導(dǎo)讀：輕巧、廉價(jià)、小型化的質(zhì)量過濾器是邁向便攜式質(zhì)譜儀的關(guān)鍵一步，便攜式質(zhì)譜儀可以在遠(yuǎn)程環(huán)境中識(shí)別未知化學(xué)物質(zhì)。

質(zhì)譜儀是識(shí)別化學(xué)物質(zhì)的設(shè)備，廣泛用于犯罪現(xiàn)場(chǎng)分析、毒理學(xué)測(cè)試和地質(zhì)調(diào)查等應(yīng)用。但這些機(jī)器體積龐大、價(jià)格昂貴且易于損壞，這限制了它們可以有效部署的地方。

麻省理工學(xué)院的研究人員使用增材制造生產(chǎn)了一種質(zhì)量過濾器，這是質(zhì)譜儀的核心部件，比使用傳統(tǒng)技術(shù)和材料制成的相同類型的過濾器更輕、更便宜。

他們的小型化過濾器，被稱為四極桿，可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完全制造出來，只需幾美元。這種3D打印設(shè)備與一些商業(yè)級(jí)質(zhì)量過濾器一樣精確，這些過濾器的成本可能超過10萬美元，并且需要數(shù)周時(shí)間才能制造出來。

該過濾器由耐用且耐熱的微晶玻璃樹脂制成，一步完成 3D 打印，因此無需組裝。組裝通常會(huì)引入可能影響四極桿性能的缺陷。

這種輕巧、廉價(jià)但精確的四極桿是路易斯·費(fèi)爾南多·貝拉斯克斯-加西亞 20 年來生產(chǎn) 3D 打印便攜式質(zhì)譜儀的重要一步。

“我們不是第一個(gè)嘗試這樣做的人。但我們是第一個(gè)成功做到這一點(diǎn)的人。還有其他小型化四極桿過濾器，但它們無法與專業(yè)級(jí)質(zhì)量過濾器相提并論。如果尺寸和成本可以更小，而不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生不利影響，那么這種硬件就有很多可能性，“麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的首席研究科學(xué)家Velásquez-García說，他是一篇詳細(xì)介紹小型化四極桿的論文的資深作者。

例如，科學(xué)家可以將便攜式質(zhì)譜儀帶到熱帶雨林的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用它來快速分析潛在的污染物，而無需將樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。輕量級(jí)設(shè)備將更便宜，更容易送入太空，在那里它可以監(jiān)測(cè)地球大氣層或遙遠(yuǎn)行星大氣層中的化學(xué)物質(zhì)。

Velásquez-García與主要作者Colin Eckhoff一起撰寫了這篇論文，他是麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究生;尼古拉斯·魯賓斯基，前麻省理工學(xué)院博士后;以及 Ardara Technologies 的 Luke Metzler 和 Randall Pedder。該研究發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202307665）。

質(zhì)譜儀的核心是質(zhì)量過濾器。該組件使用電場(chǎng)或磁場(chǎng)根據(jù)帶電粒子的質(zhì)荷比對(duì)帶電粒子進(jìn)行分類。通過這種方式，該設(shè)備可以測(cè)量樣品中的化學(xué)成分以識(shí)別未知物質(zhì)。

四極桿是一種常見的質(zhì)量過濾器，由圍繞軸的四根金屬棒組成。電壓施加到桿上，產(chǎn)生電磁場(chǎng)。根據(jù)電磁場(chǎng)的性質(zhì)，具有特定質(zhì)荷比的離子將在過濾器的中間旋轉(zhuǎn)，而其他顆粒則從側(cè)面逸出。通過改變電壓組合，可以靶向具有不同質(zhì)荷比的離子。

雖然設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但典型的不銹鋼四極桿可能重達(dá)幾公斤。但是，將四極桿小型化并非易事?？s小過濾器通常會(huì)在制造過程中引入錯(cuò)誤。此外，較小的過濾器收集的離子較少，這使得化學(xué)分析的靈敏度降低。

“你不能讓四極桿任意變小——需要權(quán)衡，”Velásquez-García補(bǔ)充道。

他的團(tuán)隊(duì)通過利用增材制造制造具有理想尺寸和形狀的小型化四極桿來平衡這種權(quán)衡，以最大限度地提高精度和靈敏度。

他們用微晶玻璃樹脂制造過濾器，這是一種相對(duì)較新的可打印材料，可以承受高達(dá) 900 攝氏度的溫度，并且在真空中表現(xiàn)良好。

該裝置采用大桶光聚合法生產(chǎn)，活塞將活塞推入一桶液態(tài)樹脂，直到它幾乎接觸底部的 LED 陣列。它們照亮、固化殘留在活塞和 LED 之間微小間隙中的樹脂。然后，一小層固化的聚合物粘在活塞上，活塞上升并重復(fù)循環(huán)，一次構(gòu)建一小層設(shè)備。

“這是一種相對(duì)較新的陶瓷打印技術(shù)，可以讓你制作非常精確的3D物體。增材制造的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，您可以積極地迭代設(shè)計(jì)，“Velásquez-García說。

由于3D打印機(jī)幾乎可以形成任何形狀，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有雙曲桿的四極桿。這種形狀非常適合質(zhì)量過濾，但很難用傳統(tǒng)方法制造。許多商用過濾器采用圓形棒，這會(huì)降低性能。

他們還打印了一個(gè)圍繞桿的三角形格子的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這提供了耐用性，同時(shí)確保桿在設(shè)備移動(dòng)或搖晃時(shí)保持正確定位。

為了完成四極桿，研究人員使用一種稱為化學(xué)鍍的技術(shù)在棒上涂上一層薄金屬膜，使它們具有導(dǎo)電性。它們用掩蔽化學(xué)品覆蓋除棒以外的所有東西，然后將四極桿浸入加熱到精確溫度和攪拌條件的化學(xué)浴中。這會(huì)在棒上均勻地沉積一層薄薄的金屬膜，而不會(huì)損壞設(shè)備的其余部分或使棒短路。

“最后，考慮到我們3D打印機(jī)的限制，我們制造了最緊湊但也最精確的四極桿，”Velásquez-García說。

為了測(cè)試他們的3D打印四極桿，該團(tuán)隊(duì)將它們換成了一個(gè)商業(yè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)它們可以達(dá)到比其他類型的微型過濾器更高的分辨率。它們的四極桿長(zhǎng)約 12 厘米，密度是同類不銹鋼過濾器的四分之一。

此外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，他們的3D打印四極桿可以達(dá)到與大規(guī)模商業(yè)過濾器相當(dāng)?shù)木取?br />
“質(zhì)譜法是所有科學(xué)工具中最重要的工具之一，Velásquez-Garcia及其同事描述了四極桿質(zhì)量過濾器的設(shè)計(jì)，構(gòu)造和性能，該過濾器與早期設(shè)備相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，”普渡大學(xué)阿斯頓實(shí)驗(yàn)室的Henry Bohn Hass化學(xué)杰出教授Graham Cooks說，他沒有參與這項(xiàng)工作?！皟?yōu)勢(shì)來自這些事實(shí)：它比大多數(shù)商業(yè)同類產(chǎn)品更小、更輕，并且是使用增材結(jié)構(gòu)整體制造的。...與四極桿離子阱相比，其性能如何是一個(gè)懸而未決的問題，四極桿離子阱依賴于相同的電場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量，但沒有四極桿質(zhì)量過濾器的嚴(yán)格幾何要求。

“這篇論文代表了四極桿質(zhì)量過濾器制造的真正進(jìn)步。作者匯集了他們使用先進(jìn)材料、QMF 驅(qū)動(dòng)電子學(xué)和質(zhì)譜法制造的知識(shí)，以低成本生產(chǎn)出具有良好性能的新型系統(tǒng)，“利物浦大學(xué)電氣工程和電子學(xué)教授史蒂夫泰勒補(bǔ)充道，他也沒有參與本文?！坝捎赒MF是許多其他類型的質(zhì)譜系統(tǒng)中'分析引擎'的核心，因此這篇論文在整個(gè)質(zhì)譜領(lǐng)域具有重要意義，該領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)代表著一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的行業(yè)。

未來，研究人員計(jì)劃通過延長(zhǎng)濾波器來提高四極桿的性能。更長(zhǎng)的過濾器可以實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)化學(xué)物質(zhì)沿著其長(zhǎng)度移動(dòng)時(shí)，應(yīng)該被過濾掉的更多離子會(huì)逸出。他們還打算探索不同的陶瓷材料，以更好地傳遞熱量。

“我們的愿景是制造一種質(zhì)譜儀，其中所有關(guān)鍵組件都可以3D打印，從而在不犧牲性能的情況下以更輕的重量和成本制造設(shè)備。還有很多工作要做，但這是一個(gè)很好的開始，“Velásquez-Garcia最后說。

導(dǎo)讀：輕巧、廉價(jià)、小型化的質(zhì)量過濾器是邁向便攜式質(zhì)譜儀的關(guān)鍵一步，便攜式質(zhì)譜儀可以在遠(yuǎn)程環(huán)境中識(shí)別未知化學(xué)物質(zhì)。

質(zhì)譜儀是識(shí)別化學(xué)物質(zhì)的設(shè)備，廣泛用于犯罪現(xiàn)場(chǎng)分析、毒理學(xué)測(cè)試和地質(zhì)調(diào)查等應(yīng)用。但這些機(jī)器體積龐大、價(jià)格昂貴且易于損壞，這限制了它們可以有效部署的地方。

麻省理工學(xué)院的研究人員使用增材制造生產(chǎn)了一種質(zhì)量過濾器，這是質(zhì)譜儀的核心部件，比使用傳統(tǒng)技術(shù)和材料制成的相同類型的過濾器更輕、更便宜。

他們的小型化過濾器，被稱為四極桿，可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完全制造出來，只需幾美元。這種3D打印設(shè)備與一些商業(yè)級(jí)質(zhì)量過濾器一樣精確，這些過濾器的成本可能超過10萬美元，并且需要數(shù)周時(shí)間才能制造出來。

該過濾器由耐用且耐熱的微晶玻璃樹脂制成，一步完成 3D 打印，因此無需組裝。組裝通常會(huì)引入可能影響四極桿性能的缺陷。

這種輕巧、廉價(jià)但精確的四極桿是路易斯·費(fèi)爾南多·貝拉斯克斯-加西亞 20 年來生產(chǎn) 3D 打印便攜式質(zhì)譜儀的重要一步。

“我們不是第一個(gè)嘗試這樣做的人。但我們是第一個(gè)成功做到這一點(diǎn)的人。還有其他小型化四極桿過濾器，但它們無法與專業(yè)級(jí)質(zhì)量過濾器相提并論。如果尺寸和成本可以更小，而不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生不利影響，那么這種硬件就有很多可能性，“麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的首席研究科學(xué)家Velásquez-García說，他是一篇詳細(xì)介紹小型化四極桿的論文的資深作者。

例如，科學(xué)家可以將便攜式質(zhì)譜儀帶到熱帶雨林的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用它來快速分析潛在的污染物，而無需將樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。輕量級(jí)設(shè)備將更便宜，更容易送入太空，在那里它可以監(jiān)測(cè)地球大氣層或遙遠(yuǎn)行星大氣層中的化學(xué)物質(zhì)。

Velásquez-García與主要作者Colin Eckhoff一起撰寫了這篇論文，他是麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究生;尼古拉斯·魯賓斯基，前麻省理工學(xué)院博士后;以及 Ardara Technologies 的 Luke Metzler 和 Randall Pedder。該研究發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202307665）。

質(zhì)譜儀的核心是質(zhì)量過濾器。該組件使用電場(chǎng)或磁場(chǎng)根據(jù)帶電粒子的質(zhì)荷比對(duì)帶電粒子進(jìn)行分類。通過這種方式，該設(shè)備可以測(cè)量樣品中的化學(xué)成分以識(shí)別未知物質(zhì)。

四極桿是一種常見的質(zhì)量過濾器，由圍繞軸的四根金屬棒組成。電壓施加到桿上，產(chǎn)生電磁場(chǎng)。根據(jù)電磁場(chǎng)的性質(zhì)，具有特定質(zhì)荷比的離子將在過濾器的中間旋轉(zhuǎn)，而其他顆粒則從側(cè)面逸出。通過改變電壓組合，可以靶向具有不同質(zhì)荷比的離子。

雖然設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但典型的不銹鋼四極桿可能重達(dá)幾公斤。但是，將四極桿小型化并非易事?？s小過濾器通常會(huì)在制造過程中引入錯(cuò)誤。此外，較小的過濾器收集的離子較少，這使得化學(xué)分析的靈敏度降低。

“你不能讓四極桿任意變小——需要權(quán)衡，”Velásquez-García補(bǔ)充道。

他的團(tuán)隊(duì)通過利用增材制造制造具有理想尺寸和形狀的小型化四極桿來平衡這種權(quán)衡，以最大限度地提高精度和靈敏度。

他們用微晶玻璃樹脂制造過濾器，這是一種相對(duì)較新的可打印材料，可以承受高達(dá) 900 攝氏度的溫度，并且在真空中表現(xiàn)良好。

該裝置采用大桶光聚合法生產(chǎn)，活塞將活塞推入一桶液態(tài)樹脂，直到它幾乎接觸底部的 LED 陣列。它們照亮、固化殘留在活塞和 LED 之間微小間隙中的樹脂。然后，一小層固化的聚合物粘在活塞上，活塞上升并重復(fù)循環(huán)，一次構(gòu)建一小層設(shè)備。

“這是一種相對(duì)較新的陶瓷打印技術(shù)，可以讓你制作非常精確的3D物體。增材制造的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，您可以積極地迭代設(shè)計(jì)，“Velásquez-García說。

由于3D打印機(jī)幾乎可以形成任何形狀，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有雙曲桿的四極桿。這種形狀非常適合質(zhì)量過濾，但很難用傳統(tǒng)方法制造。許多商用過濾器采用圓形棒，這會(huì)降低性能。

他們還打印了一個(gè)圍繞桿的三角形格子的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這提供了耐用性，同時(shí)確保桿在設(shè)備移動(dòng)或搖晃時(shí)保持正確定位。

為了完成四極桿，研究人員使用一種稱為化學(xué)鍍的技術(shù)在棒上涂上一層薄金屬膜，使它們具有導(dǎo)電性。它們用掩蔽化學(xué)品覆蓋除棒以外的所有東西，然后將四極桿浸入加熱到精確溫度和攪拌條件的化學(xué)浴中。這會(huì)在棒上均勻地沉積一層薄薄的金屬膜，而不會(huì)損壞設(shè)備的其余部分或使棒短路。

“最后，考慮到我們3D打印機(jī)的限制，我們制造了最緊湊但也最精確的四極桿，”Velásquez-García說。

為了測(cè)試他們的3D打印四極桿，該團(tuán)隊(duì)將它們換成了一個(gè)商業(yè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)它們可以達(dá)到比其他類型的微型過濾器更高的分辨率。它們的四極桿長(zhǎng)約 12 厘米，密度是同類不銹鋼過濾器的四分之一。

此外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，他們的3D打印四極桿可以達(dá)到與大規(guī)模商業(yè)過濾器相當(dāng)?shù)木取?br />
“質(zhì)譜法是所有科學(xué)工具中最重要的工具之一，Velásquez-Garcia及其同事描述了四極桿質(zhì)量過濾器的設(shè)計(jì)，構(gòu)造和性能，該過濾器與早期設(shè)備相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，”普渡大學(xué)阿斯頓實(shí)驗(yàn)室的Henry Bohn Hass化學(xué)杰出教授Graham Cooks說，他沒有參與這項(xiàng)工作?！皟?yōu)勢(shì)來自這些事實(shí)：它比大多數(shù)商業(yè)同類產(chǎn)品更小、更輕，并且是使用增材結(jié)構(gòu)整體制造的。...與四極桿離子阱相比，其性能如何是一個(gè)懸而未決的問題，四極桿離子阱依賴于相同的電場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量，但沒有四極桿質(zhì)量過濾器的嚴(yán)格幾何要求。

“這篇論文代表了四極桿質(zhì)量過濾器制造的真正進(jìn)步。作者匯集了他們使用先進(jìn)材料、QMF 驅(qū)動(dòng)電子學(xué)和質(zhì)譜法制造的知識(shí)，以低成本生產(chǎn)出具有良好性能的新型系統(tǒng)，“利物浦大學(xué)電氣工程和電子學(xué)教授史蒂夫泰勒補(bǔ)充道，他也沒有參與本文?！坝捎赒MF是許多其他類型的質(zhì)譜系統(tǒng)中'分析引擎'的核心，因此這篇論文在整個(gè)質(zhì)譜領(lǐng)域具有重要意義，該領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)代表著一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的行業(yè)。

未來，研究人員計(jì)劃通過延長(zhǎng)濾波器來提高四極桿的性能。更長(zhǎng)的過濾器可以實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)化學(xué)物質(zhì)沿著其長(zhǎng)度移動(dòng)時(shí)，應(yīng)該被過濾掉的更多離子會(huì)逸出。他們還打算探索不同的陶瓷材料，以更好地傳遞熱量。

“我們的愿景是制造一種質(zhì)譜儀，其中所有關(guān)鍵組件都可以3D打印，從而在不犧牲性能的情況下以更輕的重量和成本制造設(shè)備。還有很多工作要做，但這是一個(gè)很好的開始，“Velásquez-Garcia最后說。