无电解镀镍 《Advanced Science》麻省理工学院3D打印便携式质谱仪的微型核心精密部件--质量过滤器
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据悉，麻省理工学院的研究人员利用3D打印技术，成功实现了便携式质谱仪的低成本、紧凑型、均匀质量分辨率的四极杆质量过滤器，相关论文发表在《Low-Cost, Mass with Unity Mass via Resin Vat》期刊上。
质谱仪是一种鉴别化学物质的设备，广泛应用于环境监测、突发事故应急监测、工业过程监测、半导体工业气体监测、发酵酿造工业气体检测、运动及医用呼吸气体监测、犯罪现场分析、毒理学检测以及地质调查等领域。然而，这类机器体积庞大、价格昂贵、易损坏等特点限制了其有效的应用范围。
麻省理工学院的研究人员利用增材制造技术制造出了一种质谱仪的核心部件——质谱过滤器，它比用传统技术和材料制成的类似过滤器轻得多，而且便宜得多。
图 1：研究人员在最终迭代（h）之前创建了许多不同的四极子滤波器。滤波器被一系列三角形格子包围，以提供耐用性。
他们的微型过滤器被称为四极子，只需几美元，几个小时就能完全制造出来。3D 打印设备与一些商用过滤器一样精确，后者的成本可能超过 10 万美元，制造周期长达数周。
该过滤器由耐用、耐热的玻璃陶瓷树脂制成，并采用一步 3D 打印技术，因此无需组装，组装可能会引入影响四极杆性能的缺陷。
研究人员发明的轻便、廉价但精确的四极杆是制造 3D 打印便携式质谱仪的重要一步。
大小事项
质谱仪的核心是质谱过滤器。该组件使用电场或磁场根据质荷比对带电粒子进行分类。这使该设备能够测量样品的化学成分并识别未知物质。
图 2：3D 打印微型四极杆质谱过滤器的示例。只需花费几美元，几个小时即可制作完成。
四极杆是一种常见的质量过滤器，由四根围绕轴线的金属棒组成。对金属棒施加电压会产生电磁场。根据电磁场的性质，具有一定质荷比的离子在过滤器中间旋转，而其他粒子则从侧面逸出。通过改变电压组合，可以锁定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重达几公斤。但缩小四极杆并非易事。缩小过滤器尺寸往往会在制造过程中引入错误。此外，较小的过滤器收集的离子较少，这会降低化学分析的灵敏度。
图 3：QMF 的 3D CAD 渲染，其中四极杆长度为 12.5 厘米，相对杆之间的间距为 12 毫米。
研究团队利用增材制造技术制造出具有理想尺寸和形状的微四极子，以最大程度地提高精度和灵敏度。他们用玻璃陶瓷树脂制作过滤器，这是一种相对较新的可打印材料，可承受高达 900°C 的高温，并且在真空中表现良好。
图 4：3D 打印 QMF 在真空室内运行后的红外图像。设备较热的区域对应于导电部件。假设发射率为 0.9。
该装置采用桶式光聚合工艺制成，其中活塞被推入一桶液态树脂中，直到它几乎接触到底部的 LED 阵列。这些 LED 发光，使卡在活塞和 LED 之间微小间隙中的树脂凝固。然后将一小层凝固的聚合物附着到活塞上，活塞上升并重复该循环，一次构建一小层装置。据研究人员称，这是一种相对较新的陶瓷印刷技术，可以创建非常精确的三维物体。增材制造的一个关键优势是您可以主动迭代您的设计。
图 5：本研究报告的打印后制造过程中的 QMF 部分图像。
由于 3D 打印机几乎可以形成任何形状，研究人员设计了一种具有双曲杆的四极子。这种形状非常适合大规模过滤，但使用传统方法很难制造。许多商用过滤器改用圆杆，这会降低性能。研究人员还在杆周围打印了一个复杂的三角形格子网络，这提供了耐用性并确保在设备移动或摇晃时杆仍保持在正确的位置。
为了完成四极杆，研究人员使用一种称为化学镀的技术，在杆上涂上一层薄薄的金属膜，使其具有导电性。他们用遮蔽化学品覆盖除杆以外的所有部分，然后将四极杆浸入加热到精确温度并搅拌的化学槽中。这样会在杆上均匀地沉积一层薄薄的金属膜，而不会损坏设备的其他部件或使杆短路。
图 6：涂有化学镀镍硼薄膜的 3D 打印四极子边缘的光学显微照片。
最终得到的是一个紧凑的四极子，它也是在 3D 打印机的限制内可以制造的最精确的四极子。
最大化性能
为了测试 3D 打印的四极子，该团队将它们换入商业系统，发现它们可以实现比其他类型的微过滤器更高的分辨率。他们的四极子长约 12 厘米，密度仅为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 打印四极子可以达到与大型商用过滤器相当的精度。
图 7：3D 打印 QMF 的 FC-43 高分辨率质谱。
本文代表了四极杆质谱过滤器 (QMF) 制造技术的真正进步。作者结合了他们对先进材料制造、QMF 驱动电子设备和质谱的知识，制造出了一种性能卓越、成本低廉的新系统。由于 QMF 是许多其他类型质谱系统的核心，因此本文对整个质谱领域具有重要意义，而质谱领域是全球价值数十亿美元的产业。
未来，研究人员计划通过延长过滤器来提高四极杆的性能。更长的过滤器将允许更精确的测量，因为当化学物质沿着过滤器的长度移动时，更多应该被过滤掉的离子会被过滤掉。他们还计划探索能够更好地传热的不同陶瓷材料。
研究团队的愿景是打造一款所有关键部件均可通过 3D 打印的质谱仪，从而大幅降低设备重量和成本，同时又不牺牲性能。还有很多工作要做，但这是一个好的开始。
图8显示了数据传输速率和半峰全宽(FWHM)之间的关系。
本研究报告了一种新型、紧凑、增材制造的四极杆质量过滤器 (QMF)，其过滤性能足以满足实际质谱应用。QMF 采用玻璃陶瓷树脂的桶光聚合和选择性化学镀镍硼，使用 57 µm × 57 µm × 100 µm 体素单片制造而成。QMF 原型使用 FC-43 在 1.74 MHz 下进行实验表征，产生 131 Da 峰，半峰全宽为 0.50 Da（260 分辨率），超过了在类似条件下报告的微尺度对应物的分辨率，可与商用、非微尺度和更重的设备相媲美。3D 打印设备的灵敏度估计为 0.13 mA Torr-1（与优化的商用设备相当），而设备的质量范围高达 250 Da（受驱动电子设备限制）。 这项工作对于低成本、高性能质谱仪、3D打印仪器和复杂仪器的空间制造具有重要意义。
论文链接：
. 等人，低成本、采用 Unity Mass Resin Vat 进行质量控制，(2023)。DOI：10.1002/advs。
2024 年 4 月 23 日至 25 日
南京国际博览中心
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