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POC質量分析計のキーコンポーネントを3Dプリント

June, 6, 2024, Cambridge--質量分析は、サンプルの化学成分を正確に識別できる技術であり、慢性疾患に苦しむ人々の健康状態を監視するために使用できる。たとえば、質量分析計は、甲状腺機能低下症の人の血液中のホルモンレベルを測定できる。

しかし、質量分析計は数十万ドルの費用がかかるため、これらの高価な機械は通常、血液サンプルを検査のために送らなければならない検査室に限定されている。この非効率的なプロセスにより、慢性疾患の管理が特に困難になる可能性がある。

MITのマイクロシステム技術研究所(MTL)の主任研究員、Luis Fernando Velásquez-Garcíaは「われわれの大きなビジョンは、質量分析を局所的にすることである。絶え間ない監視が必要な慢性疾患を抱えている人は、自宅でこの検査を行うために使用できる靴箱ほどの大きさのものを持っている可能性がある。そのためには、ハードウェアを安価にする必要がある」と、話している。

彼と共同研究チームは、すべての質量分析計の重要なコンポーネントである低コストのイオナイザを3Dプリントすることで、その方向への大きな一歩を踏み出した。こはれ、最先端のイオナイザの2倍の性能を発揮する。

わずか数センチメートルの大きさのこの装置は、バッチで大規模に製造し、効率的なピックアンドプレースロボット組立法を使用して質量分析計に組み込むことができる。このような大量生産は、手作業を必要とすることが多く、質量分析計とのインタフェースに高価なハードウェアを必要とする、または半導体のクリーンルームに構築する必要がある一般的なイオナイザよりも安価になる。

代わりにデバイスを3Dプリントすることで、研究者たちはその形状を正確に制御し、性能を向上させるのに役立つ特別な材料を利用することができた。

「これはイオナイザを作るためのDIYアプローチだが、ガムテープや貧者の装置で固定された仕掛けではない。結局のところ、高価なプロセスや特殊な機器を使用して作られたデバイスよりもうまく機能し、誰でも製造できるようになる」と、イオナイザに関する論文の主任著者、Velásquez-Garcíaはコメントしている。

同氏は、論文の筆頭著者、機械工学の大学院生、Alex Kachkineと共同で執筆した。この研究成果は、Journal of the American Association for Mass Spectrometryに掲載された。

低コストのハードウェア
質量分析計は、イオンと呼ばれる荷電粒子を質量電荷比に基づいて選別することにより、サンプルの内容物を識別する。血液中の分子は電荷を持たないため、分析する前にイオナイザを使用して電荷を与える。

ほとんどの液体イオナイザは、液体サンプルに高電圧を印加し、荷電粒子の薄いジェットを質量分析計に噴射するエレクトロスプレーを使用してこれを行う。スプレー中のイオン化粒子が多いほど、測定はより正確になる。

MITの研究チームは、3Dプリンティングと巧妙な最適化により、最先端の質量分析イオナイザよりも優れた性能を発揮する低コストのエレクトロスプレーエミッタを製造した。

チームは、粉末状の材料の毛布にポリマベースの接着剤を小さなノズルから噴射して物体を層ごとに構築する3Dプリントプロセスであるバインダージェッティングを使用して、金属からエミッタを製造した。完成した物体をオーブンで加熱して接着剤を蒸発させ、周囲の粉末の床から物体を固める。

「このプロセスは複雑に聞こえるが、これはオリジナルの3Dプリンティング方法の1つであり、極めて正確で非常に効果的である」(Velásquez-García)。

次に、プリントされたエミッタは、それを研ぎ澄ます電解研磨ステップを受ける。最後に、各デバイスは酸化亜鉛ナノワイヤでコーティングされており、エミッタに液体を効果的にろ過および輸送できるレベルの多孔性を与える。

枠にとらわれない発想
エレクトロスプレーエミッタに影響を与える可能性のある問題の1つは、動作中に液体サンプルに発生する可能性のある蒸発である。溶媒が気化してエミッタを詰まらせる可能性があるため、エンジニアは通常、蒸発を制限するようにエミッタを設計する。

MITチームは、実験で確認されたモデリングを通じて、蒸発を有利に利用できることに気付いた。チームは、蒸発を利用して液体の流れを戦略的に制限する特定の角度を持つ外部から供給される固体円錐としてエミッタを設計した。このようにして、サンプルスプレーには、より高い比率の電荷担持分子が含まれている。

「エバポレーションは、性能の最適化に役立つ設計ノブになり得ることがわかった」。

また、サンプルに電圧を印加する対極も見直した。研究チームは、同じバインダージェッティング方法を使用してサイズと形状を最適化し、電極がアーク放電を防止できるようにした。アーク放電は、電流が2つの電極間のギャップを飛び越えるときに発生し、電極を損傷したり、過熱を引き起こしたりする可能性がある。

電極はアーク放電を起こしにくいため、印加電圧を安全に上げることができ、その結果、より多くのイオン化された分子と性能が向上する。

また、デジタルマイクロ流体工学を内蔵した低コストのプリント回路基板(PCB)も作成し、エミッタをハンダ付けした。デジタルマイクロ流体工学の追加により、イオナイザは液体の液滴を効率的に輸送できる。

これらの最適化により、最先端のバージョンよりも24%高い電圧で動作できるエレクトロスプレーエミッタが可能になった。この高い電圧により、デバイスは信号対雑音比(SNR)を2倍以上にすることができた。

さらに、バッチ処理技術を大規模に実装できるため、各エミッターのコストを大幅に削減し、ポイントオブケア(POC)質量分析計を手頃な価格で実現するのに大いに役立つ。

「Guttenbergに話を戻すと、人々が自分でプリントできるようになると、世界は一変した。ある意味では、これは同じかもしれない。われわれは、人々が日常生活で必要とするハードウェアを作成する力を与えることができる」。

今後は、イオナイザと、以前に開発した3Dプリント質量フィルタを組み合わせたプロトタイプの作成を考えている。イオナイザとマスフィルタは、この装置の主要コンポーネントである。また、3Dプリントされた真空ポンプの完成にも取り組んでいるが、これはコンパクトな質量分析計全体をプリントする上で依然として大きなハードルとなっている。

「高度な技術による小型化は、ゆっくりと、しかし確実に質量分析を変革し、製造コストを削減し、アプリケーションの範囲を拡大している。3Dプリンティングによるエレクトロスプレー光源の作製に関するこの研究は、信号強度を高め、感度とSNRを向上させ、臨床診断におけるより広範な使用への道を開く可能性がある」と、この研究には関与していないインペリアル・カレッジ・ロンドンの電気電子工学科のマイクロシステム技術教授であるRichard Symsはコメントしている。