麻省理工學院的科學家使用增材製造技術生產了質量過濾器——質譜儀的核心部件。 這種3D列印的質量過濾器非常輕，並且比以前的過濾器更便宜，由耐用且耐熱的玻璃陶瓷樹脂製成。
3D列印陶瓷可攜式質譜儀組件
MIT
/緊湊且強大
質譜 (MS) 是定量化學分析的黃金標準，廣泛應用於醫療保健、研究和國防等領域。質譜儀的核心是濾質器，它利用電磁場根據質荷比對真空中的電離物質進行分類。
儘管如此，主流質譜儀體積龐大、昂貴、笨重且耗電，限制了它們在原位和自主化學分析應用中的使用。因此，人們對開發緊湊且功能強大的質譜儀來解決這些缺點非常感興趣。
通過增材製造，研究人員能夠輕鬆嘗試新設計，他們疊代了許多不同的四極濾波器設計，這些四極濾波器被一系列三角形晶格包圍以提供耐用性。
設計疊代
MIT
麻省理工的科學家將他們的微型過濾器稱為四極杆, 它非常精確，因為一些商業級濾質器的成本可能超過 100,000 美元，並且需要數周的時間來製造。
知乎-質譜中的「四極杆」是做什麼用的？四極杆是最常用的質量分析器之一,四極杆質譜計屬於動態質譜, 由於僅利用純電場工作, 無需涉及磁場 ,其結構簡單 ,重量較輕；僅要求離子入射能量小於某一上限，不要求入射離子實現能量聚焦,從而可引入結構簡單、高靈敏度的離子源, 並且適用於具有一定能量分散的離子,如二次離子;掃描速度快 ,可通過調節電參量實現儀器靈敏度和分辨本領的調整,同一台儀器可滿足不同的分析要求。這些優點使得四極杆從誕生開始就備受關注,並得到了迅速發展。目前四極杆質譜技術已相當成熟, 作為一種結構緊湊、功能齊全、價格低廉的質譜儀器, 在物理學、分析化學、醫學、環境科學、生命科學等領域中獲得了廣泛應用。
麻省理工學院微系統技術實驗室 (MTL) 的首席研究科學家、詳細介紹微型四極杆的論文資深作者表示，還有其他小型四極杆過濾器，但它們無法與專業級質量過濾器相媲美。如果尺寸和成本可以更小而不會對性能產生不利影響，那麼這種硬體就有很好的應用前景。
四極杆是一種常見的濾質器，由圍繞軸的四個金屬杆組成。向這些棒施加電壓會產生電磁場。根據場的特性，具有特定質荷比的離子移動通過過濾器的中心，而其他離子則從側面逸出。調整電壓混合可以瞄準具有不同質荷比的離子。
儘管設計簡單，但典型的不鏽鋼四極杆相對較重。使其小型化具有挑戰性，因為較小的過濾器可能會引入製造誤差並收集較少的離子，從而降低化學分析的靈敏度。
該團隊通過利用增材製造來創建具有最佳尺寸的小型化四極杆，以提高精度和靈敏度，從而解決了尺寸和靈敏度之間的權衡問題。與許多帶有可能降低性能的圓杆的商業過濾器不同，3D列印實現的設計靈活性增強了過濾能力。
/光固化
該過濾器由玻璃陶瓷樹脂製成，這是一種相對較新的可列印材料，可以承受高達 900 攝氏度的溫度，並在真空中有效運行。其優勢源自以下事實：比大多數商業同類產品更小、更輕，並且通過增材製造實現了結構一體化。
該設備是通過大桶光固化3D列印技術製造的，科學家利用3D印表機的多功能性設計了帶有雙曲杆的四極杆，這種形狀非常適合質量過濾，但使用傳統方法製造起來具有挑戰性。
此外，在杆周圍3D列印了一個複雜的點陣網絡，以增強耐用性並確保杆正確定位，即使設備受到移動或搖晃也是如此。
最後一步涉及到化學鍍，這是一種在棒上塗上薄金屬膜以使其導電的技術。該過程包括遮蓋整個裝置（除了杆），並將四極杆浸入精確加熱的化學浴中並控制攪拌條件。這確保了金屬薄膜在棒上的均勻沉積，而不會損壞設備的其餘部分或導致棒中的短路。
在測試3D列印的四極杆時，科學家們觀察到比其他微型過濾器更高的解析度。長度約為 12 厘米，四極杆的密度僅為同類不鏽鋼過濾器的四分之一。此外，其他實驗表明，其3D列印四極杆所達到的精度可與更大規模的商用濾波器相媲美。
QMF 是許多其他類型質譜系統『分析引擎』的核心，因此這項研究在整個質譜領域具有重要意義，該領域代表了全球數十億美元的產業。下一步，科學家計劃通過延長過濾器來優化四極杆的性能。