質譜分析法是一種可以精確識別樣品化學成分的技術，可用於監測慢性病患者的健康狀況。例如，質譜儀可以測量甲狀腺功能減退症患者血液中的荷爾蒙水平。

但質譜儀可能要花費數十萬美元，因此這些昂貴的機器通常僅限於必須將血液樣本送去進行測試的實驗室。這種低效率的過程會使慢性病的管理變得尤其具有挑戰性。

「我們的遠大願景是讓質譜分析當地的。對於患有需要持續監測的慢性疾病的人來說，他們可以有一個鞋盒大小的東西，可以用來在家中進行此測試。要實現這一點，硬體必須便宜，」麻省理工學院微系統技術實驗室 (MTL) 的首席研究科學家 Luis Fernando Velásquez-García 說。

他和他的合作者透過 3D 列印低成本電離器（所有質譜儀的關鍵組件），在這個方向上邁出了一大步，其性能是最先進同類產品的兩倍。

他們的設備尺寸只有幾厘米，可以批量生產，然後使用高效的拾放機器人組裝方法整合到質譜儀中。這種大規模生產將使其比典型的離子產生器更便宜，後者通常需要手工勞動，需要昂貴的硬體與質譜儀連接，或必須建造在半導體潔淨室中。

透過 3D 列印該設備，研究人員能夠精確控制其形狀並利用有助於提高其性能的特殊材料。

「這是一種自己動手製作離子發生器的方法，但它不是用膠帶固定在一起的裝置，也不是窮人版的設備。歸根結底，它比使用昂貴的設備製造的設備效果更好。流程和專用儀器，任何人都可以被授權來製造它，」Velásquez-García 說，他是《一張紙關於離子發生器發表於美國質譜學會雜誌。他與機械工程研究生 Alex Kachkine 共同撰寫了這篇論文。

低成本硬體

質譜儀透過根據質荷比對帶電粒子（稱為離子）進行分類來識別樣品的內容。由於血液中的分子沒有電荷，在分析之前使用電離器為它們充電。

大多數液體離子發生器使用電噴霧來實現這一點，其中涉及應用高壓到液體樣品，然後將帶電粒子的細流射入質譜儀。噴霧中的電離顆粒越多，測量就越準確。

麻省理工學院的研究人員使用 3D 列印以及一些巧妙的優化來生產低成本的電噴霧發射器其性能優於最先進的質譜電離器版本。

他們使用黏合劑噴射（一種 3D印刷工藝其中透過微小噴嘴噴射聚合物基膠水，將粉末材料覆蓋在一層一層的物體上。完成的物體在烤箱中加熱，以蒸發膠水，然後將物體從周圍的粉末床上加固。

「這個過程聽起來很複雜，但它是原始的 3D 列印方法之一，而且精度很高且非常有效，」Velásquez-García 說。

然後，印刷發射器經過電拋光步驟使其變得鋒利。最後，每個設備都塗有氧化鋅奈米線，這使發射器具有一定程度的孔隙率，使其能夠有效過濾和傳輸液體。

跳出框框思考

影響電噴霧發射器的一個可能的問題是液體樣品在操作過程中可能發生的蒸發。溶劑可能會蒸發並堵塞發射器，因此工程師通常會設計發射器來限制蒸發。

透過實驗證實的模型，麻省理工學院的團隊意識到他們可以利用蒸發來發揮其優勢。他們將發射器設計為外部饋送的實心錐體，具有特定的角度，利用蒸發來策略性地限制液體的流動。這樣，樣品噴霧中含有較高比例的帶電分子。

「我們看到蒸發實際上可以成為一個設計旋鈕，可以幫助您優化性能，」他說。

他們還重新考慮了向樣品施加電壓的反電極。該團隊使用相同的黏合劑噴射方法優化了其尺寸和形狀，因此電極可以防止電弧。當電流穿過兩個電極之間的間隙時會發生電弧，可能會損壞電極或導致過熱。

由於他們的電極不易產生電弧，因此可以安全地增加施加電壓，這會產生更多的電離分子和更好的性能。

他們還製造了一種低成本的印刷電路板，內建數位微流體，發射器焊接在上面。數位微流體的添加使電離器能夠有效地傳輸液滴。

總而言之，這些最佳化使電噴霧發射器的工作電壓比最先進的版本高出 24%。這種更高的電壓使他們的設備的信噪比提高了一倍以上。

此外，他們的批次技術可以大規模實施，這將顯著降低每個發射器的成本，並為使即時質譜儀成為負擔得起的現實大有幫助。

「回到古騰堡，一旦人們有能力印製自己的東西，世界就徹底改變了。從某種意義上說，這可能會更加相似。我們可以賦予人們創造日常生活所需硬體的能力，」他說。

展望未來，該團隊希望創建一個原型，將其離子發生器與他們先前開發的 3D 列印濾網結合。電離器和濾質器是該裝置的關鍵部件。他們還致力於完善 3D 列印真空泵，這仍然是列印整個緊湊型質譜儀的主要障礙。

「透過先進技術實現的小型化正在緩慢但堅定地改變質譜分析，降低製造成本並擴大應用範圍。這項透過3D 列印製造電噴霧源的工作還增強了訊號強度，提高了靈敏度和信噪比，並有可能打開倫敦帝國學院電氣與電子工程系微系統技術教授理查德·西姆斯（Richard Syms）沒有參與這項研究，他說。

更多資訊：Alex Kachkine 等人，用於質譜分析的高性能、低成本、增材製造的電噴霧離子源，美國質譜學會雜誌（2024）。DOI：10.1021/jasms.3c00409