研究人员3D打印便携式质谱仪的组件

质谱仪是识别化学物质的设备，广泛用于犯罪现场分析、毒理学测试和地质调查等应用。但这些机器体积庞大、价格昂贵且容易损坏，这限制了它们可以有效部署的地方。

麻省理工学院的研究人员使用增材制造制造了一种质量过滤器，这是质谱仪的核心部件，它比使用传统技术和材料制成的相同类型的过滤器更轻、更便宜。

他们的小型化过滤器，被称为四极杆，可以在几个小时内完全制造出来，只需几美元。这种3D打印设备与一些商业级质量过滤器一样精确，这些过滤器的成本可能超过10万美元，并且需要数周时间才能制造出来。

该过滤器由耐用且耐热的微晶玻璃树脂制成，一步完成 3D 打印，因此无需组装。组装通常会引入可能影响四极杆性能的缺陷。

这种轻巧、廉价但精确的四极杆是 Luis Fernando Velásquez-García 20 年来生产 3D 打印便携式质谱仪的重要一步。

“我们不是第一个尝试这样做的人。但我们是第一个成功做到这一点的人。还有其他小型化四极杆过滤器，但它们无法与专业级质量过滤器相提并论。如果尺寸和成本可以更小，而不会对性能产生不利影响，那么这种硬件就有很多可能性，“麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家Velásquez-García说，他是一篇详细介绍小型化四极杆的论文的资深作者。

例如，科学家可以将便携式质谱仪带到热带雨林的偏远地区，用它来快速分析潜在的污染物，而无需将样品运回实验室。轻量级设备将更便宜，更容易送入太空，在那里它可以监测地球大气层或遥远行星大气层中的化学物质。

Velásquez-García与主要作者Colin Eckhoff一起撰写了这篇论文，他是麻省理工学院电气工程和计算机科学（EECS）的研究生;尼古拉斯·鲁宾斯基（Nicholas Lubinsky），前麻省理工学院博士后;以及 Ardara Technologies 的 Luke Metzler 和 Randall Pedder。该研究发表在 《高级科学》杂志上。

尺寸很重要

质谱仪的核心是质量过滤器。该组件使用电场或磁场根据带电粒子的质荷比对带电粒子进行分类。通过这种方式，该设备可以测量样品中的化学成分以识别未知物质。

四极杆是一种常见的质量过滤器，由围绕轴的四根金属棒组成。电压施加到杆上，产生电磁场。根据电磁场的性质，具有特定质荷比的离子将在过滤器的中间旋转，而其他颗粒则从侧面逸出。通过改变电压组合，可以靶向具有不同质荷比的离子。

虽然设计相当简单，但典型的不锈钢四极杆可能重达几公斤。但是，将四极杆小型化并非易事。缩小过滤器通常会在制造过程中引入错误。此外，较小的过滤器收集的离子较少，这使得化学分析的灵敏度降低。

“你不能让四极杆任意变小——这是需要权衡的，”Velásquez-García补充道。

他的团队通过利用增材制造来制造具有理想尺寸和形状的小型化四极杆，以最大限度地提高精度和灵敏度，从而平衡了这种权衡。

他们用微晶玻璃树脂制造过滤器，这是一种相对较新的可打印材料，可以承受高达 900 摄氏度的温度，并且在真空中表现良好。

该装置采用大桶光聚合法生产，活塞将活塞推入一桶液态树脂，直到它几乎接触底部的 LED 阵列。它们照亮、固化残留在活塞和 LED 之间微小间隙中的树脂。然后，一小层固化的聚合物粘在活塞上，活塞上升并重复循环，一次构建一小层设备。

“这是一种相对较新的陶瓷打印技术，可以让你制作非常精确的3D物体。增材制造的一个关键优势是，您可以积极地迭代设计，“Velásquez-García说。

由于3D打印机几乎可以形成任何形状，研究人员设计了一个带有双曲杆的四极杆。这种形状非常适合质量过滤，但很难用传统方法制造。许多商用过滤器采用圆形棒，这会降低性能。

他们还打印了一个围绕杆的三角形格子的复杂网络，这提供了耐用性，同时确保杆在设备移动或摇晃时保持正确定位。

为了完成四极杆，研究人员使用一种称为化学镀的技术在棒上涂上一层薄金属膜，使它们具有导电性。它们用掩蔽化学品覆盖除棒以外的所有东西，然后将四极杆浸入加热到精确温度和搅拌条件的化学浴中。这会在棒上均匀地沉积一层薄薄的金属膜，而不会损坏设备的其余部分或使棒短路。

“最后，考虑到我们3D打印机的限制，我们制造了最紧凑但也最精确的四极杆，”Velásquez-García说。

最大化性能

为了测试他们的3D打印四极杆，该团队将它们换成了一个商业系统，发现它们可以获得比其他类型的微型过滤器更高的分辨率。它们的四极杆长约 12 厘米，密度是同类不锈钢过滤器的四分之一。

此外，进一步的实验表明，他们的3D打印四极杆可以达到与大规模商业过滤器相当的精度。

“质谱法是所有科学工具中最重要的工具之一，Velásquez-Garcia及其同事描述了四极杆质量过滤器的设计，构造和性能，该过滤器与早期设备相比具有多项优势，”普渡大学阿斯顿质谱实验室亨利·博恩·哈斯（Henry Bohn Hass）化学杰出教授格雷厄姆·库克斯（Graham Cooks）说，他没有参与这项工作。“优势来自这些事实：它比大多数商业同类产品更小、更轻，并且是使用增材结构整体制造的。…与四极杆离子阱相比，其性能如何是一个悬而未决的问题，四极离子阱依赖于相同的电场进行质量测量，但没有四极杆质量过滤器的严格几何要求。

“这篇论文代表了四极杆质量过滤器（QMF）制造的真正进步。作者汇集了他们使用先进材料、QMF 驱动电子学和质谱法制造的知识，以低成本生产出具有良好性能的新型系统，“利物浦大学电气工程和电子学教授史蒂夫泰勒补充道，他也没有参与本文。“由于QMF是许多其他类型的质谱系统中’分析引擎’的核心，因此这篇论文在整个质谱领域具有重要意义，该领域在全球范围内代表着一个价值数十亿美元的行业。

未来，研究人员计划通过延长滤波器来提高四极杆的性能。更长的过滤器可以实现更精确的测量，因为当化学物质沿着其长度移动时，更多的离子会被过滤掉。他们还打算探索不同的陶瓷材料，以更好地传递热量。

“我们的愿景是制造一种质谱仪，其中所有关键组件都可以3D打印，从而在不牺牲性能的情况下以更轻的重量和成本制造设备。还有很多工作要做，但这是一个很好的开始，“Velásquez-Garcia补充道。

这项工作由Empirico公司资助。