Исследователи создали 3D -печатные компоненты для портативного масс -спектрометра

Поскольку аддитивное производство позволяет исследователям легко пробовать новые конструкции, они создали ряд различных квадрупольных фильтров, прежде чем прибыть в окончательную итерацию (H), которая окружена серией треугольных решетков для обеспечения долговечности.Кредит: Массачусетский технологический институт

Масс -спектрометры, устройства, которые идентифицируют химические вещества, широко используются в таких приложениях, как анализ сцены преступности, тестирование токсикологии и геологические исследования.Но эти машины являются громоздкими, дорогими и простыми в повреждении, что ограничивается там, где их можно эффективно развернуть.

Используя аддитивное производство, исследователи MIT производили массовый фильтр, который является основным компонентом масс -спектрометра, который намного легче и дешевле, чем тот же тип фильтра, изготовленного с традиционными методами и материалами.

Их миниатюрный фильтр, известный как квадруполь, может быть полностью изготовлен за несколько часов за несколько долларов.Устройство с 3D-печатью столь же точнее, как и некоторые массовые фильтры коммерческого класса, которые могут стоить более 100 000 долларов США, и для производства потребуется недели.

Построенный из прочной и термостойкой стекровальной смолы, фильтр 3D напечатан за один шаг, поэтому сборка не требуется.Сборка часто вводит дефекты, которые могут препятствовать производительности квадруполей.

Этот легкий, дешевый, но точный квадруполь является одним из важных шагов в 20-летнем стремлении Луиса Фернандо Веласкес-Гарсии для производства 3D-пехотинца, портативного масс-спектрометра.

«Мы не первые, кто пытается сделать это. Но мы первые, кто успел сделать это. Есть другие миниатюрные квадрупольные фильтры, но они не сопоставимы с массовыми фильтрами профессионального класса. Есть много возможностей.Для этого оборудования, если размер и стоимость могут быть меньше, не отрицательно влияя на производительность »,-говорит Веласкес-Гарсия, основной научный сотрудник MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL) и старший автор статьи, в котором подробно описывается миниатюрированный квадруполь.

Например, ученый может принести портативный масс -спектрометр в отдаленные районы тропических лесов, используя его для быстрого анализа потенциальных загрязняющих веществ без доставки образцов обратно в лабораторию.И легкое устройство было бы дешевле и проще отправлять в космос, где оно может контролировать химические вещества в атмосфере Земли или на далеких планетах.

Веласкес-Гарсия присоединяется к бумаге ведущим автором Колином Экгоффом, аспирантом MIT по электротехнике и информатике (EECS);Николас Любинский, бывший постдок Массачусетского технологического института;и Люк Метцлер и Рэндалл Педдер из Ardara Technologies.Исследование опубликовано в Advanced Science.

В основе масс -спектрометра лежит массовый фильтр.Этот компонент использует электрические или магнитные поля для сортировки заряженных частиц на основе их соотношения массы к заряду.Таким образом, устройство может измерять химические компоненты в образце, чтобы идентифицировать неизвестное вещество.

Квадруполь, общий тип массового фильтра, состоит из четырех металлических стержней, окружающих ось.Напряжения применяются к стержням, которые производят электромагнитное поле.В зависимости от свойств электромагнитного поля ионы со специфическим соотношением массы к заряду будут кружиться через середину фильтра, в то время как другие частицы выходят из стороны.Из-за изменения смеси напряжений можно нацелить ионы с различными соотношениями массы к заряду.

Несмотря на то, что в дизайне довольно прост, типичный квадруполь из нержавеющей стали может весить несколько килограммов.Но миниатюрирование квадруполя - нелегкая задача.Сделать фильтр меньше обычно вводит ошибки в процессе производства.Кроме того, меньшие фильтры собирают меньше ионов, что делает химический анализ менее чувствительным.

«Вы не можете сделать квадрузоли произвольно меньше-есть компромисс»,-добавляет Веласкес-Гарсия.

Его команда уравновешивала этот компромисс, используя аддитивное производство для создания миниатюрных квадруполей с идеальным размером и формой, чтобы максимизировать точность и чувствительность.

Они изготавливают фильтр из стекло-керамической смолы, которая представляет собой относительно новый печатный материал, который может выдерживать температуру до 900 ° C и хорошо выполняется в вакууме.

Устройство производится с использованием фотополимеризации НДС, процесса, когда поршень выдвигается в чан жидкой смолы, пока оно почти не затрагивает массив светодиодов внизу.Они освещают, вылечивая смолу, которая остается в незначительном зазоре между поршнем и светодиодами.Затем крошечный слой вылеченного полимера придерживается поршня, который поднимается и повторяет цикл, создавая устройство по одному крошечному слою за раз.

«Это относительно новая технология для печати керамики, которая позволяет вам создавать очень точные 3D-объекты. И одно ключевое преимущество в производстве аддитивного производства заключается в том, что вы можете агрессивно итерации проектов»,-говорит Веласкес-Гарсия.

Поскольку 3D -принтер может формировать практически любую форму, исследователи разработали квадруполь с гиперболическими стержнями.Эта форма идеально подходит для массовой фильтрации, но трудно сделать с обычными методами.Вместо этого многие коммерческие фильтры используют округлые стержни, что может снизить производительность.

Они также напечатали сложную сеть треугольных решетков, окружающих стержни, которая обеспечивает долговечность, обеспечивая при этом стержни правильно расположены, если устройство перемещается или встряхнут.

Чтобы закончить квадруполь, исследователи использовали технику, называемую электроположим, чтобы покрыть стержни тонкой металлической пленкой, что делает их электрически проводящей.Они покрывают все, кроме стержней маскирующим химическим веществом, а затем погружают квадруполь в химическую ванну, нагретую до точной температуры и условий перемешивания.Это откладывает тонкую металлическую пленку на стержнях равномерно, не повреждая остальную часть устройства и не зажигая стержни.

«В конце концов, мы сделали квадруполи, которые были самыми компактными, но также и самыми точными, которые могли быть сделаны, учитывая ограничения нашего 3D-принтера»,-говорит Веласкес-Гарсия.

Чтобы проверить свои 3D-печатные квадпуры, команда поменяла их в коммерческую систему и обнаружила, что они могут достичь более высоких разрешений, чем другие типы миниатюрных фильтров.Их квадруполь, длиной около 12 сантиметров, на четверть-плотность сопоставимых фильтров из нержавеющей стали.

Кроме того, дальнейшие эксперименты показывают, что их 3D-печатные квадруполи могут достичь точности, которая находится на одном уровне с крупными коммерческими фильтрами.

«Масс-спектрометрия является одним из наиболее важных из всех научных инструментов, и Velásquez-Garcia и коллеги описывают проектирование, строительство и производительность квадрупольного массового фильтра, который имеет несколько преимуществ по сравнению с более ранними устройствами»,-говорит Грэм Кук, Генри.Бон Хасс выдающийся профессор химии в Aston Laboratories для масс -спектрометрии в Университете Пердью, который не был связан с этой работой.

«Преимущества вытекают из этих фактов: он намного меньше и легче, чем большинство коммерческих аналогов, и изготавливается монолитно, используя аддитивную конструкцию.… Это открытый вопрос о том, насколько хорошо будут сравниваться производительность с квадрупольными ионными ловушками, которые, которые будутВ зависимости от тех же электрических полей для измерения массы, но которые не имеют строгих геометрических требований квадрупольных массовых фильтров », - говорит Кукс.

«Эта статья представляет собой реальный прогресс в производстве квадрупольных массовых фильтров (QMF). Авторы объединяют свои знания в области производства с использованием расширенных материалов, электроники QMF и масс -спектрометрии для создания новой системы с хорошей производительностью по низкой стоимости», - этодобавляет Стив Тейлор, профессор электротехники и электроники в Университете Ливерпуля, который также не был связан с этой статьей.

«Поскольку QMF лежат в основе« аналитического двигателя »во многих других типах систем масс-спектрометрии, статья имеет важное значение во всем поле масс-спектрометрии, которое во всем мире представляет собой многомиллионную промышленность»,-говорит Тейлор.

В будущем исследователи планируют повысить производительность квадруполя, сделав фильтры дольше.Более длинный фильтр может обеспечить более точные измерения, поскольку больше ионов, которые должны быть отфильтрованы, выходят, когда химическое вещество движется по своей длине.Они также намерены изучить различные керамические материалы, которые могут лучше перенести тепло.

«Наше видение состоит в том, чтобы сделать масс -спектрометр, в котором все ключевые компоненты могут быть напечатаны 3D, способствуя устройству с гораздо меньшим весом и стоимостью без жертв.”Веласкес-Гарсия добавляет.

Больше информации: Колин С. Экхофф и др., Компактные квадрупольные массовые фильтры с низким уровнем костюма с разрешением массы единства посредством фотополимеризации керамической смолы, усовершенствованной науки (2023).Doi: 10.1002/Advs.202307665