质谱分析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进行测试的实验室。这种低效的过程会使慢性病的管理变得尤其具有挑战性。
“我们的远大愿景是使质谱分析本地化。对于患有需要持续监测的慢性疾病的人来说，他们可以拥有鞋盒大小的东西，可以在家中使用它进行这项测试。要实现这一点，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LuisFernandoVelásquez-García说道。
他和他的合作者通过3D打印低成本电离器(所有质谱仪的关键组件)，在这个方向上迈出了一大步，其性能是最先进同类产品的两倍。
他们的设备尺寸只有几厘米，可以批量生产，然后使用高效的拾放机器人组装方法整合到质谱仪中。这种大规模生产将使其比典型的离子发生器更便宜，后者通常需要手工劳动，需要昂贵的硬件与质谱仪连接，或者必须建造在半导体洁净室中。
通过3D打印该设备，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作离子发生器的方法，但它不是用胶带固定在一起的装置，也不是穷人版的设备。归根结底，它比使用昂贵的设备制造的设备效果更好。“任何人都可以制造它，”Velásquez-García说道，他是《美国质谱学会杂志》上发表的一篇关于电离器的论文的资深作者。他与机械工程研究生AlexKachkine共同撰写了这篇论文。
低成本硬件
质谱仪通过根据质荷比对带电粒子(称为离子)进行分类来识别样品的含量。由于血液中的分子不带电荷，因此在分析之前会使用电离器给它们带上电荷。
大多数液体离子发生器使用电喷雾来实现这一点，其中涉及施加高电压，然后将带电粒子的细流发射到质谱仪中。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低成本的电喷雾发射器，其性能优于最先进的质谱电离器版本。
他们使用粘合剂喷射(一种3D打印工艺)用金属制造发射器，其中通过微小喷嘴喷射聚合物基胶水，在粉末材料毯上喷洒一层一层物体。完成的物体在烤箱中加热，以蒸发胶水，然后将物体从周围的粉末床上加固。
Velásquez-García说：“这个过程听起来很复杂，但它是最初的3D打印方法之一，而且精度很高且非常有效。”
然后，印刷发射器经过电抛光步骤使其变得锋利。最后，每个设备都涂有氧化锌纳米线，这使发射器具有一定程度的孔隙率，使其能够有效过滤和传输液体。
研究人员将电喷雾发射器设计为外部馈送的实心锥体，具有特定的角度，利用蒸发来策略性地限制液体的流动。图为该设备的一些照片和插图。图片来源：麻省理工学院
外箱思考
影响电喷雾发射器的一个可能问题是操作期间液体样品可能发生的蒸发。溶剂可能会蒸发并堵塞发射器，因此工程师通常设计发射器来限制蒸发。
通过实验证实的模型，麻省理工学院的团队意识到他们可以利用蒸发来发挥其优势。他们将发射器设计为外部馈送的实心锥体，具有特定的角度，利用蒸发来策略性地限制液体的流动。这样，样品喷雾中含有较高比例的带电分子。
“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。
他们还重新考虑了向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。当电流穿过两个电极之间的间隙时会发生电弧，可能会损坏电极或导致过热。
由于其电极不易产生电弧，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。
他们还制造了一种低成本的印刷电路板，内置数字微流体，发射器焊接在上面。数字微流体的添加使电离器能够有效地传输液滴。
总而言之，这些优化使电喷雾发射器的工作电压比最先进的版本高24%。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，这将显着降低每个发射器的成本，并为使即时质谱仪成为负担得起的现实大有帮助。
“回到古腾堡，一旦人们有能力打印自己的东西，世界就彻底改变了。从某种意义上说，这可能会更加相似。我们可以赋予人们创造日常生活所需硬件的能力，“他说。
展望未来，该团队希望创建一个原型，将其离子发生器与他们之前开发的3D打印滤质器结合起来。电离器和滤质器是该装置的关键部件。他们还致力于完善3D打印真空泵，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坚定地改变质谱分析，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，并有可能打开伦敦帝国理工学院电气与电子工程系微系统技术教授理查德·西姆斯(RichardSyms)没有参与这项研究，他说。
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