麻省理工研究人员为便携质谱仪3D打印微型精密组件

南极熊导读：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。但采用传统制造技术生产的设备体积过于庞大、价格昂贵且容易损坏，这限制了它们的使用范围。

2024年1月5日，南极熊获悉，麻省理工学院（MTL）的研究人员利用3D打印技术为质谱仪核心部件开发了一种质量过滤器，它是质谱仪的核心部件，比用传统技术和材料制造的同类过滤器更轻、更便宜。

这种3D打印四极杆质量过滤器(QMF)可以在几小时内以几美元的价格制造出来。同时，该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10万美元（约合71万人民币），并且需要数周时间才能完成生产。

△由于3D打印技术使研究人员能够轻松尝试新设计，因此他们在到达最终迭代(h)之前创建了许多不同的四极滤波器，该滤波器被一系列三角形晶格包围以提供耐用性

这一轻质、低成本、高精度的四极杆成果标志着MTL的首席研究科学家，论文的资深作者Luis Fernando Velásquez-García二十年来在生产3D打印便携式质谱仪方面的重要突破。他表示：“我们并非第一个尝试这一创新的团队，但我们是第一个成功实现的。虽然存在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，而性能不受损害，这将为硬件领域带来无限可能。”

△该研究已发表在在《先进科学》杂志上，题目为“通过陶瓷树脂槽光聚合实现具有统一质量分辨率的低成本、紧凑型四极杆质量过滤器”（传送门）

为什么要优化质谱仪的核心原件

质谱仪的核心组件是滤质器，该组件利用电场或磁场对带电粒子进行分类，根据它们的质荷比来实现。这种技术允许设备测量样品的化学成分，从而识别未知物质。举例来说，科学家可以将便携式质谱仪带到雨林的偏远地区，迅速分析潜在的污染物，而无需将样本运回实验室。轻便的设备更为经济实惠，也更容易被发送到太空，用于监测地球大气层或遥远行星大气层中的化学物质。

四极杆是一种常见的滤质器类型，由围绕轴的四个金属杆构成。当在棒上施加电压时，产生电磁场，具有特定质荷比的离子将在滤质器中央旋转，而其他颗粒则从侧面逸出。通过改变电压的组合，可以瞄准具有不同质荷比的离子。

虽然设计相对简单，典型的不锈钢四极杆可能重达几公斤。然而，将四极杆缩小并不容易，因为这样做通常会引入制造过程中的错误。此外，较小的滤质器收集的离子较少，导致化学分析的灵敏度降低。

△此过滤器采用耐热的玻璃陶瓷树脂制成，通过3D打印能够一体成型，避免了组装过程可能产生的缺陷，这一点更有助于维持四极杆的性能

采用3D打印制造理想的四极杆

为了克服这种权衡，研究人员采用了增材制造技术，利用玻璃陶瓷树脂制造了理想尺寸和形状的小型四极杆，以提高精度和灵敏度。这种材料可以在高达900°C的温度下承受，并在真空中表现良好。

该设备采用大桶光聚合工艺生产，通过将活塞推入液态树脂桶中，然后照亮并固化微小间隙中的树脂，一层一层地构建设备。

3D打印技术的优势在于可以积极迭代设计，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，但传统方法难以制造。

研究人员还在杆周围打印了一个复杂的三角形网格网络，以提供耐用性，并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，他们使用了化学镀技术，在杆上涂覆一层金属薄膜，使其具有导电性。这一过程通过掩蔽化学品覆盖除杆外的所有部分，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来实现。这样可以在棒上均匀沉积金属薄膜，而不会损坏设备的其余部分或导致短路。

Velásquez-García表示：“考虑到3D打印机的限制，最终我们成功制造出最紧凑、最精确的四极杆。”

△QMF入口的3D CAD详细显示了将双曲杆连接到上部结构的连接柱。四极杆的长度为12.5厘米，而相对杆之间的间距为12毫米

最大化性能

该团队表示，相较于其它微型滤波器，他们的3D打印四极杆质量过滤器（QMF）可以获得更高的分辨率。这些四极杆的长度约为12厘米，密度为同类不锈钢过滤器的四分之一。

进一步的实验表明，这些3D打印的四极杆在精度上可以媲美大型商业过滤器。

普渡大学化学教授Graham Cooks解释道：“它的优点在于它比大多数商业同类产品更小、更轻，而且采用了增材结构的整体制造。对于其性能如何与四极离子阱相比，这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，但没有像四极质量过滤器那样严格的几何要求，”

利物浦大学电气工程和电子学教授Steve Taylor表示：“这篇论文代表了四极杆质量过滤器制造领域的真正进步。作者将先进材料、四极杆质量过滤器驱动电子设备和质谱制造知识结合起来，以低成本生产出一种性能良好的新型系统。”

Taylor补充道，由于四极杆质量过滤器是多种类型质谱系统的精密核心原件之一，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产业。

未来，研究人员计划通过增加过滤器的长度来提高四极杆的性能。较长的过滤器能够实现更精确的测量，因为当化学物质沿其长度移动时，更多应该被过滤掉的离子会逸出。他们还打算研究不同陶瓷材料，以提高传热性能。