace tijdens consumptie appel met verschillende genetische, texturale en fysicochemische parameters | 19 |
| Koffie | Screening / karakterisatie | Differentiatie van speciale koffies | 20 |
| Druivenmost | Screening / karakterisatie | Effect van het koken proces | 21 |
| Gegeurde snoepjes | In vivo meting | Bepaling op panelisten die anders gebruikenDirecte massaspectrometrische methoden | 22 |
| Ham | Screening / karakterisatie | Effect van het varkensopvangsysteem | 23 |
| Brood | Gesimuleerde mondelinge aandoeningen | Simuleren van broodaroma tijdens masticatie | 24 |
| Melk | Screening / karakterisatie | Monitoring van fotooxidatie-geïnduceerde dynamische veranderingen in melk | 25 |
| Koffie | Screening / karakterisatie | Diversiteit in geroosterde koffie uit verschillende geografische afkomst | 26 |
| Brood | Bioproces monitoring | Effect van verschillende gistbeginners tijdens alcoholische fermentatie | 27 |
| Koffie | In vivo meting | Nosespace tijdens het verbruik van verschillende geroosterde koffiebereidingen | 28 |
| Screening / karakterisatie | Impact van productieplaats, productiesysteem en verscheidenheid | 29 | |
| Brood | Bioproces monitoring | Effect van bloem, gist en hun interactie tijdens alcoholische fermentatie | 30 |
| champignons | Screening / karakterisatie | Houdbaarheid van gedroogde porcini paddestoelen | 31 |
| Yoghurt | Bioproces monitoring | Effect van verschillende starterculturen tijdens lactische fermentatie | 32 |
| appel | Screening / karakterisatie | Diversiteit in een appel germplasm collectie | 33 |
| Koffie | Screening / karakterisatie | Opsporen van koffie oorsprong | 34 |
| Koffie | In vivo meting | Combinatie van eenDynamische sensorische methode en in-vivo nosespace analyse om de perceptie van koffie te begrijpen | 35 |
Tabel 1: Lijst van wetenschappelijke studies met behulp van PTR-ToF-MS in de voedingssector. Niet-exhaustieve lijst van wetenschappelijke studies met behulp van PTR-gebaseerde benaderingen om VOC-inhoud in voedselgerelateerde experimenten te controleren.
In recente studies hebben we gerapporteerd over de toepassing van PTR-ToF-MS in combinatie met een geautomatiseerd bemonsteringssysteem en aangepaste data analyse tools om de bemonstering automatisering en betrouwbaarheid te vergroten en derhalve het potentieel van deze techniek 7 , 10 , 13 te verbeteren. Hierdoor kunnen we, in termen van VOC-inhoud, grote monsters ( bijv. Voedsel van verschillende oorsprong met veel replicaten, hele germoplasma's) screenen om de invloed van diverse experimentele modi op VOC-vrijlating te analyseren ( bijv. Verschillende concentratiesVan een bepaald ingrediënt, verschillende intensiteiten van een specifieke technologische parameter), en om VOC's te controleren die geassocieerd zijn met een bepaalde bioproces ( bijv. Enzymatische oxidatie, alcoholische fermentatie). Om het potentieel van PTR-ToF-MS in de agro-voedingssector te illustreren, presenteren we hier drie paradigmatische toepassingen: de detectie van VOC's die worden vrijgelaten tijdens de melkzuurgisting van yoghurt geïnduceerd door verschillende microbiële startculturen (online bioprocesmonitoring ), De monitoring van VOC's in verband met verschillende appelcultivars (grootschalige screening) en de in vivo studie van retronasale VOC-vrijlating tijdens het drinken van koffie (nosespace-analyse).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het protocol volgt de richtlijnen van ons institutioneel comité voor de menselijke onderzoeksetiek.
1. Voorbeeld Voorbereiding en Autosampler Voorwaarden
- On-line bioproces monitoring: het detecteren van VOC's die vrijkomen tijdens de fermentatie van yoghurt in melkzuur
OPMERKING: Dit gedeelte van het protocol is een onderdeel van de procedure die door Benozzi et al is gemeld . 32- Voeg 5 ml gepasteuriseerde melk toe aan elke injectieflacon (20 ml glazen flesjes voorzien van PTFE / silicone septa). Let op het type melk dat gebruikt wordt en snel de monsters verhogen tot 45 ° C. Breng ze over naar een multifunctionele GC autosampler die uitgerust is met een temperatuurregelaar (45 ° C).
- Gebruik de robotarm van de autosampler om de injectieflacons met de microbiële startculturen in te voeren (volgens de specificaties van de fabrikant van de startercultuur). Stel de incubatietijd in volgens de typologie van de gewenste yoghurt en op de specificatieS gerapporteerd door starterkwekerij fabrikant. Stel de autosampler in om een monster na de andere handig te analyseren, waarbij een online VOC-monitoring van melkzuurfermentatie wordt verkregen tijdens yoghurtbereiding.
- Grootschalige screening: monitoring van VOC's geassocieerd met verschillende appelgenotypen
OPMERKING: Dit gedeelte van het protocol is een deel van de procedure die door Farneti et al is gemeld . 33 , 36- Sample appels in de gewenste fase van rijping / behoud ( bijv. Bij de commerciële oogst). Selecteer ten minste vijf homogene vruchten zonder zichtbare schade voor elke kloon. Bewaar de appels voor de gewenste periode bij kamertemperatuur (25 ° C) of koel (4 ° C).
- Verzamel vijf cilindrische schijven (1,7 cm diameter en 1 cm dikte) van elke appel met een vleesmesmonster. Neem een deel van het cortexweefsel in, en vermijd het kerndeel met zaden.Homogeniseer de monsters onmiddellijk en vries in vloeibare stikstof. Bewaar bij -80 ° C tot analyse.
- Vóór analyses plaats drie replicaten van het 2,5 g appelmonster van elk biologisch replicaat in de flesjes (20 ml glazen flesjes uitgerust met PTFE / silicone septa). Meng het monster met 2,5 ml gedeïoniseerd water, 1 g natriumchloride, 12,5 mg ascorbinezuur en 12,5 mg citroenzuur, en houd de monsters bij 4 ° C tot analyse (maximaal 3 dagen).
- Incubeer de monsters bij 40 ° C en stel vervolgens de autosampler in om de VOC's automatisch te analyseren.
- Nosespace analyse: het bestuderen van retronasale afgifte van VOC's tijdens koffie drinken
OPMERKING: Dit gedeelte van het protocol is een deel van de procedure die door Romano et al is gemeld . 28- Bereid gebrouwen koffie uit gemalen koffiemonsters.
- Gebruik een koffiemachine: meld de water / poeder ratio, het gebruikte type mineraalwater,Het type koffiezetapparaat, en de procedure die is aangenomen om de koffiedrank te verkrijgen (hoeveelheden zijn een functie van de afmeting van de koffiezetapparaat).
- Gebruik een koffiezetapparaat met zes kopjes, in Italië bekend als een "moka", met 450 ml water en 30 g koffiepoeder. Zet de gebrouwde koffie in een vat en verplaats het in een thermostatisch waterbad (60 ° C).
- Voor elke koffiebrouwen overdragen 7,5 ml aliquots naar een polystyreenbeker (40 ml) met een plastic kap. Laat elke panellid de drank volgens het protocol proeven: i) 30 s vrije ademhaling, ii) een enkele sip koffie, gevolgd door een snelle slik, en iii) 3 minuten ademhaling in een ergonomische glazen nosepiece 28 .
- Herhaal het hele experiment gedurende drie opeenvolgende dagen, waarbij de volgorde van koffiemonsters en panelleden elke dag wordt gerandomiseerd.
- Voer monsterneming uit door een ergonomisch nosepiece in siliconenrubber op de neus van de panelen toe te passen. Verbind de nOsepiece aan de PTR-ToF-MS door middel van een PEEK buis die alleen in het eerste deel in contact is met het panellichaam, verwarmt dan bij 110 ° C in een inlaatslang, die de bemonsteringsinterface verbindt met de PTR-MS instrument.
OPMERKING: in tabel 2 wordt een lijst van producten geanalyseerd met analoge procedures aan die gemeld door Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 en Romano et al. 28 is gerapporteerd.
- Bereid gebrouwen koffie uit gemalen koffiemonsters.
| Food matrix | Aantal en soort monsters | Referentie |
| appel | De auteurs onderzochten een collectie, vertegenwoordigd door 190 accessions, samengesteld uit zowel oude als nieuwe appelcultivars | 33 |
| Yoghurt | Vier voorgerechten werden geanalyseerd in termen van VOC's die werden vrijgelaten tijdens lactische fermentatie van yoghurt (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 |
| Koffie | Drie verschillende soorten gemalen koffie, verkregen uit één enkele pure Arabica koffie mix, werden gebruikt: medium gebraden, donker gebraden en gedecaffineerd medium gebraden | 28 |
Tabel 2: Lijst van geanalyseerde producten. Lijst van producten geanalyseerd met analoge procedures aan degenen gerapporteerd door Benozzi et al. 32 , Farneti et al. 33 , 36 en Romano et al. 28
2. Experimentele vormgeving en praktische voorzorgsmaatregelen
- Voer ten minste drie biologische replica overdag uitTes, elk met drie technische replicaten, voor elke experimentele modus.
- Voorafgaand aan incubatie en analyse van het monster, spoel de kopruimte met 1 minuut bij 200 sccm voor elke injectieflacon.
- Bereid een blanco voor elke experimentele modus, incubeer en analyseer de blanco onder dezelfde omstandigheden van de monsters.
- Randomize de volgorde van monsters / blanks voor analyse.
- Net als andere methoden die VOC's opsporen, beperken het gebruik van geparfumeerde persoonlijke verzorgingsproducten, evenals gom en sigaretten, voordat u het instrument gebruikt. Bevestig alle vluchtige chemicaliën in het laboratorium stevig en controleer de luchtontwerpen zoveel mogelijk tijdens het testen 37 .
3. Optimalisatie en analyse van PTR-MS Instrument
OPMERKING: De instrumentale condities worden beschreven in de referenties ( bijv. Makhoul et al . 27 ).
- Voer hoofdruimtemetingen van de monsters uit met een commerciAl PTR-ToF-MS apparaat in de standaard configuratie modus.
- Spuit lucht direct in de PTR-MS drijfbuiskopruimte zonder enige behandeling. Er is een continue stroom van de monsterlucht door de PTR-MS, zodat de injectie wordt bereikt door het einde van de PTR-MS inlaat in de monsterkopruimte te plaatsen.
- Stel de volgende ioniseringsomstandigheden in de drijfbuis vast en controleer het constant: 110 ° C buis temperatuur, 2,30 mbar drijfdruk, 550 V drijfspanning. Dit leidt tot een E / N verhouding van ongeveer 140 Td (1 Td = 10 -17 cm 2 V - 1 s - 1 ). De inlaatleiding bestaat uit een PEEK capillairbuis (inwendige diameter 0,04 inch), verwarmd bij 110 ° C. Stel standaard de inlaatstroom in op 40 sccm.
- Stel de bemonsteringstijd per kanaal van ToF-acquisitie in op 0,1 ns, wat 350.000 kanalen bedraagt voor een massaspectrum tot en met m / z = 400. Elk spectrum is de som van ongeveer 28.600 acquisities die 35 durenΜs elk, wat resulteert in een tijdresolutie van 1 s.
OPMERKING: Spectra worden dan continu opgeslagen. Spectrometrische signalen groeien vanuit een achtergrondniveau naar een stabiele waarde in een paar seconden (de tijd die nodig is om het gas in de inlaatleidingen te vervangen) en alleen de na deze overgang verkregen spectra worden in verdere analyse beschouwd.
4. Aangepaste data-analyse
OPMERKING: Aangepaste data analyse is ontwikkeld met behulp van een procedure in MATLAB.
- Corrigeer de teltverliezen als gevolg van de ionendetector dead time via een methodologie gebaseerd op Poisson statistieken zoals beschreven door Cappellin et al. 10 .
- Voer interne kalibratie uit volgens een procedure beschreven door Cappellin et al. 38 om een goede massa nauwkeurigheid te bereiken (tot 0.001 Th).
- Uitvoering van samengestelde annotatie vergeleken verkregen spectrale data met fragmentatiegegevens van referentienormen en met data rUitgegeven in de wetenschappelijke literatuur.
- Voer geluidsreductie, basislijnverwijdering en piekintensiteitswinning uit volgens Cappellin et al. 39 , met behulp van gemodificeerde Gaussianen om de toppen te passen.
- Bereken piekintensiteit in ppbv (delen per miljard op volume) via de formule beschreven door Lindinger et al. 5 , door gebruik te maken van de juiste reactietempo coëfficiënt of een constante waarde voor de reactietempo coëfficiënt (k = 2,10 - 9 cm 3 s -1 ), wanneer de onderliggende verbinding niet bekend is. Deze laatste introduceert een systematische fout van maximaal 30% die kan worden verantwoord als de werkelijke coëfficiënt bekend is 40 .
- Mijn gegevens worden uitgevoerd door Principal Component Analysis, Variance Analysis, Tukey's post-hoc test en andere statistische testen / analyses aan te passen die bestaande pakketten ontwikkelen die zijn ontwikkeld met behulp van R (bijvoorbeeld Cappellin et al.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het vluchtige profiel van monsters resulteerde in een compleet massaspectrum voor het gewenste massa bereik verworven elke seconde. In figuur 2 wordt een voorbeeld van de verworven gemiddelde spectra tijdens de yogurt online bioproces gegeven 32 . In elk spectrum kunnen meer dan 300 massa pieken in het m / z bereik tot 250 Th worden geïdentificeerd 32 .
Figuur 2: Gemiddelde PTR-ToF-MS spectra van een monster van geïnoculeerde melk tijdens yoghurtproductie. Lage massa-regio van de gemiddelde PTR-ToF-MS spectra van een monster van geïnoculeerde melk tijdens de productie van yoghurt: meer dan 300 massa pieken in het m / z bereik tot 250 Th zijn geïdentificeerd. Reprinted met toestemming van Benozzi et al. 32 .Ove.com/files/ftp_upload/54075/54075fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te zien.
In de volgende gevallen rapporteren wij de verkregen resultaten met behulp van de voorgestelde aangepaste data analyse voor de drie toepassingen die in het protocol worden beschreven. We benadrukken dat de hele data-analyse in een of enkele dagen kan worden uitgevoerd door middel van op maat gemaakte software ontwikkeld in ons laboratorium 10 , 40 . In figuur 3 , met betrekking tot VOC-detectie bij melkzuurfermentatie van yoghurt (on-line bioprocesmonitoring), tonen we verschillende fermentatiekinetieken van negen geselecteerde massapieken die overeenkomen met vier verschillende commerciële starterculturen 32 . Als de moleculaire piek verzadigd is, zoals bij acetaldehyde in dit voorbeeld, kan de bijbehorende 13 C isotopologe worden gebruikt om de concen te schattentratie.
De meeste van deze vluchtige stoffen vertoonden klassieke microbiële achtige kinetica, met een initiële lagfase, gevolgd door een groeifase en een post-log fase 32 . Interessant genoeg liet de online analyse ons voor het eerst een bijzondere uitputtingskinetiek voor vier zwavelbevattende verbindingen (bijvoorbeeld kinetiek gemeld voor methanethiol, Figuur 3e ), opmerken.
Figuur 3: Fermentatiekinetiek van negen geselecteerde massapieken tijdens yoghurtfermentatie onder gebruikmaking van vier verschillende starterculturen. Fermentatie kinetiek van negen geselecteerde massapieken: ( a ) acetaldehyde, ( b ) diacetyl, ( c ) 2-hydroxy-3-pentanon / pentaanzuur, ( d ) benzaldehyde, ( e ) metHanethiol, ( f ) acetoïne, ( g ) butanozuur, ( h ) 2-butanon, ( i ) heptaanzuur (middelen van drie replicaten ± standaardafwijking) (voorlopige identificatie). Open cirkel (○), niet-geïnoculeerde melk; Gevuld vierkant (■), gevulde cirkel (●), gevulde driehoek (▲) en gevulde rhombi (♦), corresponderen met vier verschillende microbiële starters die speciaal gebruikt worden om yoghurtgisting te proeven. Sterretjes geven statistisch significante verschillen aan (ANOVA, p <0,05) onder commerciële starters. Reprinted met toestemming van Benozzi et al. 32 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Onlangs hebben we VOC's geassocieerd met een grote appelverzameling vertegenwoordigd door 190 accessioNs (voorbeeld van mogelijke toepassing voor grootschalige screening) 33 . Het horizontale dendrogram dat gebaseerd is op de gedefinieerde VOC-inventaris die bij de collectie is geassocieerd, wijst op de aanwezigheid van zes hoofdgroepen, voornamelijk bepaald door esters en alcoholen ( Figuur 4 ). Deze bevindingen hebben ons geleid tot het definiëren van een Alcohols / Esters-index en om het voor te stellen als een nieuwe kwaliteitskwaliteitsbeschrijving die geschikt is als aanvullende karakterisering van appels 33 .
Figuur 4: Warmtekaart en tweedimensionale hiërarchische dendrogramma's van de VOC-patronen, beoordeeld in 190 appeltoegang door PTR-ToF-MS. Warmtekaart en tweedimensionale hiërarchische dendrogrammen van de VOC-patronen werden beoordeeld in 190 appeltoegang door PTR-ToF-MS (met een drempel van 25 ppbv). Appelcultivars worden gegroepeerd en geclusterd door rijen, terwijl VOCVerbindingen worden georganiseerd door kolommen. Cultivar clusters worden gedefinieerd door de nummers 1 tot 6 en groepen verbindingen worden gedefinieerd door letters A tot D. Vervolgens met toestemming van Farneti et al. 33 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
We concluderen dit gedeelte met resultaten die de mogelijke toepassing van PTR-ToF-MS in de in vivo studie van retronasale VOC-vrijlating (nosespace-analyse) verklaren. Figuur 5 (linkerkant) beschrijft de cumulatieve profielen voor vijf koffietesters die worden weergegeven door middel van radiale percelen, een grafische oplossing die typisch is voor sensorische analyse 28 . In deze studie werden medium-gebraden, donker gebraden en decaffeinated medium gebraden gemalen koffiemonsters uit een enkel pure Arabica-mengsel bereid en onderworpenHeeft betrekking op vijf panelisten 28 . Uit de resultaten blijkt dat er sprake is van reproduceerbare en relevante verschillen tussen panelleden, zoals blijkt uit panelleden p1 en p2 in figuur 5 (rechtszijde) 28 .
Figuur 5: Radiale plots die vrijgaveprofielen voor een geselecteerde parameter ( dwz gebied) en drie koffietypes vertegenwoordigen. Radiale plots die vrijgaveprofielen voor een geselecteerde parameter ( dwz gebied) en drie koffietypen voorstellen (medium gebraden, donker gebraden en gedecaffeïndineerd medium gebraden gerecht van oorsprong uit een enkele pure Arabica-mix). Links: cumulatieve profielen voor vijf panelisten; Rechts: individuele profielen voor twee geselecteerde panelisten (namelijk p1 en p2). De waarden werden geschaald door te delen door de respectieve standaardafwijkingen. De halve cirkelband banden op De buitenmarges vertegenwoordigen chemische klassen, gebaseerd op tentatieve piekidentificatie. Cirkels geven significante verschillen aan tussen koffietypen (ANOVA en Tukey's test, p <0,05). Reprinted met toestemming van Romano et al. 28 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Voorbeeld van snel-GC PTR-ToF-MS chromatogrammen. Chromatogrammen verkregen uit een rode wijn (zes replicaten) en vier geselecteerde pieken, voorlopig toegeschreven aan esters. Reprinted met toestemming van Romano et al. 45 .Et = "_ blank"> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te zien.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Proton-transfer-reactie-massaspectrometrie (PTR-MS) gekoppeld aan tijdstip van vlucht (ToF) massaanalysatoren vormen een geldig compromis tussen de noodzaak tot identificatie en kwantificering van vluchtige organische verbindingen en de noodzaak voor snelle analytische profilering. De hoge massa resolutie die de ToF massanalysator kenmerkt geeft relevante gevoeligheid en massaspectra met aanzienlijke informatief inhoud. Bovendien verhoogt de toepassing van PTR-ToF-MS in combinatie met een auto-sampler en op maat gemaakte data analyse tools die de mate van automatisering verhogen, de mogelijkheden van deze techniek.
Op de vele onderzoeks- en technologische gebieden waar vluchtige verbindingdetectie relevant kan zijn, vereist voedselwetenschap en technologie in het bijzonder gevoeligheid, hoge tijdsoplossing en directe analyse. Aan de ene kant zijn de referentiemethoden voor VOC analyse gebaseerd op gaschromatografie, die meer specificiteit geeft maar ikNtrinsiek langzamer en kan alleen vergelijkbare gevoeligheid bereiken tegen de prijs van aanvullende voorbehandelings- of concentratieprocedures. Sommige snelle analyses, zoals de neusruimte, kunnen niet worden uitgevoerd met GC-gebaseerde methoden. Andere studiescherm van veel monsters met behulp van PTR-MS en GC als complementaire benaderingen: PTR_MS laat de metingen van zeer grote samplesets toe, terwijl GC analyse van verminderde subsets extra informatie geeft voor een betere interpretatie van PTR-MS data 40 . Aan de andere kant zijn andere snelle benaderingen voorgesteld voor VOC analyse, bijvoorbeeld die gebaseerd zijn op e-noses of MS-e-noses of specifieke sensoren. Deze zijn veel minder duur in vergelijking met PTR-MS maar geven over het algemeen een zeer lage gevoeligheid.
PTR-ToF-MS analyse geeft informatie over de massa van de waargenomen spectrometrische pieken, die over het algemeen niet voldoende is voor ondubbelzinnige verbinding identificatie. Bovendien, ondanks de zachte chemische ionisatie, protontrAnsfer-geïnduceerde fragmentatie is niet altijd verwaarloosbaar. In sommige gevallen kan het fragmentatiepatroon helpen bij tentatieve identificatie 41 . Desalniettemin is er behoefte aan technologische oplossingen die het analytische vermogen van PTR-ToF-MS verbeteren. Met betrekking tot dit punt wordt een interessante ontwikkeling van de techniek voorgesteld door het gebruik van primaire ouderionen dan H3O + . Het switchable reagent ion (SRI) systeem 4 kan alternatief in dezelfde holle kathodebron verschillende oudere ionen produceren, zoals NO + en O2 + . Deze aanpak, het veranderen van de ioniseringsomstandigheden en daarmee het fragment en de clustervorming, verhoogt het aantal verbindingen die detecteerbaar zijn en maakt het scheiden van sommige isomere verbindingen 42 , 43 mogelijk . Enkele toepassingen in voedselwetenschap en technologie zijn al beschikbaar, zoals VOC detErminatie in drooggehakt ham 23 , koffie 34 en ethyleenbepaling in vruchten 43 . Een andere technologische oplossing die geschikt is om problemen met nauwkeurige samengestelde identificatie aan te pakken, wordt weergegeven door de snel-GC / PTR-ToF-MS methodologie 44 . Door de verminderde scheidingstijden breidt snelle GC analytische mogelijkheden uit, zonder de analytische doorvoer van PTR-ToF-MS 44 in gevaar te brengen. De toegevoegde waarde van de techniek is goed weergegeven in figuur 6 , waarbij chromatogrammen worden weergegeven die zijn verkregen voor vier pieken die voorlopig geïdentificeerd zijn als esterfragmenten uit de kopruimte van een rode wijn 45 . Naast de belangrijke scheiding van verschillende isomere fragmenten binnen dezelfde piek werd een interessant gewenst bijwerking van de toepassing van een snelle chromatografische scheidingsstap weergegeven door de snelle elutie (en bijgevolg substantieel eliminatioN) ethanol. In feite veroorzaakt ethanol een ongewenst effect op PTR-gebaseerde analyse van alcoholische matrices als gevolg van de reductie van hydroniumionen en de daaruit voortvloeiende vorming van dimeren en trimers (ethanol clusters, ethanol- en waterclusters, en bijbehorende fragmenten), die tot de aanwezigheid leiden Van pieken die de juiste spectra-interpretatie 46 aanzienlijk in gevaar hebben gebracht. Meer recent zijn er andere ontwikkelingen voorgesteld om de gevoeligheid van PTR-MS apparaten te verbeteren die nog niet in de voedselwetenschap en technologie 47 , 48 zijn getest.
Concluderend, snelle en niet-invasieve PTR-ToF-MS analyse van vluchtige verbindingen gekoppeld aan automatische bemonstering en op maat gemaakte data-hantering en -analyse bieden een nieuw instrument waarmee u verschillende thema's in voedselwetenschap en technologie efficiënt kunt adresseren en aanvulling kan opleveren met andere technieken .
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).
