Forscher drucken 3D-Schlüsselkomponenten für ein Point-of-Care-Massenspektrometer

Kostengünstige Hardware übertrifft die modernsten Versionen und könnte eines Tages ein erschwingliches Gerät zur Gesundheitsüberwachung für den Hausgebrauch ermöglichen

09.04.2024

Die Massenspektrometrie, eine Technik, mit der sich die chemischen Bestandteile einer Probe genau bestimmen lassen, könnte zur Überwachung der Gesundheit von Menschen mit chronischen Krankheiten eingesetzt werden. Ein Massenspektrometer kann zum Beispiel den Hormonspiegel im Blut einer Person mit Hypothyreose messen.

Courtesy of Luis Fernando Velásquez-García, et al

MIT-Forscher haben einen Miniatur-Ionisator, der eine Schlüsselkomponente eines Massenspektrometers ist, in 3D gedruckt. Der neue Miniatur-Ionisator könnte eines Tages ein erschwingliches Massenspektrometer für die Gesundheitsüberwachung zu Hause ermöglichen. Die Abbildung zeigt Teile des neuen Geräts, darunter eine grüne Leiterplatte (PCB) mit einem orangefarbenen Gehäuse auf der Oberseite. Unter dem Gehäuse befindet sich ein schwarzes Rechteck, in dem der Elektrospray-Emitter untergebracht ist.

Massenspektrometer können jedoch mehrere hunderttausend Dollar kosten, so dass diese teuren Geräte in der Regel nur in Labors zu finden sind, in denen Blutproben zur Untersuchung eingeschickt werden müssen. Dieser ineffiziente Prozess kann das Management einer chronischen Krankheit besonders schwierig machen.

"Unsere große Vision ist es, die Massenspektrometrie lokal zu machen. Jemand, der an einer chronischen Krankheit leidet, die eine ständige Überwachung erfordert, könnte etwas in der Größe eines Schuhkartons haben, mit dem er diesen Test zu Hause durchführen kann. Dafür muss die Hardware preiswert sein", sagt Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT.

Er und seine Mitarbeiter haben einen großen Schritt in diese Richtung getan, indem sie einen kostengünstigen Ionisator - eine wichtige Komponente aller Massenspektrometer - im 3D-Druckverfahren hergestellt haben, der doppelt so gut funktioniert wie seine modernen Gegenstücke.

Das Gerät, das nur wenige Zentimeter groß ist, kann in großen Stückzahlen hergestellt und dann mit effizienten, robotergestützten Pick-and-Place-Montageverfahren in ein Massenspektrometer eingebaut werden. Eine solche Massenproduktion würde das Gerät billiger machen als typische Ionisatoren, die oft manuelle Arbeit erfordern, teure Hardware für die Verbindung mit dem Massenspektrometer benötigen oder in einem Halbleiterreinraum gebaut werden müssen.

Indem sie das Gerät stattdessen in 3D druckten, konnten die Forscher seine Form genau steuern und spezielle Materialien verwenden, die seine Leistung steigern.

"Dies ist ein Do-it-yourself-Ansatz zur Herstellung eines Ionisators, aber es handelt sich nicht um eine mit Klebeband zusammengehaltene Vorrichtung oder um die Version eines armen Mannes. Letztendlich funktioniert er besser als Geräte, die mit teuren Verfahren und Spezialinstrumenten hergestellt werden, und jeder kann ihn selbst herstellen", sagt Velásquez-García, Hauptautor eines Artikels über den Ionisator.

Er verfasste die Arbeit zusammen mit dem Hauptautor Alex Kachkine, einem Doktoranden des Maschinenbaus. Die Forschungsarbeit wurde im Journal of the American Association for Mass Spectrometry veröffentlicht.

Kostengünstige Hardware

Massenspektrometer identifizieren den Inhalt einer Probe, indem sie geladene Teilchen, so genannte Ionen, auf der Grundlage ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses sortieren. Da die Moleküle im Blut keine elektrische Ladung haben, werden sie vor der Analyse mit einem Ionisator aufgeladen.

Bei den meisten Flüssigkeitsionisierern geschieht dies durch Elektrospray, bei dem eine Hochspannung an eine flüssige Probe angelegt und dann ein dünner Strahl geladener Teilchen in das Massenspektrometer geschossen wird. Je mehr ionisierte Teilchen sich im Strahl befinden, desto genauer sind die Messungen.

Die MIT-Forscher nutzten den 3D-Druck und einige clevere Optimierungen, um einen kostengünstigen Elektrospray-Emitter herzustellen, der die modernsten Ionisatoren für die Massenspektrometrie übertraf.

Dabei handelt es sich um ein 3D-Druckverfahren, bei dem eine Schicht aus pulverförmigem Material mit einem Klebstoff auf Polymerbasis durch winzige Düsen gespritzt wird, um ein Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Das fertige Objekt wird in einem Ofen erhitzt, um den Klebstoff zu verdampfen und das Objekt anschließend aus dem Pulverbett, das es umgibt, zu verfestigen.

"Das Verfahren hört sich kompliziert an, aber es ist eine der ursprünglichen 3D-Druckmethoden, und es ist sehr präzise und sehr effektiv", sagt Velásquez-García.

Anschließend werden die gedruckten Emitter einem Elektropolierverfahren unterzogen, das sie schärft. Zum Schluss wird jedes Gerät mit Zinkoxid-Nanodrähten beschichtet, die dem Emitter ein Maß an Porosität verleihen, das es ihm ermöglicht, Flüssigkeiten effektiv zu filtern und zu transportieren.

Über den Tellerrand blicken

Ein mögliches Problem, das bei Elektrospray-Emittern auftritt, ist die Verdunstung der flüssigen Probe während des Betriebs. Das Lösungsmittel könnte verdampfen und den Emitter verstopfen, weshalb Ingenieure Emitter in der Regel so konstruieren, dass die Verdunstung begrenzt wird.

Durch Modellierung, die durch Experimente bestätigt wurde, erkannte das MIT-Team, dass sie die Verdunstung zu ihrem Vorteil nutzen können. Sie entwarfen die Emitter als von außen gespeiste feste Kegel mit einem bestimmten Winkel, der die Verdunstung ausnutzt, um den Flüssigkeitsstrom strategisch zu begrenzen. Auf diese Weise enthält der Probenstrahl einen höheren Anteil an ladungstragenden Molekülen.

"Wir haben gesehen, dass die Verdunstung tatsächlich ein Designknopf sein kann, mit dem man die Leistung optimieren kann", sagt er.

Auch die Gegenelektrode, die eine Spannung an die Probe anlegt, wurde überdacht. Das Team optimierte ihre Größe und Form und verwendete dieselbe Bindemittelstrahlmethode, damit die Elektrode keine Lichtbögen bildet. Lichtbögen, die entstehen, wenn elektrischer Strom einen Spalt zwischen zwei Elektroden überspringt, können Elektroden beschädigen oder zu Überhitzung führen.

Da ihre Elektrode nicht zur Lichtbogenbildung neigt, können sie die angelegte Spannung sicher erhöhen, was zu mehr ionisierten Molekülen und besserer Leistung führt.

Außerdem haben sie eine kostengünstige Leiterplatte mit eingebauter digitaler Mikrofluidik entwickelt, auf die der Emitter gelötet ist. Durch den Einbau der digitalen Mikrofluidik kann der Ionisator Flüssigkeitströpfchen effizient transportieren.

Zusammengenommen ermöglichten diese Optimierungen einen Elektrospray-Emitter, der mit einer um 24 Prozent höheren Spannung arbeiten kann als herkömmliche Versionen. Dank dieser höheren Spannung konnte das Signal-Rausch-Verhältnis des Geräts mehr als verdoppelt werden.

Darüber hinaus konnte ihre Batch-Processing-Technik in großem Maßstab implementiert werden, was die Kosten für jeden Emitter erheblich senken und einen großen Schritt in Richtung eines erschwinglichen Massenspektrometers für den Point-of-Care-Bereich bedeuten würde.

"Um auf Guttenberg zurückzukommen: Als die Menschen die Möglichkeit hatten, ihre eigenen Dinge zu drucken, hat sich die Welt völlig verändert. In gewissem Sinne könnte dies ein weiterer Schritt in diese Richtung sein. Wir können den Menschen die Möglichkeit geben, die Hardware herzustellen, die sie in ihrem täglichen Leben brauchen", sagt er.

In Zukunft will das Team einen Prototyp entwickeln, der den Ionisator mit einem 3D-gedruckten Massenfilter kombiniert, den sie zuvor entwickelt haben. Der Ionisator und der Massenfilter sind die Schlüsselkomponenten des Geräts. Außerdem arbeiten sie an der Perfektionierung von 3D-gedruckten Vakuumpumpen, die nach wie vor eine große Hürde für das Drucken eines kompletten kompakten Massenspektrometers darstellen.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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