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、質量分析をローカルなものにすることです。 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。このイオナイザーは、最先端の質量分析計の 2 倍の性能を発揮します。
サイズがわずか数センチメートルの同社のデバイスは、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分で作る方法ですが、ダクトテープで固定した装置や、貧乏人版の装置ではありません。 結局のところ、それは高価なプロセスや特殊な機器を使用して作られたデバイスよりもうまく機能し、誰でもそれを作ることができるのです」と、ある論文の上級著者であるベラスケス・ガルシア氏は述べています。 イオナイザーに紙を置く。
彼は機械工学の大学院生で筆頭著者のアレックス・カチキンとともにこの論文を執筆した。 この研究は、 米国質量分析協会のジャーナル。
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。 血液中の分子は電荷を持たないため、分析前にイオナイザーを使用して分子に電荷を与えます。
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。エレクトロ スプレーでは、液体サンプルに高電圧を印加し、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 の研究者らは、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、最先端の質量分析イオナイザー バージョンを上回る低コストのエレクトロスプレー エミッターを製造しました。
彼らは、バインダージェッティングを使用して金属からエミッターを製造しました。これは、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する3D印刷プロセスです。 完成した物体をオーブンで加熱して接着剤を蒸発させ、物体を取り囲む粉末層から物体を固めます。
「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、精度が高く、非常に効果的です」とベラスケス ガルシア氏は言います。
次に、印刷されたエミッタは電解研磨ステップを受けて鋭くなります。 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ろ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。
彼らはまた、サンプルに電圧を印加する対極も再考しました。 研究チームは、同じバインダー噴射法を使用して電極の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。
これらの電極はアーク放電を起こしにくいため、印加電圧を安全に増加させることができ、その結果、より多くの分子がイオン化され、性能が向上します。
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、エミッター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。
これらの最適化を総合すると、エレクトロスプレー エミッターは最先端バージョンより 24% 高い電圧で動作できるようになりました。 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。 ある意味では、これと同じかもしれません。 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 3D プリントされたマスフィルター 彼らは以前に開発しました。 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。 彼らも完璧にするために取り組んでいます 3D プリントされた真空ポンプこれらは、コンパクトな質量分析計全体を印刷する上で依然として大きな障害となっています。
「先進技術による小型化により、ゆっくりとではあるが確実に質量分析法が変革され、製造コストが削減され、応用範囲が拡大しています。 3D プリンティングによるエレクトロスプレー ソースの製造に関するこの研究は、信号強度も強化し、感度と信号対雑音比を向上させ、臨床診断でのより広範な使用への道を開く可能性があります」と電気学科のマイクロシステム技術教授リチャード・シムスは述べています。インペリアル・カレッジ・ロンドンの電子工学博士はこの研究には関与していませんでした。
この作品は株式会社エンピリコ様にご協力いただきました。
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2024-04-04 04:00:00