麻省理工研究人員為便攜質譜儀3D打印微型精密組件

南極熊導讀：質譜儀是識別化學物質的設備，廣泛應用于犯罪現(xiàn)場分析、毒理學測試和地質調查等領域。但采用傳統(tǒng)制造技術生產的設備體積過于龐大、價格昂貴且容易損壞，這限制了它們的使用范圍。

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

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

△由于3D打印技術使研究人員能夠輕松嘗試新設計，因此他們在到達最終迭代(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、低成本、高精度的四極桿成果標志著MTL的首席研究科學家，論文的資深作者Luis Fernando Velásquez-García二十年來在生產3D打印便攜式質譜儀方面的重要突破。他表示：“我們并非第一個嘗試這一創(chuàng)新的團隊，但我們是第一個成功實現(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)級質量過濾器相媲美。如果尺寸和成本能夠更小，而性能不受損害，這將為硬件領域帶來無限可能�！�

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

為什么要優(yōu)化質譜儀的核心原件

質譜儀的核心組件是濾質器，該組件利用電場或磁場對帶電粒子進行分類，根據(jù)它們的質荷比來實現(xiàn)。這種技術允許設備測量樣品的化學成分，從而識別未知物質。舉例來說，科學家可以將便攜式質譜儀帶到雨林的偏遠地區(qū)，迅速分析潛在的污染物，而無需將樣本運回實驗室。輕便的設備更為經濟實惠，也更容易被發(fā)送到太空，用于監(jiān)測地球大氣層或遙遠行星大氣層中的化學物質。

四極桿是一種常見的濾質器類型，由圍繞軸的四個金屬桿構成。當在棒上施加電壓時，產生電磁場，具有特定質荷比的離子將在濾質器中央旋轉，而其他顆粒則從側面逸出。通過改變電壓的組合，可以瞄準具有不同質荷比的離子。

雖然設計相對簡單，典型的不銹鋼四極桿可能重達幾公斤。然而，將四極桿縮小并不容易，因為這樣做通常會引入制造過程中的錯誤。此外，較小的濾質器收集的離子較少，導致化學分析的靈敏度降低。

△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生的缺陷，這一點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

為了克服這種權衡，研究人員采用了增材制造技術，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900°C的溫度下承受，并在真空中表現(xiàn)良好。

該設備采用大桶光聚合工藝生產，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，一層一層地構建設備。

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

研究人員還在桿周圍打印了一個復雜的三角形網(wǎng)格網(wǎng)絡，以提供耐用性，并確保在設備移動或搖晃時桿保持正確的位置。

為了完成四極桿，他們使用了化學鍍技術，在桿上涂覆一層金屬薄膜，使其具有導電性。這一過程通過掩蔽化學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浴中來實現(xiàn)。這樣可以在棒上均勻沉積金屬薄膜，而不會損壞設備的其余部分或導致短路。

Velásquez-García表示：“考慮到3D打印機的限制，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詳細顯示了將雙曲桿連接到上部結構的連接柱。四極桿的長度為12.5厘米，而相對桿之間的間距為12毫米

最大化性能

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

進一步的實驗表明，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。

普渡大學化學教授Graham Cooks解釋道：“它的優(yōu)點在于它比大多數(shù)商業(yè)同類產品更小、更輕，而且采用了增材結構的整體制造。對于其性能如何與四極離子阱相比，這是一個懸而未決的問題。四極離子阱依賴于相同的電場進行質量測量，但沒有像四極質量過濾器那樣嚴格的幾何要求，”

利物浦大學電氣工程和電子學教授Steve Taylor表示：“這篇論文代表了四極桿質量過濾器制造領域的真正進步。作者將先進材料、四極桿質量過濾器驅動電子設備和質譜制造知識結合起來，以低成本生產出一種性能良好的新型系統(tǒng)�！�

Taylor補充道，由于四極桿質量過濾器是多種類型質譜系統(tǒng)的精密核心原件之一，因此這篇論文在整個質譜領域具有重要意義，該領域在全球范圍內代表著一個價值數(shù)十億美元的產業(yè)。

未來，研究人員計劃通過增加過濾器的長度來提高四極桿的性能。較長的過濾器能夠實現(xiàn)更精確的測量，因為當化學物質沿其長度移動時，更多應該被過濾掉的離子會逸出。他們還打算研究不同陶瓷材料，以提高傳熱性能。