導(dǎo)讀：輕巧、廉價(jià)、小型化的質(zhì)量過(guò)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(guò)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(guò)濾器更輕、更便宜。

他們的小型化過(guò)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(lái)，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(guò)濾器一樣精確，這些過(guò)濾器的成本可能超過(guò)10萬(wàn)美元，并且需要數(shù)周時(shí)間才能制造出來(lái)。

該過(guò)濾器由耐用且耐熱的微晶玻璃樹(shù)脂制成，一步完成 3D 打印，因此無(wú)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(lái)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(guò)濾器，但它們無(wú)法與專業(yè)級(jí)質(zhì)量過(guò)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(shuō)，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(lái)快速分析潛在的污染物，而無(wú)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(xiě)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(guò)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(guò)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(jiàn)的質(zhì)量過(guò)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(guò)濾器的中間旋轉(zhuǎn)，而其他顆粒則從側(cè)面逸出。通過(guò)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。縮小過(guò)濾器通常會(huì)在制造過(guò)程中引入錯(cuò)誤。此外，較小的過(guò)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(guò)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(lái)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(shù)脂制造過(guò)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(shù)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(shù)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(shuō)。

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(guò)濾，但很難用傳統(tǒng)方法制造。許多商用過(guò)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(shuō)。

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)濾器的設(shè)計(jì)，構(gòu)造和性能，該過(guò)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(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)工作?！皟?yōu)勢(shì)來(lái)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(wèn)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(méi)有四極桿質(zhì)量過(guò)濾器的嚴(yán)格幾何要求。

“這篇論文代表了四極桿質(zhì)量過(guò)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(méi)有參與本文。“由于QMF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(lái)，研究人員計(jì)劃通過(guò)延長(zhǎng)濾波器來(lái)提高四極桿的性能。更長(zhǎng)的過(guò)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(guò)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(kāi)始，“Velásquez-Garcia最后說(shuō)。

導(dǎo)讀：輕巧、廉價(jià)、小型化的質(zhì)量過(guò)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(guò)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(guò)濾器更輕、更便宜。

他們的小型化過(guò)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(lái)，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(guò)濾器一樣精確，這些過(guò)濾器的成本可能超過(guò)10萬(wàn)美元，并且需要數(shù)周時(shí)間才能制造出來(lái)。

該過(guò)濾器由耐用且耐熱的微晶玻璃樹(shù)脂制成，一步完成 3D 打印，因此無(wú)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(lái)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(guò)濾器，但它們無(wú)法與專業(yè)級(jí)質(zhì)量過(guò)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(shuō)，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(lái)快速分析潛在的污染物，而無(wú)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(xiě)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(guò)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(guò)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(jiàn)的質(zhì)量過(guò)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(guò)濾器的中間旋轉(zhuǎn)，而其他顆粒則從側(cè)面逸出。通過(guò)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。縮小過(guò)濾器通常會(huì)在制造過(guò)程中引入錯(cuò)誤。此外，較小的過(guò)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(guò)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(lái)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(shù)脂制造過(guò)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(shù)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(shù)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(shuō)。

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(guò)濾，但很難用傳統(tǒng)方法制造。許多商用過(guò)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(shuō)。

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)濾器的設(shè)計(jì)，構(gòu)造和性能，該過(guò)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(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)工作?！皟?yōu)勢(shì)來(lái)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(wèn)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(méi)有四極桿質(zhì)量過(guò)濾器的嚴(yán)格幾何要求。

“這篇論文代表了四極桿質(zhì)量過(guò)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(méi)有參與本文。“由于QMF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(lái)，研究人員計(jì)劃通過(guò)延長(zhǎng)濾波器來(lái)提高四極桿的性能。更長(zhǎng)的過(guò)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(guò)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(kāi)始，“Velásquez-Garcia最后說(shuō)。