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根据麻省理工学院（MIT）的消息，研究人员利用3D打印技术制造了一种点对点质谱仪的关键组件，这种工具可以精确识别样本的化学成分，并可用于监测患有慢性疾病的人的健康状况。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。然而，质谱仪的成本可能高达数十万美元，因此通常局限于实验室，血液样本必须被送去进行测试。
麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家路易斯·费尔南多·韦拉斯克斯-加西亚（Luis Fernando Velásquez-García）表示：“我们的远大愿景是实现质谱仪的本地化。对于需要进行持续监测的慢性疾病患者，他们可以在家中使用鞋盒大小的设备进行测试。为了实现这一目标，硬件必须价格低廉。”
他和他的合作者已经迈出了这方面的重要一步，通过3D打印一种低成本的离子发生器——这是所有质谱仪的关键组件，其性能是目前同类产品的两倍。这种设备只有几厘米大小，可以进行规模化生产，然后通过高效的拾取和放置机器人组装方法，集成到质谱仪中。这种大规模生产使其成本低于通常需要人工操作、需要昂贵硬件与质谱仪接口或必须在半导体洁净室中制造的离子发生器。
通过3D打印设备，研究人员能够精确控制其形状，并利用特殊材料来提高其性能。韦拉斯克斯-加西亚表示：“这是一种自助制作离子发生器的方法，但它不是用胶带粘在一起的装置，也不是设备的简易版本。最终，它的性能优于使用昂贵工艺和专门仪器制造的设备，任何人都可以制造它。”他是有关离子发生器的论文的主要作者，该研究得到了Empiriko公司的支持。
低成本硬件
质谱仪通过根据其质荷比对带电粒子（称为离子）进行排序来识别样本的成分。由于血液中的分子没有电荷，因此在分析之前需要使用离子发生器给它们充电。大多数液体离子发生器使用电喷雾来实现这一点，即将高电压施加到液体样本上，然后将带电粒子的细流射入质谱仪。喷雾中离子化的粒子越多，测量结果就越准确。
麻省理工学院的研究人员利用3D打印技术和一些优化方法，制造了一种低成本的电喷雾发射器，其性能优于目前最先进的质谱仪离子发生器版本。他们使用粉末喷射技术从金属制造了发射器。
然后，打印的发射器经过电抛光处理，使其变得锋利。最后，每个设备都被涂上氧化锌纳米线，这使得发射器具有一定的多孔性，能够有效过滤和输送液体。
创新思维
影响电喷雾发射器的一个可能问题是在操作过程中可能发生的液体样本蒸发。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以限制蒸发。
通过建模和实验证实，麻省理工学院团队意识到他们可以利用蒸发来获益。他们将发射器设计为具有特定角度的外部供给固体锥体，以战略性地限制液体流动。这样，样本喷雾中含有更高比例的携带电荷的分子。韦拉斯克斯-加西亚表示：“我们发现蒸发实际上可以成为一个设计旋钮，可以帮助您优化性能。”
他们还重新思考了施加电压的对电极。该团队使用相同的粉末喷射方法优化了其大小和形状，以防止电弧放电——即电流跳过两个电极之间的间隙，可能损坏电极或导致过热。由于他们的电极不容易发生电弧放电，他们可以安全地增加施加的电压，从而产生更多离子化的分子，性能更好。
他们还创建了一个低成本的印刷电路板，内置数字微流控技术，发射器焊接在上面。数字微流控的加入使得离子发生器能够有效地输送液滴。所有这些优化使得电喷雾发射器能够以比目前最先进版本高24%的电压运行。这种更高的电压使得他们的设备信噪比翻了一番。
此外，他们的批量加工技术可以实现规模化，这将大大降低每个发射器的成本，并在很大程度上使点对点质谱仪成为一个负担得起的现实。
韦拉斯克斯-加西亚表示：“回顾古腾堡，一旦人们有了打印自己所需物品的能力，世界就完全改变了。在某种意义上，这可能是同样的情况。我们可以赋予人们在日常生活中制造所需硬件的能力。”
未来，该团队希望创建一个原型，将他们的离子发生器与他们之前开发的3D打印质谱滤波器结合起来。离子发生器和质谱滤波器是该设备的关键组件。他们还在努力完善3D打印真空泵，这仍然是打印整个紧凑型质谱仪的一个主要障碍。
伦敦帝国理工学院电子与电气工程系微系统技术教授理查德·西姆斯（Richard Syms）表示：“通过先进技术进行微型化正在逐渐改变质谱仪，降低制造成本并扩大应用范围。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，可能为临床诊断的更广泛应用打开了道路。”他没有参与这项研究。
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