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      便攜式質譜儀的山東青島3D打印組件
      發布時間:2024-01-16    瀏覽人次:139次
      質譜儀是識別化學物質的設備,廣泛應用于犯罪現場分析、毒理學測試和地質調查等領域。但這些機器體積龐大、價格昂貴且容易損壞,這限制了它們的有效部署。


      這張照片顯示了3D打印的小型四極桿質量過濾器的示例,它們可以在幾個小時內以幾美元的價格制造出來

      麻省理工學院的研究人員利用增材制造技術生產了一種質量過濾器,它是質譜儀的核心部件,比采用傳統技術和材料制造的同類型過濾器更輕、更便宜。

      他們的微型過濾器被稱為四極桿,可以在幾小時內以幾美元的價格完全制造出來。該3D打印設備與一些商業級濾質器一樣精確,而這些濾質器的成本可能超過 100,000 美元,并且需要數周時間才能制造。

      該過濾器采用耐用且耐熱的玻璃陶瓷樹脂制成,一步3D打印而成,因此無需組裝。裝配經常會引入缺陷,從而影響四極桿的性能。

      這種輕質、廉價且精確的四極桿是 Luis Fernando Velásquez-García 20 年來致力于生產3D打印便攜式質譜儀的重要一步。


      無上部結構QMF的3D CAD渲染,詳細描述了連接相對電極的螺旋橋。電極的長度為 12.5 厘米,而相對桿之間的間距為 12 毫米

      “我們并不是第一個嘗試這樣做的人。但我們是第一個成功做到這一點的人。還有其他小型四極桿過濾器,但它們無法與專業級質量過濾器相媲美。如果尺寸和成本能夠更小,而又不會對性能產生不利影響,那么這種硬件就有很多可能性?!甭槭±砉W院微系統技術實驗室 (MTL) 的首席研究科學家、詳細介紹小型化硬件的論文的資深作者 Velásquez-García 說道。

      例如,科學家可以將便攜式質譜儀帶到雨林的偏遠地區,用它來快速分析潛在的污染物,而無需將樣本運回實驗室。輕型設備會更便宜,更容易發送到太空,在那里它可以監測地球大氣層或遙遠行星大氣層中的化學物質。

      Velásquez-García 與該論文的主要作者 Colin Eckhoff 一起參與了這篇論文,他是麻省理工學院電氣工程和計算機科學 (EECS) 專業的研究生。尼古拉斯·盧賓斯基 (Nicholas Lubinsky),前麻省理工學院博士后;以及 Ardara Technologies 的 Luke Metzler 和 Randall Pedder。該研究發表在《先進科學》雜志上。

      大小事項

      質譜儀的核心是濾質器。該組件使用電場或磁場根據帶電粒子的質荷比對帶電粒子進行分類。通過這種方式,該設備可以測量樣品中的化學成分,從而識別未知物質。

      四極桿是一種常見類型的濾質器,由圍繞軸的四個金屬桿組成。電壓施加到棒上,產生電磁場。根據電磁場的特性,具有特定質荷比的離子將在過濾器的中間旋轉,而其他顆粒則從側面逸出。通過改變電壓的組合,人們可以瞄準具有不同質荷比的離子。

      雖然設計相當簡單,但典型的不銹鋼四極桿可能重幾公斤。但小型化四極桿并不是一件容易的事。使過濾器變小通常會在制造過程中引入錯誤。另外,較小的過濾器收集的離子較少,這使得化學分析的靈敏度較低。


      本研究中報告的QMF在打印后制造過程中的選定圖像。a) 3D打印的 QMF 主體。b) 遮蓋連接 QMF 桿和上部結構的柱子。c) 鍍有漆膜的 QMF。d) 沒有掩蔽的電鍍 QMF,產生工作裝置。相對桿之間的間距等于 12 毫米,四極桿的長度為 12.5 厘米

      “你不能把四極子任意變小——這是一個權衡,”維拉斯奎茲-加西亞補充道。

      他的團隊通過利用增材制造來制造具有理想尺寸和形狀的小型四極桿,以最大限度地提高精度和靈敏度,從而平衡了這種權衡。

      他們用玻璃陶瓷樹脂制造過濾器,這是一種相對較新的可印刷材料,可以承受高達 900 攝氏度的溫度,并且在真空中表現良好。

      該設備采用大桶光聚合工藝生產,在這一過程中,活塞會推入一桶液態樹脂中,直到幾乎接觸到底部的 LED 陣列。它們會照亮并固化殘留在活塞和 LED 之間微小間隙中的樹脂。然后將一小層固化聚合物粘在活塞上,活塞上升并重復這個循環,一次一層地構建該設備。

      “這是一種相對較新的陶瓷打印技術,可讓您制作非常精確的 3D 物體。增材制造的一個關鍵優勢是您可以積極地迭代設計?!盫elásquez-García 說道。

      由于3D打印機幾乎可以形成任何形狀,研究人員設計了帶有雙曲桿的四極桿。這種形狀非常適合質量過濾,但很難用傳統方法制造。許多商業過濾器采用圓棒,這會降低性能。

      他們還在桿周圍印刷了一個復雜的三角形網格網絡,這提供了耐用性,同時確保在設備移動或搖晃時桿保持正確的位置。

      為了完成四極桿,研究人員使用了一種稱為化學鍍的技術,在桿上涂上一層金屬薄膜,使其具有導電性。他們用掩蔽化學品覆蓋除桿外的所有東西,然后將四極桿浸入加熱到精確溫度和攪拌條件的化學浴中。這樣可以在棒上均勻沉積一層金屬薄膜,而不會損壞設備的其余部分或使棒短路。

      “考慮到我們3D打印機的限制,最終我們制造出了最緊湊、最精確的四極桿,”Velásquez-García 說道。

      最大化性能

      為了測試他們的3D打印四極桿,該團隊將它們更換到商業系統中,發現它們可以獲得比其他類型的微型濾波器更高的分辨率。它們的四極桿長約 12 厘米,密度是同類不銹鋼過濾器的四分之一。

      此外,進一步的實驗表明,他們的3D打印四極桿可以達到與大型商業過濾器相當的精度。

      未來,研究人員計劃通過加長過濾器來提高四極桿的性能。較長的過濾器可以實現更精確的測量,因為當化學物質沿著其長度移動時,更多應該被過濾掉的離子會逸出。他們還打算探索可以更好地傳熱的不同陶瓷材料。

      “我們的愿景是制造一款所有關鍵部件都可以3D打印的質譜儀,從而在不犧牲性能的情況下降低設備的重量和成本。還有很多工作要做,但這是一個很好的開始,”委拉斯開茲-加西亞補充道。

      這項工作由 Empiriko Corporation 資助。
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