A espectrometria de massa, técnica que consegue identificar com precisão os componentes químicos de uma amostra, poderia ser usada para monitorar a saúde de pessoas que sofrem de doenças crônicas. Por exemplo, um espectrômetro de massa pode medir os níveis hormonais no sangue de alguém com hipotireoidismo.

Mas os espectrômetros de massa podem custar várias centenas de milhares de dólares, pelo que estas máquinas caras ficam normalmente confinadas a laboratórios onde as amostras de sangue devem ser enviadas para análise. Este processo ineficiente pode tornar a gestão de uma doença crónica especialmente desafiadora.

“Nossa grande visão é tornar a espectrometria de massa local. Para quem tem uma doença crônica que exige monitoramento constante, pode ter algo do tamanho de uma caixa de sapatos que possa usar para fazer esse teste em casa. Para que isso aconteça, o hardware tem que ser barato”, afirma Luis Fernando Velásquez-García, principal cientista pesquisador dos Microsystems Technology Laboratories (MTL) do MIT.

Ele e seus colaboradores deram um grande passo nessa direção ao imprimir em 3D um ionizador de baixo custo – um componente crítico de todos os espectrômetros de massa – que funciona duas vezes melhor que seus equivalentes de última geração.

Seu dispositivo, que tem apenas alguns centímetros de tamanho, pode ser fabricado em escala em lotes e depois incorporado a um espectrômetro de massa usando métodos eficientes de montagem robótica do tipo "pick-and-place". Essa produção em massa o tornaria mais barato do que os ionizadores típicos que muitas vezes exigem trabalho manual, precisam de hardware caro para interagir com o espectrômetro de massa ou devem ser construídos em uma sala limpa de semicondutores.

Ao imprimir o dispositivo em 3D, os pesquisadores conseguiram controlar com precisão sua forma e utilizar materiais especiais que ajudaram a aumentar seu desempenho.

“Esta é uma abordagem do tipo “faça você mesmo” para fazer um ionizador, mas não é uma engenhoca presa com fita adesiva ou uma versão pobre do dispositivo. No final das contas, funciona melhor do que dispositivos fabricados com processos caros e instrumentos especializados, e qualquer pessoa pode ser capacitada para fabricá-lo”, afirma Velásquez-García, autor sênior de um artigo sobre o ionizador .

Ele escreveu o artigo com o autor principal Alex Kachkine, um estudante de graduação em engenharia mecânica. A pesquisa foi publicada no Journal of the American Association for Mass Spectrometry.

Os espectrômetros de massa identificam o conteúdo de uma amostra classificando partículas carregadas, chamadas íons, com base em sua relação massa/carga. Como as moléculas do sangue não têm carga elétrica, um ionizador é usado para dar-lhes carga antes de serem analisadas.

A maioria dos ionizadores líquidos faz isso usando eletrospray, que envolve a aplicação de alta voltagem a uma amostra líquida e, em seguida, dispara um jato fino de partículas carregadas no espectrômetro de massa. Quanto mais partículas ionizadas houver no spray, mais precisas serão as medições.

Os pesquisadores do MIT usaram a impressão 3D, juntamente com algumas otimizações inteligentes, para produzir um emissor de eletrospray de baixo custo que superou as versões de ionizador de espectrometria de massa de última geração.

Eles fabricaram o emissor de metal usando binder jetting, um processo de impressão 3D no qual uma manta de material em pó é regada com uma cola à base de polímero esguichada através de pequenos bicos para construir um objeto camada por camada. O objeto acabado é aquecido em um forno para evaporar a cola e depois consolidar o objeto a partir de uma camada de pó que o envolve.

“O processo parece complicado, mas é um dos métodos originais de impressão 3D e é altamente preciso e muito eficaz”, diz Velásquez-García.

Em seguida, os emissores impressos passam por uma etapa de eletropolimento que os afia. Finalmente, cada dispositivo é revestido com nanofios de óxido de zinco que conferem ao emissor um nível de porosidade que lhe permite filtrar e transportar líquidos com eficácia.

Um possível problema que afeta os emissores de eletropulverização é a evaporação que pode ocorrer na amostra líquida durante a operação. O solvente pode vaporizar e obstruir o emissor, por isso os engenheiros normalmente projetam emissores para limitar a evaporação.

Através de modelos confirmados por experimentos, a equipe do MIT percebeu que poderia usar a evaporação a seu favor. Eles projetaram os emissores como cones sólidos alimentados externamente com um ângulo específico que aproveita a evaporação para restringir estrategicamente o fluxo de líquido. Desta forma, o spray de amostra contém uma proporção mais elevada de moléculas portadoras de carga.

“Vimos que a evaporação pode, na verdade, ser um botão de design que pode ajudar a otimizar o desempenho”, diz ele.

Eles também repensaram o contraeletrodo que aplica tensão à amostra. A equipe otimizou seu tamanho e formato, usando o mesmo método de jateamento de ligante, para que o eletrodo evite a formação de arco. O arco voltaico, que ocorre quando a corrente elétrica salta entre dois eletrodos, pode danificar os eletrodos ou causar superaquecimento.

Como seu eletrodo não é propenso a formação de arco, eles podem aumentar com segurança a tensão aplicada, o que resulta em mais moléculas ionizadas e melhor desempenho.

Eles também criaram uma placa de circuito impresso de baixo custo com microfluídica digital integrada, à qual o emissor é soldado. A adição de microfluídica digital permite que o ionizador transporte eficientemente gotículas de líquido.

Juntas, essas otimizações possibilitaram um emissor de eletrospray que poderia operar a uma tensão 24% maior do que as versões de última geração. Essa tensão mais alta permitiu que seu dispositivo mais que dobrasse a relação sinal-ruído.

Além disso, sua técnica de processamento em lote poderia ser implementada em escala, o que reduziria significativamente o custo de cada emissor e ajudaria muito a tornar um espectrômetro de massa no local de atendimento uma realidade acessível.

“Voltando a Guttenberg, quando as pessoas tiveram a capacidade de imprimir as suas próprias coisas, o mundo mudou completamente. Em certo sentido, isso poderia ser mais do mesmo. Podemos dar às pessoas o poder de criar o hardware de que precisam no dia a dia”, afirma.

Seguindo em frente, a equipe quer criar um protótipo que combine seu ionizador com um filtro de massa impresso em 3D que eles desenvolveram anteriormente. O ionizador e o filtro de massa são os principais componentes do dispositivo. Eles também estão trabalhando para aperfeiçoar bombas de vácuo impressas em 3D , que continuam sendo um grande obstáculo para a impressão de um espectrômetro de massa compacto completo.

“A miniaturização por meio de tecnologia avançada está transformando lenta mas seguramente a espectrometria de massa, reduzindo o custo de fabricação e aumentando a gama de aplicações. Este trabalho na fabricação de fontes de eletrospray por impressão 3D também melhora a intensidade do sinal, aumentando a sensibilidade e a relação sinal-ruído e potencialmente abrindo caminho para um uso mais difundido no diagnóstico clínico”, diz Richard Syms, professor de tecnologia de microssistemas no Departamento de Elétrica. e Engenharia Eletrônica do Imperial College London, que não esteve envolvido nesta pesquisa.