麻省理工研究人員為便攜質(zhì)譜儀3D打印微型精密組件

南極熊導(dǎo)讀：質(zhì)譜儀是識(shí)別化學(xué)物質(zhì)的設(shè)備,，廣泛應(yīng)用于犯罪現(xiàn)場(chǎng)分析、毒理學(xué)測(cè)試和地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域,。但采用傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)的設(shè)備體積過于龐大,、價(jià)格昂貴且容易損壞，這限制了它們的使用范圍,。

2024年1月5日,，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院（MTL）的研究人員利用3D打印技術(shù)為質(zhì)譜儀核心部件開發(fā)了一種質(zhì)量過濾器,，它是質(zhì)譜儀的核心部件,，比用傳統(tǒng)技術(shù)和材料制造的同類過濾器更輕、更便宜,。

這種3D打印四極桿質(zhì)量過濾器(QMF)可以在幾小時(shí)內(nèi)以幾美元的價(jià)格制造出來,。同時(shí)，該設(shè)備與一些商業(yè)級(jí)濾質(zhì)器一樣精確,，而這些濾質(zhì)器的成本可能超過10萬美元（約合71萬人民幣）,，并且需要數(shù)周時(shí)間才能完成生產(chǎn)。

△由于3D打印技術(shù)使研究人員能夠輕松嘗試新設(shè)計(jì),，因此他們?cè)诘竭_(dá)最終迭代(h)之前創(chuàng)建了許多不同的四極濾波器,，該濾波器被一系列三角形晶格包圍以提供耐用性

這一輕質(zhì)、低成本、高精度的四極桿成果標(biāo)志著MTL的首席研究科學(xué)家,，論文的資深作者Luis Fernando Velásquez-García二十年來在生產(chǎn)3D打印便攜式質(zhì)譜儀方面的重要突破,。他表示：“我們并非第一個(gè)嘗試這一創(chuàng)新的團(tuán)隊(duì)，但我們是第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)的,。雖然存在其他小型四極桿過濾器,，但它們無法與專業(yè)級(jí)質(zhì)量過濾器相媲美。如果尺寸和成本能夠更小,，而性能不受損害,，這將為硬件領(lǐng)域帶來無限可能�,！�

△該研究已發(fā)表在在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上,，題目為“通過陶瓷樹脂槽光聚合實(shí)現(xiàn)具有統(tǒng)一質(zhì)量分辨率的低成本、緊湊型四極桿質(zhì)量過濾器”（傳送門）

為什么要優(yōu)化質(zhì)譜儀的核心原件

質(zhì)譜儀的核心組件是濾質(zhì)器,，該組件利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子進(jìn)行分類,，根據(jù)它們的質(zhì)荷比來實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)允許設(shè)備測(cè)量樣品的化學(xué)成分,，從而識(shí)別未知物質(zhì),。舉例來說，科學(xué)家可以將便攜式質(zhì)譜儀帶到雨林的偏遠(yuǎn)地區(qū),，迅速分析潛在的污染物,，而無需將樣本運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。輕便的設(shè)備更為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,，也更容易被發(fā)送到太空,，用于監(jiān)測(cè)地球大氣層或遙遠(yuǎn)行星大氣層中的化學(xué)物質(zhì)。

四極桿是一種常見的濾質(zhì)器類型,，由圍繞軸的四個(gè)金屬桿構(gòu)成,。當(dāng)在棒上施加電壓時(shí)，產(chǎn)生電磁場(chǎng),，具有特定質(zhì)荷比的離子將在濾質(zhì)器中央旋轉(zhuǎn),，而其他顆粒則從側(cè)面逸出。通過改變電壓的組合,，可以瞄準(zhǔn)具有不同質(zhì)荷比的離子,。

雖然設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，典型的不銹鋼四極桿可能重達(dá)幾公斤,。然而,，將四極桿縮小并不容易，因?yàn)檫@樣做通常會(huì)引入制造過程中的錯(cuò)誤,。此外,，較小的濾質(zhì)器收集的離子較少,，導(dǎo)致化學(xué)分析的靈敏度降低。

△此過濾器采用耐熱的玻璃陶瓷樹脂制成,，通過3D打印能夠一體成型,，避免了組裝過程可能產(chǎn)生的缺陷，這一點(diǎn)更有助于維持四極桿的性能

采用3D打印制造理想的四極桿

為了克服這種權(quán)衡,，研究人員采用了增材制造技術(shù),，利用玻璃陶瓷樹脂制造了理想尺寸和形狀的小型四極桿，以提高精度和靈敏度,。這種材料可以在高達(dá)900°C的溫度下承受,，并在真空中表現(xiàn)良好。

該設(shè)備采用大桶光聚合工藝生產(chǎn),，通過將活塞推入液態(tài)樹脂桶中,，然后照亮并固化微小間隙中的樹脂，一層一層地構(gòu)建設(shè)備,。

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以積極迭代設(shè)計(jì),，由于3D打印機(jī)幾乎可以形成任何形狀，研究人員設(shè)計(jì)了帶有雙曲桿的四極桿,，這種形狀非常適合質(zhì)量過濾,，但傳統(tǒng)方法難以制造。

研究人員還在桿周圍打印了一個(gè)復(fù)雜的三角形網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò),，以提供耐用性,，并確保在設(shè)備移動(dòng)或搖晃時(shí)桿保持正確的位置。

為了完成四極桿,，他們使用了化學(xué)鍍技術(shù),，在桿上涂覆一層金屬薄膜,，使其具有導(dǎo)電性,。這一過程通過掩蔽化學(xué)品覆蓋除桿外的所有部分，然后將四極桿浸入加熱到精確溫度和攪拌條件的化學(xué)浴中來實(shí)現(xiàn),。這樣可以在棒上均勻沉積金屬薄膜,，而不會(huì)損壞設(shè)備的其余部分或?qū)е露搪贰?br />
Velásquez-García表示：“考慮到3D打印機(jī)的限制，最終我們成功制造出最緊湊,、最精確的四極桿,。”

△QMF入口的3D CAD詳細(xì)顯示了將雙曲桿連接到上部結(jié)構(gòu)的連接柱,。四極桿的長(zhǎng)度為12.5厘米,，而相對(duì)桿之間的間距為12毫米

最大化性能

該團(tuán)隊(duì)表示，相較于其它微型濾波器,，他們的3D打印四極桿質(zhì)量過濾器（QMF）可以獲得更高的分辨率,。這些四極桿的長(zhǎng)度約為12厘米，密度為同類不銹鋼過濾器的四分之一。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明,，這些3D打印的四極桿在精度上可以媲美大型商業(yè)過濾器,。

普渡大學(xué)化學(xué)教授Graham Cooks解釋道：“它的優(yōu)點(diǎn)在于它比大多數(shù)商業(yè)同類產(chǎn)品更小、更輕,，而且采用了增材結(jié)構(gòu)的整體制造,。對(duì)于其性能如何與四極離子阱相比，這是一個(gè)懸而未決的問題,。四極離子阱依賴于相同的電場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量,，但沒有像四極質(zhì)量過濾器那樣嚴(yán)格的幾何要求，”

利物浦大學(xué)電氣工程和電子學(xué)教授Steve Taylor表示：“這篇論文代表了四極桿質(zhì)量過濾器制造領(lǐng)域的真正進(jìn)步,。作者將先進(jìn)材料,、四極桿質(zhì)量過濾器驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和質(zhì)譜制造知識(shí)結(jié)合起來，以低成本生產(chǎn)出一種性能良好的新型系統(tǒng),�,！�

Taylor補(bǔ)充道，由于四極桿質(zhì)量過濾器是多種類型質(zhì)譜系統(tǒng)的精密核心原件之一,，因此這篇論文在整個(gè)質(zhì)譜領(lǐng)域具有重要意義,，該領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)代表著一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。

未來,，研究人員計(jì)劃通過增加過濾器的長(zhǎng)度來提高四極桿的性能,。較長(zhǎng)的過濾器能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)化學(xué)物質(zhì)沿其長(zhǎng)度移動(dòng)時(shí),，更多應(yīng)該被過濾掉的離子會(huì)逸出,。他們還打算研究不同陶瓷材料，以提高傳熱性能,。