Forscher drucken 3D-Komponenten für ein tragbares Massenspektrometer
Leichte und kostengünstige, miniaturisierte Massenfilter sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu tragbaren Massenspektrometern, mit denen unbekannte Chemikalien in entlegenen Gebieten identifiziert werden könnten
Massenspektrometer, Geräte zur Identifizierung chemischer Substanzen, sind in Anwendungen wie der Tatortanalyse, toxikologischen Tests und geologischen Untersuchungen weit verbreitet. Aber diese Geräte sind sperrig, teuer und leicht zu beschädigen, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt.
Dieses Foto zeigt ein Beispiel für einen 3D-gedruckten miniaturisierten Quadrupol-Massenfilter. Sie können in wenigen Stunden für ein paar Dollar hergestellt werden.
Courtesy of Luis Fernando Velásquez-García, Colin Eckhoff, et al
Mithilfe der additiven Fertigung haben MIT-Forscher einen Massenfilter hergestellt, der das Kernstück eines Massenspektrometers ist und wesentlich leichter und billiger ist als der gleiche Filtertyp, der mit herkömmlichen Techniken und Materialien hergestellt wird.
Ihr miniaturisierter Filter, ein so genannter Quadrupol, kann innerhalb weniger Stunden für ein paar Dollar vollständig hergestellt werden. Das 3D-gedruckte Gerät ist genauso präzise wie einige kommerzielle Massenfilter, die mehr als 100.000 Dollar kosten können und deren Herstellung Wochen dauert.
Der aus haltbarem und hitzebeständigem Glaskeramikharz gefertigte Filter wird in einem einzigen Schritt 3D-gedruckt, so dass keine Montage erforderlich ist. Bei der Montage entstehen oft Fehler, die die Leistung von Quadrupolen beeinträchtigen können.
Dieser leichte, preiswerte und dennoch präzise Quadrupol ist ein wichtiger Schritt in Luis Fernando Velásquez-Garcías 20-jährigem Bestreben, ein 3D-gedrucktes, tragbares Massenspektrometer herzustellen.
"Wir sind nicht die ersten, die dies versuchen. Aber wir sind die ersten, denen das gelungen ist. Es gibt andere miniaturisierte Quadrupolfilter, aber sie sind nicht mit professionellen Massenfiltern vergleichbar. Es gibt viele Möglichkeiten für diese Hardware, wenn die Größe und die Kosten geringer wären, ohne die Leistung zu beeinträchtigen", sagt Velásquez-García, leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT und Hauptautor einer Arbeit, in der der miniaturisierte Quadrupol beschrieben wird.
Ein Wissenschaftler könnte zum Beispiel ein tragbares Massenspektrometer in entlegene Gebiete des Regenwaldes mitnehmen und damit schnell potenzielle Schadstoffe analysieren, ohne Proben in ein Labor zurückschicken zu müssen. Und ein leichtes Gerät wäre billiger und einfacher in den Weltraum zu schicken, wo es Chemikalien in der Erdatmosphäre oder auf fernen Planeten überwachen könnte.
Velásquez-García arbeitet zusammen mit dem Hauptautor Colin Eckhoff, einem MIT-Absolventen in Elektrotechnik und Informatik (EECS), Nicholas Lubinsky, einem ehemaligen MIT-Postdoc, sowie Luke Metzler und Randall Pedder von Ardara Technologies an der Arbeit. Die Forschungsarbeit wurde in Advanced Science veröffentlicht .
Auf die Größe kommt es an
Das Herzstück eines Massenspektrometers ist der Massenfilter. Diese Komponente nutzt elektrische oder magnetische Felder, um geladene Teilchen auf der Grundlage ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses zu sortieren. Auf diese Weise kann das Gerät die chemischen Komponenten in einer Probe messen, um eine unbekannte Substanz zu identifizieren.
Ein Quadrupol, ein gängiger Typ eines Massenfilters, besteht aus vier Metallstäben, die eine Achse umgeben. An die Stäbe werden Spannungen angelegt, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen. Je nach den Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes werden Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis in der Mitte des Filters herumgewirbelt, während andere Teilchen an den Seiten entweichen. Durch Variation der Spannungsmischung kann man Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen ansteuern.
Ein typischer Quadrupol aus rostfreiem Stahl ist zwar recht einfach aufgebaut, kann aber mehrere Kilogramm wiegen. Die Miniaturisierung eines Quadrupols ist jedoch keine leichte Aufgabe. Die Verkleinerung des Filters führt in der Regel zu Fehlern im Herstellungsprozess. Außerdem sammeln kleinere Filter weniger Ionen, was die chemische Analyse weniger empfindlich macht.
"Man kann Quadrupole nicht beliebig verkleinern - es gibt einen Kompromiss", fügt Velásquez-García hinzu.
Sein Team glich diesen Kompromiss aus, indem es die additive Fertigung nutzte, um miniaturisierte Quadrupole mit der idealen Größe und Form herzustellen, um Präzision und Empfindlichkeit zu maximieren.
Sie stellen den Filter aus einem glaskeramischen Harz her, einem relativ neuen, druckbaren Material, das Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius standhalten kann und auch im Vakuum gut funktioniert.
Das Gerät wird mit Hilfe der Bottich-Photopolymerisation hergestellt, einem Verfahren, bei dem ein Kolben in einen Bottich mit flüssigem Harz gedrückt wird, bis er fast eine Reihe von LEDs am Boden berührt. Diese leuchten und härten das Harz aus, das in dem winzigen Spalt zwischen dem Kolben und den LEDs verbleibt. Eine winzige Schicht des gehärteten Polymers wird dann auf den Kolben geklebt, der nach oben steigt und den Zyklus wiederholt, wobei das Gerät eine winzige Schicht nach der anderen aufgebaut wird.
"Dies ist eine relativ neue Technologie für den Druck von Keramiken, mit der man sehr präzise 3D-Objekte herstellen kann. Ein entscheidender Vorteil der additiven Fertigung ist, dass man die Entwürfe aggressiv wiederholen kann", sagt Velásquez-García.
Da der 3D-Drucker praktisch jede Form herstellen kann, entwarfen die Forscher einen Quadrupol mit hyperbolischen Stäben. Diese Form ist ideal für die Massenfilterung, lässt sich aber mit herkömmlichen Methoden nur schwer herstellen. Viele kommerzielle Filter verwenden stattdessen runde Stäbe, was die Leistung beeinträchtigen kann.
Außerdem druckten sie ein kompliziertes Netz aus dreieckigen Gittern, das die Stäbe umgibt und für Haltbarkeit sorgt und gleichzeitig sicherstellt, dass die Stäbe korrekt positioniert bleiben, wenn das Gerät bewegt oder geschüttelt wird.
Um den Quadrupol fertig zu stellen, beschichteten die Forscher die Stäbe mit einem dünnen Metallfilm, der sie elektrisch leitfähig macht, mit einer Technik namens stromlose Beschichtung. Sie bedecken alles außer den Stäben mit einer Maskierungschemikalie und tauchen dann den Quadrupol in ein chemisches Bad, das auf eine präzise Temperatur und unter Rührbedingungen erhitzt wird. Dadurch wird ein dünner Metallfilm gleichmäßig auf den Stäben abgeschieden, ohne dass der Rest des Geräts beschädigt wird oder die Stäbe kurzgeschlossen werden.
"Letztendlich haben wir die kompaktesten und gleichzeitig präzisesten Quadrupole hergestellt, die mit unserem 3D-Drucker möglich waren", sagt Velásquez-García.
Maximierung der Leistung
Um ihre 3D-gedruckten Quadrupole zu testen, baute das Team sie in ein kommerzielles System ein und stellte fest, dass sie eine höhere Auflösung als andere Arten von Miniaturfiltern erreichen konnten. Ihre Quadrupole, die etwa 12 Zentimeter lang sind, haben eine um ein Viertel geringere Dichte als vergleichbare Edelstahlfilter.
Außerdem deuten weitere Experimente darauf hin, dass ihre 3D-gedruckten Quadrupole eine Präzision erreichen könnten, die mit der von kommerziellen Großfiltern vergleichbar ist.
Für die Zukunft planen die Forscher, die Leistung des Quadrupols zu steigern, indem sie die Filter länger machen. Ein längerer Filter kann präzisere Messungen ermöglichen, da mehr Ionen, die eigentlich herausgefiltert werden sollten, entweichen, wenn die Chemikalie die Filterlänge durchläuft. Außerdem wollen sie verschiedene keramische Materialien erforschen, die die Wärme besser leiten könnten.
"Unsere Vision ist es, ein Massenspektrometer zu bauen, bei dem alle wichtigen Komponenten in 3D gedruckt werden können, was zu einem Gerät mit viel weniger Gewicht und Kosten beiträgt, ohne dass die Leistung darunter leidet. Es gibt noch viel zu tun, aber dies ist ein guter Anfang", fügt Velásquez-Garcia hinzu.
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