Los investigadores imprimen en 3D componentes clave para un espectrómetro de masas en el punto de atención

La espectrometría de masas, una técnica que puede identificar con precisión los componentes químicos de una muestra, podría utilizarse para controlar la salud de personas que padecen enfermedades crónicas. Por ejemplo, un espectrómetro de masas puede medir los niveles hormonales en la sangre de una persona con hipotiroidismo.

Pero los espectrómetros de masas pueden costar varios cientos de miles de dólares, por lo que estas costosas máquinas normalmente se limitan a laboratorios donde se deben enviar muestras de sangre para su análisis. Este proceso ineficiente puede hacer que el manejo de una enfermedad crónica sea especialmente desafiante.

«Nuestra gran visión es hacer que la espectrometría de masas sea local. Para alguien que tiene una enfermedad crónica que requiere un seguimiento constante, podría tener algo del tamaño de una caja de zapatos que podría usar para hacer esta prueba en casa. Para que eso suceda, el hardware tiene que ser económico», dice Luis Fernando Velásquez-García, investigador principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT.

Él y sus colaboradores han dado un gran paso en esa dirección al imprimir en 3D un ionizador de bajo costo (un componente crítico de todos los espectrómetros de masas) que funciona dos veces mejor que sus homólogos de última generación.

Su dispositivo, que tiene sólo unos pocos centímetros de tamaño, puede fabricarse a escala en lotes y luego incorporarse a un espectrómetro de masas utilizando métodos eficientes de ensamblaje robótico de tipo pick-and-place. Esta producción en masa lo haría más barato que los ionizadores típicos que a menudo requieren mano de obra, necesitan hardware costoso para interactuar con el espectrómetro de masas o deben construirse en una sala limpia de semiconductores.

En cambio, al imprimir el dispositivo en 3D, los investigadores pudieron controlar con precisión su forma y utilizar materiales especiales que ayudaron a mejorar su rendimiento.

«Este es un método de «hágalo usted mismo» para fabricar un ionizador, pero no es un artilugio unido con cinta adhesiva o una versión del dispositivo para un hombre pobre. Al final del día, funciona mejor que los dispositivos fabricados con costosos procesos e instrumentos especializados, y cualquiera puede tener el poder para hacerlo», dice Velásquez-García, autor principal de un papel sobre el ionizador publicado en Revista de la Sociedad Estadounidense de Espectrometría de Masas. Escribió el artículo con el autor principal Alex Kachkine, un estudiante de posgrado en ingeniería mecánica.

Hardware de bajo costo

Los espectrómetros de masas identifican el contenido de una muestra clasificando las partículas cargadas, llamadas iones, según su relación masa-carga. Dado que las moléculas de la sangre no tienen carga eléctrica, se utiliza un ionizador para cargarlas antes de analizarlas.

La mayoría de los ionizadores líquidos hacen esto mediante electropulverización, que implica aplicar un alto voltaje a una muestra líquida y luego disparar un fino chorro de partículas cargadas al espectrómetro de masas. Cuantas más partículas ionizadas haya en el spray, más precisas serán las mediciones.

Los investigadores del MIT utilizaron la impresión 3D, junto con algunas optimizaciones inteligentes, para producir un emisor de electropulverización de bajo costo que superó a las versiones de ionizadores de espectrometría de masas de última generación.

Fabricaron el emisor de metal mediante aglutinante, un proceso de impresión 3D en el que una capa de material en polvo se rocía con un pegamento a base de polímero que se inyecta a través de pequeñas boquillas para construir un objeto capa por capa. El objeto terminado se calienta en un horno para evaporar el pegamento y luego consolidar el objeto a partir de un lecho de polvo que lo rodea.

«El proceso parece complicado, pero es uno de los métodos originales de impresión 3D, y es muy preciso y muy eficaz», dice Velásquez-García.

Luego, los emisores impresos se someten a un paso de electropulido que los afila. Finalmente, cada dispositivo está recubierto con nanocables de óxido de zinc que le dan al emisor un nivel de porosidad que le permite filtrar y transportar líquidos de manera efectiva.

pensar más allá

Un posible problema que afecta a los emisores de electrospray es la evaporación que puede ocurrirle a la muestra líquida durante la operación. El disolvente podría vaporizarse y obstruir el emisor, por lo que los ingenieros suelen diseñar emisores para limitar la evaporación.

A través de modelos confirmados por experimentos, el equipo del MIT se dio cuenta de que podían aprovechar la evaporación. Diseñaron los emisores como conos sólidos alimentados externamente con un ángulo específico que aprovecha la evaporación para restringir estratégicamente el flujo de líquido. De este modo, el spray de muestra contiene una mayor proporción de moléculas portadoras de carga.

«Vimos que la evaporación en realidad puede ser un botón de diseño que puede ayudar a optimizar el rendimiento», afirma.

También repensaron el contraelectrodo que aplica voltaje a la muestra. El equipo optimizó su tamaño y forma, utilizando el mismo método de inyección de aglutinante, de modo que el electrodo evite la formación de arcos. La formación de arcos, que se produce cuando la corriente eléctrica salta un espacio entre dos electrodos, puede dañar los electrodos o causar sobrecalentamiento.

Debido a que su electrodo no es propenso a formar arcos, pueden aumentar de manera segura el voltaje aplicado, lo que resulta en más moléculas ionizadas y un mejor rendimiento.

También crearon una placa de circuito impreso de bajo costo con microfluidos digitales incorporados, a los que se suelda el emisor. La adición de microfluidos digitales permite que el ionizador transporte eficientemente gotas de líquido.

En conjunto, estas optimizaciones permitieron un emisor de electropulverización que podía funcionar a un voltaje un 24% más alto que las versiones de última generación. Este voltaje más alto permitió que su dispositivo duplicara con creces la relación señal-ruido.

Además, su técnica de procesamiento por lotes podría implementarse a escala, lo que reduciría significativamente el costo de cada emisor y contribuiría en gran medida a hacer que un espectrómetro de masas en el punto de atención sea una realidad asequible.

«Volviendo a Gutenberg, una vez que la gente tuvo la capacidad de imprimir sus propias cosas, el mundo cambió por completo. En cierto sentido, esto podría ser más de lo mismo. Podemos darle a la gente el poder de crear el hardware que necesitan en su vida diaria. ,» él dice.

En el futuro, el equipo quiere crear un prototipo que combine su ionizador con un filtro de masa impreso en 3D que desarrollaron previamente. El ionizador y el filtro de masa son los componentes clave del dispositivo. También están trabajando para perfeccionar las bombas de vacío impresas en 3D, que siguen siendo un gran obstáculo para imprimir un espectrómetro de masas compacto completo.

«La miniaturización a través de tecnología avanzada está transformando lenta pero seguramente la espectrometría de masas, reduciendo el costo de fabricación y aumentando la gama de aplicaciones. Este trabajo sobre la fabricación de fuentes de electrospray mediante impresión 3D también mejora la intensidad de la señal, aumenta la sensibilidad y la relación señal-ruido y abre potencialmente el camino hacia un uso más generalizado en el diagnóstico clínico», afirma Richard Syms, profesor de tecnología de microsistemas en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica del Imperial College de Londres, que no participó en esta investigación.