研究人员3D打印床旁质谱仪的关键部件

质谱法是一种可以精确识别样品化学成分的技术，可用于监测慢性病患者的健康状况。例如，质谱仪可以测量甲状腺功能减退症患者血液中的激素水平。

但质谱仪可能要花费数十万美元，因此这些昂贵的机器通常仅限于必须将血液样本送去检测的实验室。这种低效的过程可能使慢性病的管理变得特别具有挑战性。

“我们的远大愿景是使质谱法本地化。对于患有需要持续监测的慢性疾病的人来说，他们可以有一个鞋盒大小的东西，他们可以在家中进行这项测试。为此，硬件必须便宜，“麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García说。

他和他的合作者通过3D打印低成本的电离器（所有质谱仪的关键组件）朝着这个方向迈出了一大步，其性能是最先进的同类产品的两倍。

他们的设备只有几厘米大小，可以批量大规模制造，然后使用高效的拾取和放置机器人组装方法将其整合到质谱仪中。这种大规模生产将使其比典型的电离器更便宜，这些电离器通常需要体力劳动，需要昂贵的硬件来与质谱仪连接，或者必须在半导体洁净室中制造。

通过3D打印设备，研究人员能够精确控制其形状并利用有助于提高其性能的特殊材料。

“这是一种自己动手制造离子发生器的方法，但它不是用胶带或穷人版本的装置固定在一起的装置。归根结底，它比使用昂贵的工艺和专用仪器制造的设备效果更好，任何人都可以被授权制造它，“一篇关于离子发生器的论文的资深作者Velásquez-García说。

他与主要作者、机械工程研究生亚历克斯·卡奇金（Alex Kachkine）一起撰写了这篇论文。该研究发表在 《美国质谱协会杂志》上。

低成本硬件

质谱仪通过根据带电粒子（称为离子）的质荷比对带电粒子进行分类来识别样品的内容物。由于血液中的分子没有电荷，因此在分析它们之前，使用电离器给它们带电荷。

大多数液体电离器使用电喷雾来做到这一点，这涉及对液体样品施加高压，然后将带电粒子的薄射流射入质谱仪。喷雾中的电离颗粒越多，测量就越准确。

麻省理工学院的研究人员使用3D打印以及一些巧妙的优化来生产一种低成本的电喷雾发射器，其性能优于最先进的质谱离子发生器版本。

他们使用粘合剂喷射用金属制造发射器，这是一种3D打印工艺，其中粉末状材料的毯子上喷洒着聚合物基胶水，通过微小的喷嘴喷射，以逐层构建物体。成品在烤箱中加热以蒸发胶水，然后将物体从周围的粉末床中固结。

“这个过程听起来很复杂，但它是原始的3D打印方法之一，它非常精确，非常有效，”Velásquez-García说。

然后，印刷的发射器经过电解抛光步骤，使其锐化。最后，每个器件都涂有氧化锌纳米线，使发射器具有一定程度的孔隙率，使其能够有效地过滤和输送液体。

跳出框框思考

影响电喷雾发射器的一个可能问题是液体样品在操作过程中可能发生的蒸发。溶剂可能会蒸发并堵塞发射器，因此工程师通常会设计发射器来限制蒸发。

通过实验证实的建模，麻省理工学院的团队意识到他们可以利用蒸发来发挥自己的优势。他们将发射器设计为具有特定角度的外部馈送固体锥体，利用蒸发来战略性地限制液体的流动。这样，样品喷雾中含有更高比例的带电分子。

“我们看到蒸发实际上可以成为一个设计旋钮，可以帮助您优化性能，”他说。

他们还重新考虑了对样品施加电压的反电极。该团队使用相同的粘合剂喷射方法优化了其尺寸和形状，因此电极可以防止电弧。当电流在两个电极之间的间隙跳跃时，就会发生电弧，会损坏电极或导致过热。

由于它们的电极不容易产生电弧，因此可以安全地增加施加的电压，从而产生更多的电离分子和更好的性能。

他们还创造了一种低成本的印刷电路板，内置数字微流体，发射器被焊接到该电路板上。数字微流体的加入使离子发生器能够有效地输送液滴。

总而言之，这些优化使电喷雾发射器能够在比最先进版本高 24% 的电压下运行。这种更高的电压使他们的设备的信噪比提高了一倍以上。

此外，他们的批处理技术可以大规模实施，这将大大降低每个发射器的成本，并大大有助于使即时质谱仪成为负担得起的现实。

“回到古滕贝格，一旦人们有能力打印自己的东西，世界就完全改变了。从某种意义上说，这可能更像是一样的。我们可以让人们有能力创造他们日常生活中需要的硬件，“他说。

展望未来，该团队希望创建一个原型，将他们的电离器与他们之前开发的 3D 打印质量过滤器相结合。离子发生器和质量过滤器是设备的关键部件。他们还在努力完善3D打印的真空泵，这仍然是打印整个紧凑型质谱仪的主要障碍。

“通过先进技术实现的小型化正在缓慢但肯定地改变质谱，降低制造成本并扩大应用范围。这项通过3D打印制造电喷雾源的工作还增强了信号强度，提高了灵敏度和信噪比，并可能为在临床诊断中更广泛地使用开辟道路，“伦敦帝国理工学院电气与电子工程系微系统技术教授Richard Syms说，他没有参与这项研究。

这项工作得到了Empiriko Corporation的支持。