研究人员为便携式质谱仪打印3D组件

质谱仪是一种识别化学物质的设备，广泛用于犯罪现场分析、毒理学测试和地质调查等应用。但这些设备体积庞大、价格昂贵、容易损坏，从而限制了它们的实际应用。近日，麻省理工学院研究人员利用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，比使用传统技术和材料制造的同类型过滤器轻得多，也便宜得多。

他们的微型过滤器被称为“四极杆”（quadrupole），只需几美元就能在几小时内制造完成。这种3D打印设备的精确度不亚于某些商业级质量过滤器，而后者的成本可能超过10万美元，制造时间长达数周。

这张照片展示了一个3D打印微型四极杆质量过滤器的例子。只需几美元就能在几小时内制作完成

过滤器由耐用耐热的玻璃陶瓷树脂制成，一步3D打印，因此无需组装。组装通常会引入缺陷，从而阻碍四极杆的性能。这种重量轻、价格便宜但精确的四极杆是Luis Fernando Velásquez-García 20年来致力生产3D打印便携式质谱仪的重要一步。

Velásquez García说：“我们不是第一个尝试这样做的团队。但我们是第一个成功做到这一点的团队。还有其他小型四极杆过滤器，但它们无法与专业级质量过滤器相媲美。如果尺寸和成本可以更小，而不会对性能产生不利影响，那么设备未来有商业潜力。”他同时也是麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家，也是一篇详细介绍小型四极杆的论文资深作者。

例如，科学家可以将便携式质谱仪带到偏远的热带雨林地区，利用它快速分析潜在的污染物，而无需将样本运回实验室。轻便的设备成本更低，更容易送入太空，监测地球大气层或遥远星球大气层中的化学物质。

尺寸至关重要
质谱仪的核心是质量过滤器。该部件利用电场或磁场，根据带电粒子的质量电荷比对其进行分类。这样，设备就能测量样品中的化学成分，从而识别未知物质。

四极杆是一种常见的质量滤波器，由围绕轴线的四根金属杆组成。向金属棒施加电压会产生电磁场。根据电磁场的特性，具有特定质量电荷比的离子会在过滤器中间旋转，而其他粒子则从两侧逃逸。通过改变电压的组合，可以锁定不同质量电荷比的离子。

虽然设计相当简单，但一个典型的不锈钢四极杆可能重达几公斤。但要将四极杆小型化并非易事。将过滤器尺寸缩小通常会在制造过程中产生误差。此外，较小的过滤器收集的离子较少，也就降低了化学分析的灵敏度。

Velásquez-García解释说：不能随意缩小四极杆，这需要权衡。他们用玻璃陶瓷树脂制造过滤器，这是一种相对较新的可打印材料，能承受高达900℃的高温，在真空中也能发挥良好的性能。

Velásquez-García教授

该设备是使用大桶光聚合生产的，这是一个活塞推入液体树脂大桶直到几乎接触到底部LED阵列的过程。这些发光二极管发光，使留在活塞和发光二极管之间微小缝隙中的树脂固化。然后，一层微小的固化聚合物被粘在活塞上，活塞上升并重复这个循环，一次建造一个微小层装置。

Velásquez-García表示：这是一种相对较新的陶瓷打印技术，可以制造出非常精确的三维物体。增材制造的一个关键优势是，你可以积极迭代设计。由于3D打印机几乎可以形成任何形状，研究人员设计了一个带有双曲杆的四极杆。这种形状非常适合大规模过滤，但很难用传统方法制造。许多商用过滤器采用圆棒代替，这会降低性能。

他们还在棒的周围打印了复杂的三角形晶格网络，这样既能提供耐用性，又能确保在设备移动或摇晃时保持棒的正确位置。为了完成四极杆的制作，研究人员使用了一种名为“无电解电镀”的技术，在杆上镀上一层薄薄的金属膜，使其具有导电性。

研究团队用掩蔽化学品覆盖除棒以外的所有部分，然后将四极杆浸没在加热到精确温度和搅拌条件下的化学浴中。这样就能在棒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分或使棒短路。

Velásquez-García说：最终，我们制造出了最紧凑的四极杆，同时也是在3D打印机的限制下所能制造出的最精确的四极杆。

性能最大化
为了测试他们的3D打印四极杆，研究小组将它们换到了一个商业系统中，发现它们比其他类型的微型过滤器能达到更高的分辨率。他们的四极杆长约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打印四极杆可以达到与大型商用过滤器相当的精度。未来，研究人员计划通过加长过滤器来提高四极杆的性能。更长的过滤器可以实现更精确的测量，因为当化学物质沿着过滤器的长度移动时，会有更多应该被过滤掉的离子逃逸出来。他们还打算探索能更好地传热的不同陶瓷材料。