FAIMS brengt het labo naar de productievloer

Printervriendelijke versieSend by email

 

Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS) is een gas detectie technologie die een snelle detectie en kwantificatie van vluchtige organische componenten toelaat. Toepassingsmogelijkheden zijn ondermeer aromabepaling, screening van grondstoffen op contaminanten, kwantificatie van conserveringsmiddelen, leeftijdsbepaling van oliën, residuen van een cleaning-in-place proces etc. De geminiaturiseerde, draagbare spectrometer maakt het mogelijk dat niet-technische operatoren het toestel kunnen bedienen op elke gewenste plaatst in de productiesite en dit door een eenvoudige druk op de knop. FAIMS is een variant van Ion Mobility Spectroscopy (IMS) en beide detectietechnieken opereren via hetzelfde principe.

Ion Mobility Spectrometery (IMS)

Meetprincipe

Via ionenmobiliteitspectrometrie wordt een unieke vingerafdruk bekomen van de chemische componenten die aanwezig zijn in een bepaald product. De klassieke, lineaire ionen mobiliteit spectrometer bestaat uit een drift buis waarover een elektrisch veld wordt aangebracht. De buis zelf is opgebouwd uit afwisselend isolerende en geleidende ringen. Aan het ene einde van deze buis zit een ionisatiebron en aan het andere een detector die de ionenstroom opmeet. Gassamples (bijvoorbeeld uit de headspace van producten) worden via een draaggas doorheen deze buis gevoerd richting de ionisatieregio. Een schematische voorstelling van deze opstelling wordt gegeven in Figuur 1.

Afhankelijk van de ionisatiebron worden de componenten in deze gasstroom geïoniseerd via directe ionisatie of via proces van een ladingsoverdracht. Het is belangrijk om weten dat hier zowel positieve als negatieve ionen gevormd worden. Kleine, lichte, compacte ionen bewegen sneller doorheen het elektrische veld en zullen dus ook de detector sneller bereiken dan grote, zware ionen. Een plot van de ionenintensiteit als functie van de drifttijd doorheen de buis wordt een mobiliteitsspectrum genoemd (Figuur1). Identificatie van de verschillende chemische componenten in het product gebeurt aan de hand van hun piekposities en de concentratie is gerelateerd aan de piekhoogte. De analyse van vaste en vloeibare materialen verloopt via het analyseren van de headspace boven het product. Gasmengsels kunnen eveneens onderzocht worden.


Figuur 1: Schematische voorstelling van het werkingsprincipe van IMS (Karpas, 2012)

·      Toepassingsmogelijkheden

De grootste voordelen van deze techniek situeren zijn de lage detectielimieten en de mogelijkheid de analyses uit te voeren bij atmosferische druk. Het feit dat concentraties kleiner dan een nanogram effectief kunnen gedetecteerd en gekwantificeerd worden op een snelle, accurate en precieze manier bieden heel wat toepassingsmogelijkheden in verschillende sectoren. Voorbeelden zijn het valideren van cleaning-in-place processen, controle voedselkwaliteit en –veiligheid, karakterisatie van levensmiddelen. Recent werd IMS ook toegepast voor de detectie van metabolieten van bacteriën, proces controle bij de productie van dranken, schimmeldetectie tijdens kaasproductie, karakterisatie van wijn, etc. Een van de meest geciteerde voedingstoepassingen van IMS is de analyse van vlees. Hierbij richt men zich voornamelijk op twee types van IMS bepalingen. Bij de evaluatie van de vleeskwaliteit wordt IMS gebruikt om biogene metabolieten (vb. trimethylamine), geproduceerd tijdens bacterieel bederf, te bepalen. Een andere applicatie vormt het bepalen van de origine van het vlees op basis van de dierenvoeding.

FAIMS

·      

Meetprincipe

Een variant op IMS is FAIMS (Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometer), ook wel DMS (Differential mobility spectrometer) genoemd. Het basisprincipe is gelijk aan dat van IMS, met een verschil in het type elektrische veld dat wordt aangelegd. Bij FAIMS wordt een elektrisch veld aangebracht tussen twee parallelle elektroden en het draaggas (meestal lucht) brengt de ionen in de opening tussen de twee platen naar de detector achter de elektroden (Figuur 2). Ionen die zich in de opening tussen deze twee elektroden bevinden, worden onderworpen aan een loodrecht elektrisch veld dat van laag (1 kv/cm) naar hoog (>20 kV/cm). Onder invloed van dit elektrisch veld worden de ionen geleidelijk aan naar een van de twee elektroden geduwd en bereiken ze dus de detector niet. Een compensatiespanning opgelegd op een van de twee elektroden zorgt ervoor dat de afgelegde weg van de ionen kan veranderen. Ionen met een verschillende mobiliteit kunnen dan tussen de twee elektrodes heen de detector bereiken. Het mobiliteitsspectrum is dan een plot van de ionenstroom in functie van de compensatiespanning.


Figuur 2: Werkingsprincipe FAIMS (www.owlstonenanotech.com )

·      Inspelen op de trend: miniaturisatie

De huidige trend naar miniaturisatie van analytische scheidings- en identificatieapparatuur heeft ook invloed gehad op recente ontwikkelingen op het gebied van FAIMS-toestellen. Owlstone Inc. (Cambridge, UK) ontwikkelde een draagbaar en snel detectiesysteem, Lonestar, gebaseerd op hun gepatenteerd FAIMS-gebaseerd platform. Via dit toestel  kunnen chemische stoffen snel geïdentificeerd en gekwantificeerd worden en dit tot op ppm/ppb niveau. Het hart van deze detectietechnologie bestaat uit een siliconenchip -spectrometer met een oppervlakte van 1 cm2 en 3 mm dikte (Figuur 3). Ionen met de correcte differentiële mobiliteit bewegen doorheen het toestel en bereiken de detector elektrode. De ionenstroom is dan een indicatie van de concentratie.

Figuur 3: Geminiaturiseerde FAIM-spectrometer (Paris & Freshman, 2012)

De technologieën die gebruikt worden om de spectrometer te integreren in een siliconenchip zorgen ook voor een aantal significante verbeteringen ten opzichte van de vorige generatie analysetoestellen. Meer bepaald spreken we dan over een verhoogde gevoeligheid en specificiteit en dit gekoppeld aan kleinere afmetingen, lagere kost en lagere energieconsumptie. Verder voordelen van de geminiaturiseerde versie van FAIMS bestaan erin dat niet-technische operatoren op de productievloer vaste, vloeibare en gasvormige producten kunnen analyseren waar en wanneer het vereist is. De procedure bestaat er eenvoudig weg uit een kleine hoeveelheid product in het toestel te brengen en op een knop te duwen om de analyse te laten starten. Gebaseerd op de vooraf geprogrammeerde procedures, kunnen vervolgens de concentraties van de beoogde component in het product afgelezen worden. Op deze manier wordt het ‘labo naar de productievloer’ gebracht.

·     Toepassingsmogelijkheden

Binnen de oliën en vetten kan deze geminiaturiseerde spectrometer gebruikt worden voor een snelle, at-line screening van bijvoorbeeld ruwe grondstoffen op aanwezigheid van contaminanten, grenswaarden van flavorcomponenten, vetzuurmethylester, residu’s van CIP-processen. Figuur 4 illustreert de mogelijkheden van FAIMS voor een snelle differentiatie tussen verschillende planaardige oliën.

Figuur 4: FAIMS positieve en negatieve modus compensatiespanningsplots van verschillende plantaardige oliën. (RIP=refractive ion current; AU: arbitrary unit, DF: dispersion field) (Paris & Freshman, 2012)

Het draagbare FAIMS-toestel kan eveneens gebruikt worden voor de karakteristiek van geuren en aroma’s van levensmiddelen, accurate detectie van ongewenste stoffen, het bepalen van de authenticiteit van een product. De gevoelige detectielimieten maken het tevens mogelijk de versheid van levensmiddelen te beoordelen. Immers, slechte bewaarcondities, contaminatie tijdens processing, vervuiling vanuit de verpakking… kunnen allen aanleiding geven tot off-flavors in levensmiddelen. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 5 waar de spectra van vers varkensvlees vergeleken worden met bedorven varkensvlees.


Figuur 5 Evaluatie van de versheid van varkensvlees aan de hand van een draagbare FAIMS-analysator. De piek in het spectrum na 25h bij kamertemperatuur  duidt op de aanwezigheid van vluchtige biogene amines (http://www.owlstonenanotech.com)

Bronnen:

Karpas, Z. (2012), Applications of ion mobility spectrometry in the field of foodomics, Food Research International, article in press

Paris, R. & Freshman, S. (2012), Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS): Quick screening detection and quantification of volatile organic compounds, AOCS inform, 23 (1), 14-16, 63

Armenta, S., Alcala, M. & Blanco, M. (2011), A review of recent, unconventional applications of ion mobility spectrometry (IMS), Analytica Chimica Acta, 703, 114-123

Nuttige links:

http://www.owlstonenanotech.com/applications/food-beverage