質量分析法は、サンプルの化学成分を正確に特定できる技術であり、慢性疾患に苦しむ人々の健康状態を監視するために使用できる可能性があります。たとえば、質量分析計は、甲状腺機能低下症の人の血液中のホルモンレベルを測定できます。

しかし、質量分析計は数十万ドルかかる場合があるため、これらの高価な機械は通常、検査のために血液サンプルを送らなければならない研究室に限定されています。この非効率的なプロセスにより、慢性疾患の管理が特に困難になる可能性があります。

「私たちの大きなビジョンは、質量分析地元。継続的なモニタリングが必要な慢性疾患を患っている人の場合、自宅でこの検査を行うために使用できる靴箱ほどの大きさのものがあればよいでしょう。それを実現するには、ハードウェアが安価でなければなりません」と、MIT マイクロシステム技術研究所 (MTL) の主任研究員であるルイス フェルナンド ベラスケス ガルシア氏は言います。

彼と彼の共同研究者らは、すべての質量分析計の重要なコンポーネントである、最先端のイオナイザーの 2 倍の性能を備えた低コストのイオナイザーを 3D プリントすることで、その方向への大きな一歩を踏み出しました。

サイズがわずか数センチメートルのこのデバイスは、バッチで大規模に製造し、効率的なピックアンドプレイスロボット組み立て方法を使用して質量分析計に組み込むことができます。このような大量生産により、多くの場合手作業が必要であったり、質量分析計と接続するための高価なハードウェアが必要であったり、半導体クリーンルームで構築する必要があったりする典型的なイオナイザーよりも安価になります。

代わりにデバイスを 3D プリントすることで、研究者らはその形状を正確に制御し、その性能を向上させる特殊な素材を利用することができました。

「これはイオナイザーを自作するアプローチですが、ダクトテープで固定する装置や、貧乏人版の装置ではありません。結局のところ、高価な材料を使って作られた装置よりもうまく機能します。プロセスと特殊な機器があれば、誰でもそれを実現する権限を得ることができます」と上級著者のベラスケス・ガルシア氏は言います。紙に掲載されたイオナイザーについて米国質量分析学会誌。彼はこの論文を筆頭著者であり、機械工学の大学院生である Alex Kachkine とともに執筆しました。

低コストのハードウェア

質量分析計は、イオンと呼​​ばれる荷電粒子を質量対電荷比に基づいて分類することにより、サンプルの内容を識別します。血液中の分子には電荷、分析前にイオナイザーを使用して電荷を与えます。

ほとんどの液体イオナイザーはエレクトロスプレーを使用してこれを行います。高電圧液体サンプルに注入し、荷電粒子の細いジェットを質量分析計に噴射します。スプレー内のイオン化粒子が多いほど、測定の精度が高くなります。

MIT の研究者は、3D プリンティングといくつかの賢明な最適化を使用して、低コストのエレクトロ スプレーを作成しました。エミッターこれは、最先端の質量分析イオナイザーのバージョンを上回りました。

彼らは、バインダージェッティング、3D 技術を使用して金属からエミッターを製造しました。印刷工程粉末材料のブランケットにポリマーベースの接着剤を小さなノズルから噴射して、オブジェクトを層ごとに構築します。完成したオブジェクトをオーブンで加熱して接着剤を蒸発させ、オブジェクトを周囲の粉末層から固めます。

「プロセスは複雑に思えますが、これは独自の 3D プリンティング手法の 1 つであり、非常に正確で非常に効果的です」と Velásquez-Garcá 氏は言います。

次に、印刷されたエミッターを鋭くする電解研磨ステップが行われます。最後に、各デバイスは酸化亜鉛ナノワイヤーでコーティングされており、エミッターに液体の効果的な濾過と輸送を可能にする多孔性レベルを与えます。

枠にとらわれずに考える

エレクトロスプレー エミッターに影響を与える可能性のある問題の 1 つは、動作中に液体サンプルに蒸発が発生する可能性があることです。溶媒が蒸発してエミッタが詰まる可能性があるため、エンジニアは通常、蒸発を制限するようにエミッタを設計します。

実験によって確認されたモデリングを通じて、MIT チームは蒸発を有利に利用できることに気づきました。彼らは、蒸発を利用して液体の流れを戦略的に制限する特定の角度を備えた外部から供給される固体円錐としてエミッターを設計しました。このようにして、サンプルスプレーには、より高い割合で電荷を運ぶ分子が含まれます。

「私たちは、蒸発が実際にパフォーマンスの最適化に役立つ設計の調整要素となり得ることを知りました」と彼は言います。

また、サンプルに電圧を加える対向電極も再考されました。研究チームは、同じバインダー噴射法を使用してサイズと形状を最適化し、電極がアーク放電を防止できるようにしました。電流が 2 つの電極間のギャップを飛び越えるときに発生するアーク放電は、電極を損傷したり、過熱を引き起こす可能性があります。

電極はアーク放電を起こしにくいため、安全に電力を増加させることができます。印加電圧その結果、より多くの分子がイオン化され、パフォーマンスが向上します。

彼らはまた、デジタルマイクロ流体工学を内蔵した低コストのプリント回路基板を作成し、エミッタはんだ付けされています。デジタル マイクロフルイディクスの追加により、イオナイザーは液体の液滴を効率的に輸送できるようになります。

これらの最適化により、最先端バージョンより 24% 高い電圧で動作できるエレクトロスプレー エミッターが可能になりました。このより高い電圧により、デバイスの信号対雑音比は 2 倍以上に向上しました。

さらに、同社のバッチ処理技術は大規模に実装できるため、各エミッターのコストが大幅に削減され、ポイントオブケア質量分析計を手頃な価格で現実のものにするのに大いに役立ちます。

「グッテンバーグの話に戻りますが、人々が自分のものを印刷できるようになると、世界は完全に変わりました。ある意味、これは同じことと言えるかもしれません。私たちは人々に、日常生活に必要なハードウェアを作成する力を与えることができます。」」と彼は言います。

今後、チームはイオナイザーと以前に開発した 3D プリントされた質量フィルターを組み合わせたプロトタイプを作成したいと考えています。イオナイザーとマスフィルターはデバイスの重要なコンポーネントです。彼らはまた、3D プリントによる真空ポンプの完成にも取り組んでいますが、これはコンパクトな質量分析計全体をプリントする上で依然として大きなハードルとなっています。

「先端技術による小型化は、ゆっくりと、しかし確実に質量分析法を変革し、製造コストを削減し、応用範囲を拡大しています。3D プリンティングによるエレクトロスプレー源の製造に関するこの取り組みは、信号強度も強化し、感度と S/N 比を向上させ、潜在的な可能性を広げます」臨床診断での使用がさらに広くなる方法です」と、この研究には関与していないインペリアル・カレッジ・ロンドン電気電子工学科のマイクロシステム技術教授リチャード・シムズ氏は言う。

詳細情報:Alex Kachkine et al、質量分析用の高性能、低コスト、積層型エレクトロスプレー イオン源、米国質量分析学会誌（2024年）。DOI: 10.1021/jasms.3c00409