Масс-спектрометрия, метод, позволяющий точно идентифицировать химические компоненты образца, может использоваться для мониторинга здоровья людей, страдающих хроническими заболеваниями. Например, масс-спектрометр может измерять уровень гормонов в крови человека с гипотиреозом.
Но масс-спектрометры могут стоить несколько сотен тысяч долларов, поэтому эти дорогие машины обычно используются в лабораториях, куда необходимо отправлять образцы крови на тестирование. Этот неэффективный процесс может сделать лечение хронического заболевания особенно трудным.
«Наша главная цель — сделать масс-спектрометрию локальной. Для тех, у кого есть хроническое заболевание, требующее постоянного наблюдения, у них может быть что-то размером с коробку из-под обуви, которое они могли бы использовать для проведения этого теста дома. Чтобы это произошло, оборудование должно быть недорогим», — говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института (MTL).
Он и его коллеги сделали большой шаг в этом направлении, напечатав на 3D-принтере недорогой ионизатор — важнейший компонент всех масс-спектрометров — который работает вдвое лучше, чем его современные аналоги.
Их устройство, размер которого составляет всего несколько сантиметров, может быть изготовлено в больших количествах партиями, а затем включено в масс-спектрометр с использованием эффективных методов роботизированной сборки с возможностью выбора и размещения. Такое массовое производство сделало бы его дешевле, чем типичные ионизаторы, которые часто требуют ручного труда, требуют дорогостоящего оборудования для взаимодействия с масс-спектрометром или должны быть построены в чистой полупроводниковой комнате.
Вместо этого, напечатав устройство на 3D-принтере, исследователи смогли точно контролировать его форму и использовать специальные материалы, которые помогли повысить его производительность.
«Это способ изготовления ионизатора своими руками, но это не хитроумное изобретение, скрепленное клейкой лентой, или версия устройства для бедняков. В конце концов, он работает лучше, чем устройства, изготовленные с использованием дорогостоящих процессов и специализированных инструментов, и каждый может иметь возможность сделать это», — говорит Веласкес-Гарсия, старший автор статьи об ионизаторе.
Он написал статью вместе с ведущим автором Алексом Качкиным, аспирантом-механиком. Исследование опубликовано в журнале Журнал Американской ассоциации масс-спектрометрии.
Недорогое оборудование
Масс-спектрометры идентифицируют содержимое образца путем сортировки заряженных частиц, называемых ионами, на основе их отношения массы к заряду. Поскольку молекулы в крови не имеют электрического заряда, для придания им заряда перед анализом используется ионизатор.
Большинство ионизаторов жидкости делают это с помощью электрораспыления, которое включает в себя подачу высокого напряжения на образец жидкости, а затем выброс тонкой струи заряженных частиц в масс-спектрометр. Чем больше ионизированных частиц в распылении, тем точнее будут измерения.
Исследователи Массачусетского технологического института использовали 3D-печать, а также некоторые хитроумные оптимизации, чтобы создать недорогой электрораспылительный эмиттер, который превзошел современные версии масс-спектрометрического ионизатора.
Они изготовили эмиттер из металла с помощью струйной струйной печати — процесса 3D-печати, при котором слой порошкообразного материала опрыскивается клеем на полимерной основе, распыляемым через крошечные сопла для построения объекта слой за слоем. Готовый объект нагревают в духовке, чтобы испарить клей, а затем закрепить объект из окружающего его слоя порошка.
«Процесс кажется сложным, но это один из оригинальных методов 3D-печати, он очень точный и очень эффективный», — говорит Веласкес-Гарсия.
Затем печатные эмиттеры подвергаются электрополировке, которая затачивает их. Наконец, каждое устройство покрыто нанопроводами из оксида цинка, которые придают эмиттеру такой уровень пористости, который позволяет ему эффективно фильтровать и транспортировать жидкости.
Нестандартное мышление
Одной из возможных проблем, влияющих на электрораспылительные эмиттеры, является испарение жидкого образца во время работы. Растворитель может испариться и засорить эмиттер, поэтому инженеры обычно проектируют эмиттеры так, чтобы ограничить испарение.
Благодаря моделированию, подтвержденному экспериментами, команда Массачусетского технологического института поняла, что испарение можно использовать в своих целях. Они разработали эмиттеры в виде твердых конусов с внешней подачей и определенным углом, который позволяет использовать испарение для стратегического ограничения потока жидкости. Таким образом, распыленный образец содержит более высокое соотношение молекул, несущих заряд.
«Мы увидели, что испарение на самом деле может быть регулятором конструкции, который поможет вам оптимизировать производительность», — говорит он.
Они также переосмыслили противоэлектрод, который подает напряжение на образец. Команда оптимизировала его размер и форму, используя тот же метод струйной обработки связующего, чтобы электрод предотвращал искрение. Дуга, возникающая при прохождении электрического тока через зазор между двумя электродами, может повредить электроды или вызвать перегрев.
Поскольку их электроды не склонны к образованию дуги, они могут безопасно увеличивать приложенное напряжение, что приводит к большей ионизации молекул и повышению производительности.
Они также создали недорогую печатную плату со встроенной цифровой микрофлюидикой, к которой припаян эмиттер. Добавление цифровой микрофлюидики позволяет ионизатору эффективно транспортировать капли жидкости.
В совокупности эти оптимизации позволили создать электрораспылительный эмиттер, который мог работать при напряжении на 24 процента выше, чем современные версии. Это более высокое напряжение позволило их устройству более чем удвоить соотношение сигнал/шум.
Кроме того, их метод пакетной обработки может быть реализован в большом масштабе, что значительно снизит стоимость каждого излучателя и во многом сделает масс-спектрометр для медицинских целей доступной реальностью.
«Возвращаясь к Гуттенбергу, когда люди получили возможность печатать свои собственные вещи, мир полностью изменился. В каком-то смысле это могло быть примерно так же. Мы можем дать людям возможность создавать оборудование, необходимое им в повседневной жизни», — говорит он.
В дальнейшем команда хочет создать прототип, который объединит их ионизатор с ранее разработанным ими массовым фильтром, напечатанным на 3D-принтере. Ионизатор и массовый фильтр являются ключевыми компонентами устройства. Они также работают над совершенствованием вакуумных насосов, напечатанных на 3D-принтере, что остается серьезным препятствием для печати целого компактного масс-спектрометра.
«Миниатюризация с помощью передовых технологий медленно, но верно меняет масс-спектрометрию, снижает производственные затраты и расширяет спектр приложений. Эта работа по изготовлению источников электрораспыления с помощью 3D-печати также повышает мощность сигнала, увеличивает чувствительность и соотношение сигнал/шум и потенциально открывает путь к более широкому использованию в клинической диагностике», — говорит Ричард Симс, профессор микросистемных технологий на кафедре электротехники. и специалист по электронной инженерии в Имперском колледже Лондона, который не участвовал в этом исследовании.
Эта работа была поддержана корпорацией Эмпирико.