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首页 > 资讯中心便携式质谱仪的山东青岛3D打印组件
发布时间：2024-01-16
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质谱仪是识别化学物质的设备，广泛应用于犯罪现场分析、毒理学测试和地质调查等领域。但这些机器体积庞大、价格昂贵且容易损坏，这限制了它们的有效部署。
这张照片显示了3D打印的小型四极杆质量过滤器的示例，它们可以在几个小时内以几美元的价格制造出来
麻省理工学院的研究人员利用增材制造技术生产了一种质量过滤器，它是质谱仪的核心部件，比采用传统技术和材料制造的同类型过滤器更轻、更便宜。
他们的微型过滤器被称为四极杆，可以在几小时内以几美元的价格完全制造出来。该3D打印设备与一些商业级滤质器一样精确，而这些滤质器的成本可能超过 100,000 美元，并且需要数周时间才能制造。
该过滤器采用耐用且耐热的玻璃陶瓷树脂制成，一步3D打印而成，因此无需组装。装配经常会引入缺陷，从而影响四极杆的性能。
这种轻质、廉价且精确的四极杆是 Luis Fernando Velásquez-García 20 年来致力于生产3D打印便携式质谱仪的重要一步。
无上部结构QMF的3D CAD渲染，详细描述了连接相对电极的螺旋桥。电极的长度为 12.5 厘米，而相对杆之间的间距为 12 毫米
“我们并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。还有其他小型四极杆过滤器，但它们无法与专业级质量过滤器相媲美。如果尺寸和成本能够更小，而又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、详细介绍小型化硬件的论文的资深作者 Velásquez-García 说道。
例如，科学家可以将便携式质谱仪带到雨林的偏远地区，用它来快速分析潜在的污染物，而无需将样本运回实验室。轻型设备会更便宜，更容易发送到太空，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 与该论文的主要作者 Colin Eckhoff 一起参与了这篇论文，他是麻省理工学院电气工程和计算机科学 (EECS) 专业的研究生。尼古拉斯·卢宾斯基 (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《先进科学》杂志上。
大小事项
质谱仪的核心是滤质器。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，从而识别未知物质。
四极杆是一种常见类型的滤质器，由围绕轴的四个金属杆组成。电压施加到棒上，产生电磁场。根据电磁场的特性，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。通过改变电压的组合，人们可以瞄准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几公斤。但小型化四极杆并不是一件容易的事。使过滤器变小通常会在制造过程中引入错误。另外，较小的过滤器收集的离子较少，这使得化学分析的灵敏度较低。
本研究中报告的QMF在打印后制造过程中的选定图像。a) 3D打印的 QMF 主体。b) 遮盖连接 QMF 杆和上部结构的柱子。c) 镀有漆膜的 QMF。d) 没有掩蔽的电镀 QMF，产生工作装置。相对杆之间的间距等于 12 毫米，四极杆的长度为 12.5 厘米
“你不能把四极子任意变小——这是一个权衡，”维拉斯奎兹-加西亚补充道。
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。
他们用玻璃陶瓷树脂制造过滤器，这是一种相对较新的可印刷材料，可以承受高达 900 摄氏度的温度，并且在真空中表现良好。
该设备采用大桶光聚合工艺生产，在这一过程中，活塞会推入一桶液态树脂中，直到几乎接触到底部的 LED 阵列。它们会照亮并固化残留在活塞和 LED 之间微小间隙中的树脂。然后将一小层固化聚合物粘在活塞上，活塞上升并重复这个循环，一次一层地构建该设备。
“这是一种相对较新的陶瓷打印技术，可让您制作非常精确的 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 说道。
由于3D打印机几乎可以形成任何形状，研究人员设计了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。许多商业过滤器采用圆棒，这会降低性能。
他们还在杆周围印刷了一个复杂的三角形网格网络，这提供了耐用性，同时确保在设备移动或摇晃时杆保持正确的位置。
为了完成四极杆，研究人员使用了一种称为化学镀的技术，在杆上涂上一层金属薄膜，使其具有导电性。他们用掩蔽化学品覆盖除杆外的所有东西，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。这样可以在棒上均匀沉积一层金属薄膜，而不会损坏设备的其余部分或使棒短路。
“考虑到我们3D打印机的限制，最终我们制造出了最紧凑、最精确的四极杆，”Velásquez-García 说道。
最大化性能
为了测试他们的3D打印四极杆，该团队将它们更换到商业系统中，发现它们可以获得比其他类型的微型滤波器更高的分辨率。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型商业过滤器相当的精度。
未来，研究人员计划通过加长过滤器来提高四极杆的性能。较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，更多应该被过滤掉的离子会逸出。他们还打算探索可以更好地传热的不同陶瓷材料。
“我们的愿景是制造一款所有关键部件都可以3D打印的质谱仪，从而在不牺牲性能的情况下降低设备的重量和成本。还有很多工作要做，但这是一个很好的开始，”委拉斯开兹-加西亚补充道。
这项工作由 Empiriko Corporation 资助。
这张照片显示了3D打印的小型四极杆质量过滤器的示例，它们可以在几个小时内以几美元的价格制造出来
麻省理工学院的研究人员利用增材制造技术生产了一种质量过滤器，它是质谱仪的核心部件，比采用传统技术和材料制造的同类型过滤器更轻、更便宜。
他们的微型过滤器被称为四极杆，可以在几小时内以几美元的价格完全制造出来。该3D打印设备与一些商业级滤质器一样精确，而这些滤质器的成本可能超过 100,000 美元，并且需要数周时间才能制造。
该过滤器采用耐用且耐热的玻璃陶瓷树脂制成，一步3D打印而成，因此无需组装。装配经常会引入缺陷，从而影响四极杆的性能。
这种轻质、廉价且精确的四极杆是 Luis Fernando Velásquez-García 20 年来致力于生产3D打印便携式质谱仪的重要一步。
无上部结构QMF的3D CAD渲染，详细描述了连接相对电极的螺旋桥。电极的长度为 12.5 厘米，而相对杆之间的间距为 12 毫米
“我们并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。还有其他小型四极杆过滤器，但它们无法与专业级质量过滤器相媲美。如果尺寸和成本能够更小，而又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、详细介绍小型化硬件的论文的资深作者 Velásquez-García 说道。
例如，科学家可以将便携式质谱仪带到雨林的偏远地区，用它来快速分析潜在的污染物，而无需将样本运回实验室。轻型设备会更便宜，更容易发送到太空，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 与该论文的主要作者 Colin Eckhoff 一起参与了这篇论文，他是麻省理工学院电气工程和计算机科学 (EECS) 专业的研究生。尼古拉斯·卢宾斯基 (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《先进科学》杂志上。
大小事项
质谱仪的核心是滤质器。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，从而识别未知物质。
四极杆是一种常见类型的滤质器，由围绕轴的四个金属杆组成。电压施加到棒上，产生电磁场。根据电磁场的特性，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。通过改变电压的组合，人们可以瞄准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几公斤。但小型化四极杆并不是一件容易的事。使过滤器变小通常会在制造过程中引入错误。另外，较小的过滤器收集的离子较少，这使得化学分析的灵敏度较低。
本研究中报告的QMF在打印后制造过程中的选定图像。a) 3D打印的 QMF 主体。b) 遮盖连接 QMF 杆和上部结构的柱子。c) 镀有漆膜的 QMF。d) 没有掩蔽的电镀 QMF，产生工作装置。相对杆之间的间距等于 12 毫米，四极杆的长度为 12.5 厘米
“你不能把四极子任意变小——这是一个权衡，”维拉斯奎兹-加西亚补充道。
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。
他们用玻璃陶瓷树脂制造过滤器，这是一种相对较新的可印刷材料，可以承受高达 900 摄氏度的温度，并且在真空中表现良好。
该设备采用大桶光聚合工艺生产，在这一过程中，活塞会推入一桶液态树脂中，直到几乎接触到底部的 LED 阵列。它们会照亮并固化残留在活塞和 LED 之间微小间隙中的树脂。然后将一小层固化聚合物粘在活塞上，活塞上升并重复这个循环，一次一层地构建该设备。
“这是一种相对较新的陶瓷打印技术，可让您制作非常精确的 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 说道。
由于3D打印机几乎可以形成任何形状，研究人员设计了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。许多商业过滤器采用圆棒，这会降低性能。
他们还在杆周围印刷了一个复杂的三角形网格网络，这提供了耐用性，同时确保在设备移动或摇晃时杆保持正确的位置。
为了完成四极杆，研究人员使用了一种称为化学镀的技术，在杆上涂上一层金属薄膜，使其具有导电性。他们用掩蔽化学品覆盖除杆外的所有东西，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。这样可以在棒上均匀沉积一层金属薄膜，而不会损坏设备的其余部分或使棒短路。
“考虑到我们3D打印机的限制，最终我们制造出了最紧凑、最精确的四极杆，”Velásquez-García 说道。
最大化性能
为了测试他们的3D打印四极杆，该团队将它们更换到商业系统中，发现它们可以获得比其他类型的微型滤波器更高的分辨率。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型商业过滤器相当的精度。
未来，研究人员计划通过加长过滤器来提高四极杆的性能。较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，更多应该被过滤掉的离子会逸出。他们还打算探索可以更好地传热的不同陶瓷材料。
“我们的愿景是制造一款所有关键部件都可以3D打印的质谱仪，从而在不牺牲性能的情况下降低设备的重量和成本。还有很多工作要做，但这是一个很好的开始，”委拉斯开兹-加西亚补充道。
这项工作由 Empiriko Corporation 资助。
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