導讀：輕巧、廉價、小型化的質量過濾器是邁向便攜式質譜儀的關鍵一步，便攜式質譜儀可以在遠程環境中識別未知化學物質。

質譜儀是識別化學物質的設備，廣泛用于犯罪現場分析、毒理學測試和地質調查等應用。但這些機器體積龐大、價格昂貴且易于損壞，這限制了它們可以有效部署的地方。

麻省理工學院的研究人員使用增材制造生產了一種質量過濾器，這是質譜儀的核心部件，比使用傳統技術和材料制成的相同類型的過濾器更輕、更便宜。

他們的小型化過濾器，被稱為四極桿，可以在幾個小時內完全制造出來，只需幾美元。這種3D打印設備與一些商業級質量過濾器一樣精確，這些過濾器的成本可能超過10萬美元，并且需要數周時間才能制造出來。

該過濾器由耐用且耐熱的微晶玻璃樹脂制成，一步完成 3D 打印，因此無需組裝。組裝通常會引入可能影響四極桿性能的缺陷。

這種輕巧、廉價但精確的四極桿是路易斯·費爾南多·貝拉斯克斯-加西亞 20 年來生產 3D 打印便攜式質譜儀的重要一步。

“我們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。還有其他小型化四極桿過濾器，但它們無法與專業級質量過濾器相提并論。如果尺寸和成本可以更小，而不會對性能產生不利影響，那么這種硬件就有很多可能性，“麻省理工學院微系統技術實驗室的首席研究科學家Velásquez-García說，他是一篇詳細介紹小型化四極桿的論文的資深作者。

例如，科學家可以將便攜式質譜儀帶到熱帶雨林的偏遠地區，用它來快速分析潛在的污染物，而無需將樣品運回實驗室。輕量級設備將更便宜，更容易送入太空，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與主要作者Colin Eckhoff一起撰寫了這篇論文，他是麻省理工學院電氣工程和計算機科學的研究生;尼古拉斯·魯賓斯基，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（http://tjaee.com/）。

質譜儀的核心是質量過濾器。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以識別未知物質。

四極桿是一種常見的質量過濾器，由圍繞軸的四根金屬棒組成。電壓施加到桿上，產生電磁場。根據電磁場的性質，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。通過改變電壓組合，可以靶向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達幾公斤。但是，將四極桿小型化并非易事。縮小過濾器通常會在制造過程中引入錯誤。此外，較小的過濾器收集的離子較少，這使得化學分析的靈敏度降低。

“你不能讓四極桿任意變小——需要權衡，”Velásquez-García補充道。

他的團隊通過利用增材制造制造具有理想尺寸和形狀的小型化四極桿來平衡這種權衡，以最大限度地提高精度和靈敏度。

他們用微晶玻璃樹脂制造過濾器，這是一種相對較新的可打印材料，可以承受高達 900 攝氏度的溫度，并且在真空中表現良好。

該裝置采用大桶光聚合法生產，活塞將活塞推入一桶液態樹脂，直到它幾乎接觸底部的 LED 陣列。它們照亮、固化殘留在活塞和 LED 之間微小間隙中的樹脂。然后，一小層固化的聚合物粘在活塞上，活塞上升并重復循環，一次構建一小層設備。

“這是一種相對較新的陶瓷打印技術，可以讓你制作非常精確的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，“Velásquez-García說。

由于3D打印機幾乎可以形成任何形狀，研究人員設計了一個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。許多商用過濾器采用圓形棒，這會降低性能。

他們還打印了一個圍繞桿的三角形格子的復雜網絡，這提供了耐用性，同時確保桿在設備移動或搖晃時保持正確定位。

為了完成四極桿，研究人員使用一種稱為化學鍍的技術在棒上涂上一層薄金屬膜，使它們具有導電性。它們用掩蔽化學品覆蓋除棒以外的所有東西，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。這會在棒上均勻地沉積一層薄薄的金屬膜，而不會損壞設備的其余部分或使棒短路。

“最后，考慮到我們3D打印機的限制，我們制造了最緊湊但也最精確的四極桿，”Velásquez-García說。

為了測試他們的3D打印四極桿，該團隊將它們換成了一個商業系統，發現它們可以達到比其他類型的微型過濾器更高的分辨率。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規模商業過濾器相當的精度。

“質譜法是所有科學工具中最重要的工具之一，Velásquez-Garcia及其同事描述了四極桿質量過濾器的設計，構造和性能，該過濾器與早期設備相比具有多項優勢，”普渡大學阿斯頓實驗室的Henry Bohn Hass化學杰出教授Graham Cooks說，他沒有參與這項工作。“優勢來自這些事實：它比大多數商業同類產品更小、更輕，并且是使用增材結構整體制造的。...與四極桿離子阱相比，其性能如何是一個懸而未決的問題，四極桿離子阱依賴于相同的電場進行質量測量，但沒有四極桿質量過濾器的嚴格幾何要求。

“這篇論文代表了四極桿質量過濾器制造的真正進步。作者匯集了他們使用先進材料、QMF 驅動電子學和質譜法制造的知識，以低成本生產出具有良好性能的新型系統，“利物浦大學電氣工程和電子學教授史蒂夫泰勒補充道，他也沒有參與本文。“由于QMF是許多其他類型的質譜系統中'分析引擎'的核心，因此這篇論文在整個質譜領域具有重要意義，該領域在全球范圍內代表著一個價值數十億美元的行業。

未來，研究人員計劃通過延長濾波器來提高四極桿的性能。更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，應該被過濾掉的更多離子會逸出。他們還打算探索不同的陶瓷材料，以更好地傳遞熱量。

“我們的愿景是制造一種質譜儀，其中所有關鍵組件都可以3D打印，從而在不犧牲性能的情況下以更輕的重量和成本制造設備。還有很多工作要做，但這是一個很好的開始，“Velásquez-Garcia最后說。

導讀：輕巧、廉價、小型化的質量過濾器是邁向便攜式質譜儀的關鍵一步，便攜式質譜儀可以在遠程環境中識別未知化學物質。

質譜儀是識別化學物質的設備，廣泛用于犯罪現場分析、毒理學測試和地質調查等應用。但這些機器體積龐大、價格昂貴且易于損壞，這限制了它們可以有效部署的地方。

麻省理工學院的研究人員使用增材制造生產了一種質量過濾器，這是質譜儀的核心部件，比使用傳統技術和材料制成的相同類型的過濾器更輕、更便宜。

他們的小型化過濾器，被稱為四極桿，可以在幾個小時內完全制造出來，只需幾美元。這種3D打印設備與一些商業級質量過濾器一樣精確，這些過濾器的成本可能超過10萬美元，并且需要數周時間才能制造出來。

該過濾器由耐用且耐熱的微晶玻璃樹脂制成，一步完成 3D 打印，因此無需組裝。組裝通常會引入可能影響四極桿性能的缺陷。

這種輕巧、廉價但精確的四極桿是路易斯·費爾南多·貝拉斯克斯-加西亞 20 年來生產 3D 打印便攜式質譜儀的重要一步。

“我們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。還有其他小型化四極桿過濾器，但它們無法與專業級質量過濾器相提并論。如果尺寸和成本可以更小，而不會對性能產生不利影響，那么這種硬件就有很多可能性，“麻省理工學院微系統技術實驗室的首席研究科學家Velásquez-García說，他是一篇詳細介紹小型化四極桿的論文的資深作者。

例如，科學家可以將便攜式質譜儀帶到熱帶雨林的偏遠地區，用它來快速分析潛在的污染物，而無需將樣品運回實驗室。輕量級設備將更便宜，更容易送入太空，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與主要作者Colin Eckhoff一起撰寫了這篇論文，他是麻省理工學院電氣工程和計算機科學的研究生;尼古拉斯·魯賓斯基，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（http://tjaee.com/）。

質譜儀的核心是質量過濾器。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以識別未知物質。

四極桿是一種常見的質量過濾器，由圍繞軸的四根金屬棒組成。電壓施加到桿上，產生電磁場。根據電磁場的性質，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。通過改變電壓組合，可以靶向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達幾公斤。但是，將四極桿小型化并非易事。縮小過濾器通常會在制造過程中引入錯誤。此外，較小的過濾器收集的離子較少，這使得化學分析的靈敏度降低。

“你不能讓四極桿任意變小——需要權衡，”Velásquez-García補充道。

他的團隊通過利用增材制造制造具有理想尺寸和形狀的小型化四極桿來平衡這種權衡，以最大限度地提高精度和靈敏度。

他們用微晶玻璃樹脂制造過濾器，這是一種相對較新的可打印材料，可以承受高達 900 攝氏度的溫度，并且在真空中表現良好。

該裝置采用大桶光聚合法生產，活塞將活塞推入一桶液態樹脂，直到它幾乎接觸底部的 LED 陣列。它們照亮、固化殘留在活塞和 LED 之間微小間隙中的樹脂。然后，一小層固化的聚合物粘在活塞上，活塞上升并重復循環，一次構建一小層設備。

“這是一種相對較新的陶瓷打印技術，可以讓你制作非常精確的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，“Velásquez-García說。

由于3D打印機幾乎可以形成任何形狀，研究人員設計了一個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。許多商用過濾器采用圓形棒，這會降低性能。

他們還打印了一個圍繞桿的三角形格子的復雜網絡，這提供了耐用性，同時確保桿在設備移動或搖晃時保持正確定位。

為了完成四極桿，研究人員使用一種稱為化學鍍的技術在棒上涂上一層薄金屬膜，使它們具有導電性。它們用掩蔽化學品覆蓋除棒以外的所有東西，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。這會在棒上均勻地沉積一層薄薄的金屬膜，而不會損壞設備的其余部分或使棒短路。

“最后，考慮到我們3D打印機的限制，我們制造了最緊湊但也最精確的四極桿，”Velásquez-García說。

為了測試他們的3D打印四極桿，該團隊將它們換成了一個商業系統，發現它們可以達到比其他類型的微型過濾器更高的分辨率。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規模商業過濾器相當的精度。

“質譜法是所有科學工具中最重要的工具之一，Velásquez-Garcia及其同事描述了四極桿質量過濾器的設計，構造和性能，該過濾器與早期設備相比具有多項優勢，”普渡大學阿斯頓實驗室的Henry Bohn Hass化學杰出教授Graham Cooks說，他沒有參與這項工作。“優勢來自這些事實：它比大多數商業同類產品更小、更輕，并且是使用增材結構整體制造的。...與四極桿離子阱相比，其性能如何是一個懸而未決的問題，四極桿離子阱依賴于相同的電場進行質量測量，但沒有四極桿質量過濾器的嚴格幾何要求。

“這篇論文代表了四極桿質量過濾器制造的真正進步。作者匯集了他們使用先進材料、QMF 驅動電子學和質譜法制造的知識，以低成本生產出具有良好性能的新型系統，“利物浦大學電氣工程和電子學教授史蒂夫泰勒補充道，他也沒有參與本文。“由于QMF是許多其他類型的質譜系統中'分析引擎'的核心，因此這篇論文在整個質譜領域具有重要意義，該領域在全球范圍內代表著一個價值數十億美元的行業。

未來，研究人員計劃通過延長濾波器來提高四極桿的性能。更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，應該被過濾掉的更多離子會逸出。他們還打算探索不同的陶瓷材料，以更好地傳遞熱量。

“我們的愿景是制造一種質譜儀，其中所有關鍵組件都可以3D打印，從而在不犧牲性能的情況下以更輕的重量和成本制造設備。還有很多工作要做，但這是一個很好的開始，“Velásquez-Garcia最后說。