耐温达900度，MIT麻省理工光固化3D打印陶瓷便携式质谱仪组件

麻省理工学院的科学家使用增材制造技术生产了质量过滤器——质谱仪的核心部件。 这种3D打印的质量过滤器非常轻，并且比以前的过滤器更便宜，由耐用且耐热的玻璃陶瓷树脂制成。

3D打印陶瓷便携式质谱仪组件
©MIT

 紧凑且强大

质谱 (MS) 是定量化学分析的黄金标准，广泛应用于医疗保健、研究和国防等领域。质谱仪的核心是滤质器，它利用电磁场根据质荷比对真空中的电离物质进行分类。

尽管如此，主流质谱仪体积庞大、昂贵、笨重且耗电，限制了它们在原位和自主化学分析应用中的使用。因此，人们对开发紧凑且功能强大的质谱仪来解决这些缺点非常感兴趣。

通过增材制造，研究人员能够轻松尝试新设计，他们迭代了许多不同的四极滤波器设计，这些四极滤波器被一系列三角形晶格包围以提供耐用性。

设计迭代
© MIT

麻省理工的科学家将他们的微型过滤器称为四极杆, 它非常精确，因为一些商业级滤质器的成本可能超过 100,000 美元，并且需要数周的时间来制造。

知乎-质谱中的“四极杆”是做什么用的？四极杆是最常用的质量分析器之一,四极杆质谱计属于动态质谱, 由于仅利用纯电场工作, 无需涉及磁场 ,其结构简单 ,重量较轻；仅要求离子入射能量小于某一上限，不要求入射离子实现能量聚焦,从而可引入结构简单、高灵敏度的离子源, 并且适用于具有一定能量分散的离子,如二次离子;扫描速度快 ,可通过调节电参量实现仪器灵敏度和分辨本领的调整,同一台仪器可满足不同的分析要求。这些优点使得四极杆从诞生开始就备受关注,并得到了迅速发展。目前四极杆质谱技术已相当成熟, 作为一种结构紧凑、功能齐全、价格低廉的质谱仪器, 在物理学、分析化学、医学、环境科学、生命科学等领域中获得了广泛应用。

麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 的首席研究科学家、详细介绍微型四极杆的论文资深作者表示，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，那么这种硬件就有很好的应用前景。

四极杆是一种常见的滤质器，由围绕轴的四个金属杆组成。向这些棒施加电压会产生电磁场。根据场的特性，具有特定质荷比的离子移动通过过滤器的中心，而其他离子则从侧面逸出。调整电压混合可以瞄准具有不同质荷比的离子。

尽管设计简单，但典型的不锈钢四极杆相对较重。使其小型化具有挑战性，因为较小的过滤器可能会引入制造误差并收集较少的离子，从而降低化学分析的灵敏度。

该团队通过利用增材制造来创建具有最佳尺寸的小型化四极杆，以提高精度和灵敏度，从而解决了尺寸和灵敏度之间的权衡问题。与许多带有可能降低性能的圆杆的商业过滤器不同，3D打印实现的设计灵活性增强了过滤能力。

 光固化

该过滤器由玻璃陶瓷树脂制成，这是一种相对较新的可打印材料，可以承受高达 900 摄氏度的温度，并在真空中有效运行。其优势源自以下事实：比大多数商业同类产品更小、更轻，并且通过增材制造实现了结构一体化。

该设备是通过大桶光固化3D打印技术制造的，科学家利用3D打印机的多功能性设计了带有双曲杆的四极杆，这种形状非常适合质量过滤，但使用传统方法制造起来具有挑战性。

此外，在杆周围3D打印了一个复杂的点阵网络，以增强耐用性并确保杆正确定位，即使设备受到移动或摇晃也是如此。

最后一步涉及到化学镀，这是一种在棒上涂上薄金属膜以使其导电的技术。该过程包括遮盖整个装置（除了杆），并将四极杆浸入精确加热的化学浴中并控制搅拌条件。这确保了金属薄膜在棒上的均匀沉积，而不会损坏设备的其余部分或导致棒中的短路。

在测试3D打印的四极杆时，科学家们观察到比其他微型过滤器更高的分辨率。长度约为 12 厘米，四极杆的密度仅为同类不锈钢过滤器的四分之一。此外，其他实验表明，其3D打印四极杆所达到的精度可与更大规模的商用滤波器相媲美。

QMF 是许多其他类型质谱系统‘分析引擎’的核心，因此这项研究在整个质谱领域具有重要意义，该领域代表了全球数十亿美元的产业。下一步，科学家计划通过延长过滤器来优化四极杆的性能。