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首页 > 资讯中心便携式质谱仪的山(shān)东青岛3D打印组件
发布时间：2024-01-16
浏览人次：129次
质谱仪是识别化學(xué)物(wù)质的设备，广泛应用(yòng)于犯罪现场分(fēn)析、毒理(lǐ)學(xué)测试和地质调查等领域。但这些机器體(tǐ)积庞大、价格昂贵且容易损坏，这限制了它们的有(yǒu)效部署。
这张照片显示了3D打印的小(xiǎo)型四极杆质量过滤器的示例，它们可(kě)以在几个小(xiǎo)时内以几美元的价格制造出来
麻省理(lǐ)工學(xué)院的研究人员利用(yòng)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(yòng)传统技术和材料制造的同类型过滤器更轻、更便宜。
他(tā)们的微型过滤器被称為(wèi)四极杆，可(kě)以在几小(xiǎo)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(shāng)业级滤质器一样精确，而这些滤质器的成本可(kě)能(néng)超过 100,000 美元，并且需要数周时间才能(néng)制造。
该过滤器采用(yòng)耐用(yòng)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(néng)。
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電(diàn)极的螺旋桥。電(diàn)极的長(cháng)度為(wèi) 12.5 厘米，而相对杆之间的间距為(wèi) 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(yǒu)其他(tā)小(xiǎo)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(néng)够更小(xiǎo)，而又(yòu)不会对性能(néng)产生不利影响，那么这种硬件就有(yǒu)很(hěn)多(duō)可(kě)能(néng)性。”麻省理(lǐ)工學(xué)院微系统技术实验室 (MTL) 的首席研究科(kē)學(xué)家、详细介绍小(xiǎo)型化硬件的论文(wén)的资深作者 Velásquez-García 说道。
例如，科(kē)學(xué)家可(kě)以将便携式质谱仪带到雨林的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用(yòng)它来快速分(fēn)析潜在的污染物(wù)，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(kě)以监测地球大气层或遥遠(yuǎn)行星大气层中的化學(xué)物(wù)质。
Velásquez-García 与该论文(wén)的主要作者 Colin Eckhoff 一起参与了这篇论文(wén)，他(tā)是麻省理(lǐ)工學(xué)院電(diàn)气工程和计算机科(kē)學(xué) (EECS) 专业的研究生。尼古拉斯·卢宾斯基 (Nicholas Lubinsky)，前麻省理(lǐ)工學(xué)院博士后；以及 Ardara Technologies 的 Luke Metzler 和 Randall Pedder。该研究发表在《先进科(kē)學(xué)》杂志(zhì)上。
大小(xiǎo)事项
质谱仪的核心是滤质器。该组件使用(yòng)電(diàn)场或磁场根据带電(diàn)粒子的质荷比对带電(diàn)粒子进行分(fēn)类。通过这种方式，该设备可(kě)以测量样品中的化學(xué)成分(fēn)，从而识别未知物(wù)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。電(diàn)压施加到棒上，产生電(diàn)磁场。根据電(diàn)磁场的特性，具有(yǒu)特定质荷比的离子将在过滤器的中间旋转，而其他(tā)颗粒则从侧面逸出。通过改变電(diàn)压的组合，人们可(kě)以瞄准具有(yǒu)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(kě)能(néng)重几公斤。但小(xiǎo)型化四极杆并不是一件容易的事。使过滤器变小(xiǎo)通常会在制造过程中引入错误。另外，较小(xiǎo)的过滤器收集的离子较少，这使得化學(xué)分(fēn)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 主體(tǐ)。b) 遮盖连接 QMF 杆和上部结构的柱子。c) 镀有(yǒu)漆膜的 QMF。d) 没有(yǒu)掩蔽的電(diàn)镀 QMF，产生工作装置。相对杆之间的间距等于 12 毫米，四极杆的長(cháng)度為(wèi) 12.5 厘米
“你不能(néng)把四极子任意变小(xiǎo)——这是一个权衡，”维拉斯奎兹-加西亚补充道。
他(tā)的团队通过利用(yòng)增材制造来制造具有(yǒu)理(lǐ)想尺寸和形状的小(xiǎo)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(tā)们用(yòng)玻璃陶瓷树脂制造过滤器，这是一种相对较新(xīn)的可(kě)印刷材料，可(kě)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(yòng)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(xiǎo)间隙中的树脂。然后将一小(xiǎo)层固化聚合物(wù)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(xīn)的陶瓷打印技术，可(kě)让您制作非常精确的 3D 物(wù)體(tǐ)。增材制造的一个关键优势是您可(kě)以积极地迭代设计。”Velásquez-García 说道。
由于3D打印机几乎可(kě)以形成任何形状，研究人员设计了带有(yǒu)双曲杆的四极杆。这种形状非常适合质量过滤，但很(hěn)难用(yòng)传统方法制造。许多(duō)商(shāng)业过滤器采用(yòng)圆棒，这会降低性能(néng)。
他(tā)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(yòng)性，同时确保在设备移动或摇晃时杆保持正确的位置。
為(wèi)了完成四极杆，研究人员使用(yòng)了一种称為(wèi)化學(xué)镀的技术，在杆上涂上一层金属薄膜，使其具有(yǒu)导電(diàn)性。他(tā)们用(yòng)掩蔽化學(xué)品覆盖除杆外的所有(yǒu)东西，然后将四极杆浸入加热到精确温度和搅拌条件的化學(xué)浴中。这样可(kě)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(fēn)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(néng)
為(wèi)了测试他(tā)们的3D打印四极杆，该团队将它们更换到商(shāng)业系统中，发现它们可(kě)以获得比其他(tā)类型的微型滤波器更高的分(fēn)辨率。它们的四极杆長(cháng)约 12 厘米，密度是同类不锈钢过滤器的四分(fēn)之一。
此外，进一步的实验表明，他(tā)们的3D打印四极杆可(kě)以达到与大型商(shāng)业过滤器相当的精度。
未来，研究人员计划通过加長(cháng)过滤器来提高四极杆的性能(néng)。较長(cháng)的过滤器可(kě)以实现更精确的测量，因為(wèi)当化學(xué)物(wù)质沿着其長(cháng)度移动时，更多(duō)应该被过滤掉的离子会逸出。他(tā)们还打算探索可(kě)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(yǒu)关键部件都可(kě)以3D打印的质谱仪，从而在不牺牲性能(néng)的情况下降低设备的重量和成本。还有(yǒu)很(hěn)多(duō)工作要做，但这是一个很(hěn)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(xiǎo)型四极杆质量过滤器的示例，它们可(kě)以在几个小(xiǎo)时内以几美元的价格制造出来
麻省理(lǐ)工學(xué)院的研究人员利用(yòng)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(yòng)传统技术和材料制造的同类型过滤器更轻、更便宜。
他(tā)们的微型过滤器被称為(wèi)四极杆，可(kě)以在几小(xiǎo)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(shāng)业级滤质器一样精确，而这些滤质器的成本可(kě)能(néng)超过 100,000 美元，并且需要数周时间才能(néng)制造。
该过滤器采用(yòng)耐用(yòng)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(néng)。
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電(diàn)极的螺旋桥。電(diàn)极的長(cháng)度為(wèi) 12.5 厘米，而相对杆之间的间距為(wèi) 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(yǒu)其他(tā)小(xiǎo)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(néng)够更小(xiǎo)，而又(yòu)不会对性能(néng)产生不利影响，那么这种硬件就有(yǒu)很(hěn)多(duō)可(kě)能(néng)性。”麻省理(lǐ)工學(xué)院微系统技术实验室 (MTL) 的首席研究科(kē)學(xué)家、详细介绍小(xiǎo)型化硬件的论文(wén)的资深作者 Velásquez-García 说道。
例如，科(kē)學(xué)家可(kě)以将便携式质谱仪带到雨林的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用(yòng)它来快速分(fēn)析潜在的污染物(wù)，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(kě)以监测地球大气层或遥遠(yuǎn)行星大气层中的化學(xué)物(wù)质。
Velásquez-García 与该论文(wén)的主要作者 Colin Eckhoff 一起参与了这篇论文(wén)，他(tā)是麻省理(lǐ)工學(xué)院電(diàn)气工程和计算机科(kē)學(xué) (EECS) 专业的研究生。尼古拉斯·卢宾斯基 (Nicholas Lubinsky)，前麻省理(lǐ)工學(xué)院博士后；以及 Ardara Technologies 的 Luke Metzler 和 Randall Pedder。该研究发表在《先进科(kē)學(xué)》杂志(zhì)上。
大小(xiǎo)事项
质谱仪的核心是滤质器。该组件使用(yòng)電(diàn)场或磁场根据带電(diàn)粒子的质荷比对带電(diàn)粒子进行分(fēn)类。通过这种方式，该设备可(kě)以测量样品中的化學(xué)成分(fēn)，从而识别未知物(wù)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。電(diàn)压施加到棒上，产生電(diàn)磁场。根据電(diàn)磁场的特性，具有(yǒu)特定质荷比的离子将在过滤器的中间旋转，而其他(tā)颗粒则从侧面逸出。通过改变電(diàn)压的组合，人们可(kě)以瞄准具有(yǒu)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(kě)能(néng)重几公斤。但小(xiǎo)型化四极杆并不是一件容易的事。使过滤器变小(xiǎo)通常会在制造过程中引入错误。另外，较小(xiǎo)的过滤器收集的离子较少，这使得化學(xué)分(fēn)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 主體(tǐ)。b) 遮盖连接 QMF 杆和上部结构的柱子。c) 镀有(yǒu)漆膜的 QMF。d) 没有(yǒu)掩蔽的電(diàn)镀 QMF，产生工作装置。相对杆之间的间距等于 12 毫米，四极杆的長(cháng)度為(wèi) 12.5 厘米
“你不能(néng)把四极子任意变小(xiǎo)——这是一个权衡，”维拉斯奎兹-加西亚补充道。
他(tā)的团队通过利用(yòng)增材制造来制造具有(yǒu)理(lǐ)想尺寸和形状的小(xiǎo)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(tā)们用(yòng)玻璃陶瓷树脂制造过滤器，这是一种相对较新(xīn)的可(kě)印刷材料，可(kě)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(yòng)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(xiǎo)间隙中的树脂。然后将一小(xiǎo)层固化聚合物(wù)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(xīn)的陶瓷打印技术，可(kě)让您制作非常精确的 3D 物(wù)體(tǐ)。增材制造的一个关键优势是您可(kě)以积极地迭代设计。”Velásquez-García 说道。
由于3D打印机几乎可(kě)以形成任何形状，研究人员设计了带有(yǒu)双曲杆的四极杆。这种形状非常适合质量过滤，但很(hěn)难用(yòng)传统方法制造。许多(duō)商(shāng)业过滤器采用(yòng)圆棒，这会降低性能(néng)。
他(tā)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(yòng)性，同时确保在设备移动或摇晃时杆保持正确的位置。
為(wèi)了完成四极杆，研究人员使用(yòng)了一种称為(wèi)化學(xué)镀的技术，在杆上涂上一层金属薄膜，使其具有(yǒu)导電(diàn)性。他(tā)们用(yòng)掩蔽化學(xué)品覆盖除杆外的所有(yǒu)东西，然后将四极杆浸入加热到精确温度和搅拌条件的化學(xué)浴中。这样可(kě)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(fēn)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(néng)
為(wèi)了测试他(tā)们的3D打印四极杆，该团队将它们更换到商(shāng)业系统中，发现它们可(kě)以获得比其他(tā)类型的微型滤波器更高的分(fēn)辨率。它们的四极杆長(cháng)约 12 厘米，密度是同类不锈钢过滤器的四分(fēn)之一。
此外，进一步的实验表明，他(tā)们的3D打印四极杆可(kě)以达到与大型商(shāng)业过滤器相当的精度。
未来，研究人员计划通过加長(cháng)过滤器来提高四极杆的性能(néng)。较長(cháng)的过滤器可(kě)以实现更精确的测量，因為(wèi)当化學(xué)物(wù)质沿着其長(cháng)度移动时，更多(duō)应该被过滤掉的离子会逸出。他(tā)们还打算探索可(kě)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(yǒu)关键部件都可(kě)以3D打印的质谱仪，从而在不牺牲性能(néng)的情况下降低设备的重量和成本。还有(yǒu)很(hěn)多(duō)工作要做，但这是一个很(hěn)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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