[ad_1]
(noticias nanowerk) 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 con enfermedades crónicas. Por ejemplo, un espectrómetro de masas puede medir los niveles hormonales en la sangre de una persona con hipotiroidismo.
Sin embargo, debido a que los espectrómetros de masas pueden costar cientos de miles de dólares, estos costosos dispositivos generalmente se limitan a laboratorios que requieren el envío de muestras de sangre para su análisis. Este proceso ineficiente puede hacer que el tratamiento de una enfermedad crónica sea particularmente 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, es posible que tenga algo del tamaño de una caja de zapatos que pueda usar para realizar esta prueba en casa. Para lograrlo, el hardware debe ser rentable”, afirma Luis Fernando Velásquez-García, científico investigador senior de los Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT.
Él y sus colaboradores han dado un paso importante en esta 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.
![Los emisores de electropulverización son conos sólidos alimentados externamente en un ángulo específico que utilizan la evaporación para restringir específicamente el flujo de líquido.](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64985_1.jpg)
Con solo unos pocos centímetros de tamaño, su dispositivo puede producirse en masa a gran escala y luego integrarse en 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, requieren hardware costoso para interactuar con el espectrómetro de masas o deben construirse en una sala limpia de semiconductores.
En cambio, la impresión 3D del dispositivo permitió a los investigadores controlar con precisión su forma y utilizar materiales especiales que ayudaron a mejorar el rendimiento.
“Este es un método de «hágalo usted mismo» para fabricar un ionizador, pero no es un dispositivo sujeto con cinta adhesiva ni una versión del dispositivo para pobres. «En última instancia, funciona mejor que los dispositivos fabricados con procesos costosos e instrumentos especializados, y cualquiera puede estar capacitado para fabricarlo», dice Velásquez-García, autor principal de un artículo sobre el ionizador.
Fue coautor del artículo con el autor principal Alex Kachkine, un graduado en ingeniería mecánica. La investigación se publica en Revista de la Asociación Estadounidense de Espectrometría de Masas (“Fuentes de iones por electropulverización de alto rendimiento, bajo costo y fabricadas aditivamente para espectrometría de masas”).
Hardware económico
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 cargan con un ionizador antes del análisis.
La mayoría de los ionizadores líquidos hacen esto mediante electropulverización, que implica aplicar un alto voltaje a una muestra líquida y luego disparar un haz delgado 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 crear un emisor de electropulverización de bajo costo que supera a las versiones más modernas de los ionizadores de espectrometría de masas.
Hicieron el emisor de metal mediante aglutinante, un proceso de impresión 3D que implica cubrir una capa de material en polvo con un adhesivo a base de polímero rociado 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 solidificar 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 una porosidad que le permite filtrar y transportar líquidos de manera efectiva.
pensar en otras direcciones
Un problema potencial que afecta a los emisores de electropulverización es la evaporación que puede ocurrir en la muestra líquida durante la operación. El disolvente podría evaporarse 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 en un ángulo específico que utilizan la evaporación para restringir específicamente el flujo de líquido. De este modo, el spray de muestra contiene una mayor proporción de moléculas portadoras de carga.
«Vimos que la evaporación puede ser en realidad un botón de diseño que puede ayudar a optimizar el rendimiento», afirma.
También consideraron el contraelectrodo que aplica voltaje a la muestra. El equipo optimizó su tamaño y forma utilizando el mismo método de inyección de aglutinante para que el electrodo evite la formación de arcos. La formación de arcos, que se produce cuando la corriente eléctrica salta a través de un espacio entre dos electrodos, puede dañar los electrodos o provocar un sobrecalentamiento.
Debido a que su electrodo no es susceptible a la formación de arcos, pueden aumentar de manera segura el voltaje aplicado, lo que resulta en más moléculas ionizadas y un mejor rendimiento.
También han desarrollado una placa de circuito de bajo coste con microfluidos digitales integrados sobre los que se suelda el emisor. Con la adición de microfluidos digitales, el ionizador puede transportar gotas de líquido de manera eficiente.
Juntas, estas optimizaciones permitieron un emisor de electropulverización que podía funcionar a un voltaje un 24 por ciento más alto que las versiones de última generación. Este voltaje más alto permitió que su dispositivo duplicara con creces su relación señal-ruido.
Además, su técnica de procesamiento por lotes podría implementarse a gran 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, cuando la gente tuvo la posibilidad de imprimir sus propias cosas, el mundo cambió por completo. En cierto modo, esto podría ser más de lo mismo. Podemos brindar a las personas la oportunidad de desarrollar el hardware que necesitan en su vida diaria”, afirma.
En el futuro, al equipo le gustaría crear un prototipo que combine su ionizador con un filtro de masa impreso en 3D previamente desarrollado. 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 y completo.
“La miniaturización mediante tecnología avanzada está cambiando lenta pero seguramente la espectrometría de masas, reduciendo los costos de fabricación y ampliando la gama de aplicaciones. Este trabajo sobre la creación de fuentes de electrospray mediante impresión 3D también mejora la intensidad de la señal, aumenta la sensibilidad y la relación señal-ruido y potencialmente allana el camino para una aplicación más amplia en el diagnóstico clínico”, afirma Richard Syms, profesor de ingeniería de microsistemas en el Departamento de Electricidad. Ingeniería e ingeniería eléctrica del Imperial College London, que no participó en esta investigación.
[ad_2]