मास स्पेक्ट्रोमेट्री, एक ऐसी तकनीक जो किसी नमूने के रासायनिक घटकों की सटीक पहचान कर सकती है, का उपयोग पुरानी बीमारियों से पीड़ित लोगों के स्वास्थ्य की निगरानी के लिए किया जा सकता है।उदाहरण के लिए, एक मास स्पेक्ट्रोमीटर हाइपोथायरायडिज्म वाले किसी व्यक्ति के रक्त में हार्मोन के स्तर को माप सकता है।

लेकिन मास स्पेक्ट्रोमीटर की कीमत कई लाख डॉलर हो सकती है, इसलिए ये महंगी मशीनें आम तौर पर प्रयोगशालाओं तक ही सीमित होती हैं जहां रक्त के नमूने परीक्षण के लिए भेजे जाने चाहिए।यह अप्रभावी प्रक्रिया किसी पुरानी बीमारी के प्रबंधन को विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण बना सकती है।

"हमारा बड़ा लक्ष्य बनाना हैमास स्पेक्ट्रोमेट्रीस्थानीय।जिस व्यक्ति को कोई पुरानी बीमारी है जिसके लिए निरंतर निगरानी की आवश्यकता होती है, उनके पास जूते के डिब्बे के आकार की कोई चीज़ हो सकती है जिसका उपयोग वे घर पर यह परीक्षण करने के लिए कर सकते हैं।ऐसा होने के लिए, हार्डवेयर को सस्ता होना चाहिए," एमआईटी के माइक्रोसिस्टम्स टेक्नोलॉजी लेबोरेटरीज (एमटीएल) के एक प्रमुख शोध वैज्ञानिक लुइस फर्नांडो वेलास्क्वेज़-गार्सिया कहते हैं।

उन्होंने और उनके सहयोगियों ने कम लागत वाले आयनाइज़र को 3डी प्रिंटिंग द्वारा उस दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है - जो सभी मास स्पेक्ट्रोमीटर का एक महत्वपूर्ण घटक है - जो अपने अत्याधुनिक समकक्षों से दोगुना प्रदर्शन करता है।

उनका उपकरण, जिसका आकार केवल कुछ सेंटीमीटर है, को बड़े पैमाने पर बैचों में निर्मित किया जा सकता है और फिर कुशल, पिक-एंड-प्लेस रोबोटिक असेंबली विधियों का उपयोग करके एक मास स्पेक्ट्रोमीटर में शामिल किया जा सकता है।इस तरह के बड़े पैमाने पर उत्पादन से यह विशिष्ट आयोनाइजरों की तुलना में सस्ता हो जाएगा, जिन्हें अक्सर मैन्युअल श्रम की आवश्यकता होती है, मास स्पेक्ट्रोमीटर के साथ इंटरफेस करने के लिए महंगे हार्डवेयर की आवश्यकता होती है, या अर्धचालक साफ कमरे में बनाया जाना चाहिए।

इसके बजाय डिवाइस को 3डी प्रिंटिंग द्वारा, शोधकर्ता इसके आकार को सटीक रूप से नियंत्रित करने और विशेष सामग्रियों का उपयोग करने में सक्षम थे, जिससे इसके प्रदर्शन को बढ़ावा देने में मदद मिली।

"यह आयनाइज़र बनाने का एक स्वयं-करने वाला दृष्टिकोण है, लेकिन यह डक्ट टेप या डिवाइस के गरीब आदमी के संस्करण के साथ एक उपकरण नहीं है। दिन के अंत में, यह महंगे का उपयोग करके बनाए गए उपकरणों से बेहतर काम करता हैप्रक्रियाएं और विशेष उपकरण, और किसी को भी इसे बनाने के लिए सशक्त बनाया जा सकता है," के वरिष्ठ लेखक वेलास्केज़-गार्सिया कहते हैंएक कागजआयोनाइज़र पर प्रकाशितमास स्पेक्ट्रोमेट्री के लिए अमेरिकन सोसायटी का जर्नल.उन्होंने मैकेनिकल इंजीनियरिंग स्नातक छात्र, मुख्य लेखक एलेक्स काच्किन के साथ पेपर लिखा।

कम लागत वाला हार्डवेयर

मास स्पेक्ट्रोमीटर उनके द्रव्यमान-से-चार्ज अनुपात के आधार पर आयन कहे जाने वाले आवेशित कणों को क्रमबद्ध करके एक नमूने की सामग्री की पहचान करते हैं।चूंकि रक्त में अणुओं में कोई नहीं होता हैबिजली का आवेश, विश्लेषण करने से पहले उन्हें चार्ज देने के लिए एक आयनाइज़र का उपयोग किया जाता है।

अधिकांश तरल आयोनाइज़र इलेक्ट्रोस्प्रे का उपयोग करके ऐसा करते हैं, जिसमें एक लगाना शामिल होता हैउच्च वोल्टेजएक तरल नमूने के लिए और फिर द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर में आवेशित कणों का एक पतला जेट फायर करना।स्प्रे में जितने अधिक आयनित कण होंगे, माप उतना ही सटीक होगा।

एमआईटी शोधकर्ताओं ने कम लागत वाले इलेक्ट्रोस्प्रे का उत्पादन करने के लिए कुछ चतुर अनुकूलन के साथ 3डी प्रिंटिंग का उपयोग किया।emitterइसने अत्याधुनिक मास स्पेक्ट्रोमेट्री आयोनाइजर संस्करणों से बेहतर प्रदर्शन किया।

उन्होंने बाइंडर जेटिंग, एक 3डी का उपयोग करके धातु से उत्सर्जक का निर्माण कियामुद्रण प्रक्रियाजिसमें परत-दर-परत एक वस्तु बनाने के लिए पाउडर सामग्री के एक कंबल पर छोटे नोजल के माध्यम से पॉलिमर-आधारित गोंद की बौछार की जाती है।तैयार वस्तु को गोंद को वाष्पित करने के लिए ओवन में गर्म किया जाता है और फिर वस्तु को चारों ओर से पाउडर के बिस्तर से समेकित किया जाता है।

वेलास्केज़-गार्सिया कहते हैं, "यह प्रक्रिया जटिल लगती है, लेकिन यह मूल 3डी प्रिंटिंग विधियों में से एक है, और यह अत्यधिक सटीक और बहुत प्रभावी है।"

फिर, मुद्रित उत्सर्जक एक इलेक्ट्रोपॉलिशिंग चरण से गुजरते हैं जो इसे तेज करता है।अंत में, प्रत्येक उपकरण को जिंक ऑक्साइड नैनोवायर में लेपित किया जाता है जो उत्सर्जक को सरंध्रता का एक स्तर देता है जो इसे तरल पदार्थों को प्रभावी ढंग से फ़िल्टर करने और परिवहन करने में सक्षम बनाता है।

डिब्बा से बाहर की सोच

एक संभावित समस्या जो इलेक्ट्रोस्प्रे उत्सर्जकों को प्रभावित करती है वह वाष्पीकरण है जो ऑपरेशन के दौरान तरल नमूने में हो सकता है।विलायक वाष्पीकृत हो सकता है और उत्सर्जक को अवरुद्ध कर सकता है, इसलिए इंजीनियर आमतौर पर वाष्पीकरण को सीमित करने के लिए उत्सर्जक डिजाइन करते हैं।

प्रयोगों द्वारा पुष्टि की गई मॉडलिंग के माध्यम से, एमआईटी टीम को एहसास हुआ कि वे वाष्पीकरण का उपयोग अपने लाभ के लिए कर सकते हैं।उन्होंने उत्सर्जकों को एक विशिष्ट कोण के साथ बाहरी रूप से पोषित ठोस शंकु के रूप में डिजाइन किया है जो तरल के प्रवाह को रणनीतिक रूप से प्रतिबंधित करने के लिए वाष्पीकरण का लाभ उठाता है।इस प्रकार, नमूना स्प्रे में आवेश वहन करने वाले अणुओं का अनुपात अधिक होता है।

"हमने देखा कि वाष्पीकरण वास्तव में एक डिज़ाइन नॉब हो सकता है जो आपको प्रदर्शन को अनुकूलित करने में मदद कर सकता है," वे कहते हैं।

उन्होंने उस काउंटर-इलेक्ट्रोड पर भी पुनर्विचार किया जो नमूने पर वोल्टेज लागू करता है।टीम ने समान बाइंडर जेटिंग विधि का उपयोग करके इसके आकार और आकार को अनुकूलित किया, ताकि इलेक्ट्रोड उभरने से रोक सके।आर्किंग, जो तब होता है जब विद्युत धारा दो इलेक्ट्रोडों के बीच के अंतर को पार कर जाती है, इलेक्ट्रोड को नुकसान पहुंचा सकती है या ओवरहीटिंग का कारण बन सकती है।

क्योंकि उनके इलेक्ट्रोड में आर्किंग होने का खतरा नहीं है, वे सुरक्षित रूप से इसे बढ़ा सकते हैंएप्लाइड वोल्टेज, जिसके परिणामस्वरूप अधिक आयनित अणु और बेहतर प्रदर्शन होता है।

उन्होंने बिल्ट-इन डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स के साथ एक कम लागत वाला मुद्रित सर्किट बोर्ड भी बनाया, जिसमें उत्सर्जक को मिलाया जाता है।डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स के जुड़ने से आयनाइज़र तरल की बूंदों को कुशलतापूर्वक परिवहन करने में सक्षम हो जाता है।

कुल मिलाकर, इन अनुकूलनों ने एक इलेक्ट्रोस्प्रे उत्सर्जक को सक्षम किया जो अत्याधुनिक संस्करणों की तुलना में 24% अधिक वोल्टेज पर काम कर सकता है।इस उच्च वोल्टेज ने उनके डिवाइस को सिग्नल-टू-शोर अनुपात को दोगुना से अधिक करने में सक्षम बनाया।

इसके अलावा, उनकी बैच प्रोसेसिंग तकनीक को बड़े पैमाने पर लागू किया जा सकता है, जो प्रत्येक उत्सर्जक की लागत को काफी कम कर देगा और पॉइंट-ऑफ-केयर मास स्पेक्ट्रोमीटर को एक किफायती वास्तविकता बनाने की दिशा में एक लंबा रास्ता तय करेगा।

"गुटेनबर्ग में वापस जाएं, एक बार जब लोगों के पास अपनी चीजें प्रिंट करने की क्षमता थी, तो दुनिया पूरी तरह से बदल गई। एक मायने में, यह उसी से अधिक हो सकता है। हम लोगों को उनके दैनिक जीवन में आवश्यक हार्डवेयर बनाने की शक्ति दे सकते हैं," वह कहता है।

आगे बढ़ते हुए, टीम एक प्रोटोटाइप बनाना चाहती है जो उनके आयनाइज़र को उनके द्वारा पहले विकसित किए गए 3डी-मुद्रित द्रव्यमान फ़िल्टर के साथ जोड़ती है।आयोनाइजर और मास फिल्टर डिवाइस के प्रमुख घटक हैं।वे 3डी-मुद्रित वैक्यूम पंपों को बेहतर बनाने के लिए भी काम कर रहे हैं, जो संपूर्ण कॉम्पैक्ट मास स्पेक्ट्रोमीटर को प्रिंट करने में एक बड़ी बाधा बने हुए हैं।

"उन्नत प्रौद्योगिकी के माध्यम से लघुकरण धीरे-धीरे लेकिन निश्चित रूप से मास स्पेक्ट्रोमेट्री को बदल रहा है, विनिर्माण लागत को कम कर रहा है और अनुप्रयोगों की सीमा को बढ़ा रहा है। 3 डी प्रिंटिंग द्वारा इलेक्ट्रोस्प्रे स्रोतों के निर्माण पर यह काम सिग्नल की शक्ति को भी बढ़ाता है, संवेदनशीलता और सिग्नल-टू-शोर अनुपात को बढ़ाता है और संभावित रूप से खोलता हैनैदानिक ​​​​निदान में अधिक व्यापक उपयोग का रास्ता," इंपीरियल कॉलेज लंदन में इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरिंग विभाग में माइक्रोसिस्टम्स प्रौद्योगिकी के प्रोफेसर रिचर्ड सिम्स कहते हैं, जो इस शोध में शामिल नहीं थे।

अधिक जानकारी:एलेक्स काच्किन और अन्य, मास स्पेक्ट्रोमेट्री के लिए उच्च प्रदर्शन, कम लागत, योगात्मक रूप से निर्मित इलेक्ट्रोस्प्रे आयन स्रोत,मास स्पेक्ट्रोमेट्री के लिए अमेरिकन सोसायटी का जर्नल(2024)।डीओआई: 10.1021/jasms.3c00409