MITの研究者がポータブル質量分析計用の超小型精密部品を3Dプリント

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-1-5 13:19 に最後に編集されました

南極クマの紹介:質量分析計は化学物質を識別するための装置であり、犯罪現場の分析、毒物学検査、地質調査などの分野で広く使用されています。しかし、従来の製造技術を使用して製造されたデバイスは、かさばり、高価で、損傷しやすいため、その使用が制限されます。

2024年1月5日、アンタークティックベアは、マサチューセッツ工科大学（MTL）の研究者が3Dプリント技術を使用して、質量分析計のコアコンポーネント用の質量フィルターを開発したことを知りました。これは質量分析計のコアコンポーネントであり、従来の技術と材料で作られた同様のフィルターよりも軽量で安価です。

この 3D プリント四重極質量フィルター (QMF) は、数時間と数ドルで製造できます。同時に、この装置は、10万ドル（約71万元）以上かかり、製造に数週間かかる商用グレードの質量フィルターと同等の精度を備えている。

△3D プリント技術により、研究者は簡単に新しい設計を試すことができるため、最終版 (h) に到達するまでに多くの異なる四重極フィルターを作成しました。このフィルターは、耐久性を高めるために一連の三角格子で囲まれています。この軽量で低コスト、高精度の四重極フィルターの成果は、MTL の主任研究科学者であり、論文の主任著者でもあるルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏の 3D プリントポータブル質量分析計の製造における 20 年にわたる取り組みの中で重要なブレークスルーとなりました。「私たちはこれを試みた最初のグループではありませんが、それを成功させた最初のグループです」と彼は言いました。「他の小型四重極フィルターも存在しますが、プロ仕様の質量フィルターには及びません。性能を犠牲にすることなくサイズとコストを削減できれば、ハードウェアの可能性の世界が広がります。」

△この研究は、「セラミック樹脂タンクの光重合による均一な質量分解能を備えた低コストでコンパクトな四重極質量フィルター」というタイトルで、Advanced Science誌に掲載されました（ポータル）
質量分析計のコアコンポーネントを最適化する理由は何ですか?

質量分析計のコアコンポーネントは質量フィルターであり、電界または磁界を使用して、質量と電荷の比に応じて荷電粒子を分類します。この技術により、デバイスはサンプルの化学組成を測定し、未知の物質を特定できるようになります。たとえば、科学者はポータブル質量分析計を熱帯雨林の遠隔地に持ち込み、サンプルを研究室に持ち帰ることなく、潜在的な汚染物質を迅速に分析することができます。軽量の機器は、地球の大気や遠くの惑星の大気中の化学物質を監視するために宇宙に送り込むのがより手頃で簡単になります。

四重極は、軸を囲む 4 本の金属棒で構成される一般的なタイプの質量フィルターです。棒に電圧をかけると電磁場が発生し、一定の質量電荷比を持つイオンが質量フィルターの中央で回転し、他の粒子は側面から逃げます。電圧の組み合わせを変えることで、質量電荷比の異なるイオンをターゲットにすることができます。

設計は比較的シンプルですが、典型的なステンレス鋼四重極の重量は数キログラムになることがあります。しかし、四重極を縮小することは、製造工程でエラーが発生することが多いため、簡単ではありません。さらに、質量フィルターが小さいほど収集されるイオンが少なくなり、化学分析の感度が低下します。

△このフィルターは耐熱ガラスセラミック樹脂で作られており、3Dプリントで一体成形できるため、組み立て工程で発生する可能性のある欠陥を回避でき、四重極の性能を維持するのに役立ちます。
3Dプリントを使用して理想的な四重極を作成する

このトレードオフを克服するために、研究者らは積層造形法を用いて、ガラスセラミック樹脂を使用した理想的なサイズと形状の小型四重極子を作成し、精度と感度を向上させました。この材料は最高 900°C の温度に耐えることができ、真空中でも優れた性能を発揮します。

このデバイスは、バット光重合法を使用して製造されます。この方法では、ピストンを液体樹脂のバットに押し込み、小さな隙間に光を当てて樹脂を硬化させることで、デバイスを層ごとに構築します。

3D 印刷技術の利点は、設計を積極的に反復できることです。3D プリンターはほぼあらゆる形状を形成できるため、研究者は双曲ロッドを備えた四重極を設計しました。この形状は質量濾過に非常に適していますが、従来の方法では製造が困難です。

研究者らはまた、ロッドの周囲に複雑な三角形のメッシュのネットワークを印刷し、耐久性を高め、デバイスが動いたり揺れたりしてもロッドが正しい位置に留まるようにした。

四重極子を完成させるために、研究者たちは化学メッキ技術を使ってロッドを薄い金属膜でコーティングし、導電性を持たせました。このプロセスは、ロッド以外のすべてをマスキング化学薬品で覆い、正確な温度と撹拌条件に加熱された化学薬品浴に四重極を浸すことによって実行されます。これにより、デバイスの他の部分を損傷したり、短絡を引き起こしたりすることなく、ロッドに金属の薄膜を均一に堆積させることができます。

「3Dプリンターの限界を考慮しながら、可能な限りコンパクトで精密な四重極を作成することができました」とベラスケス・ガルシア氏は語った。

△ QMFインレットの3D CADでは、双曲バーと上部構造を接続する接続柱が詳細に示されています。四重極ロッドの長さは12.5cm、対向するロッドの間隔は12mmです。
パフォーマンスを最大化する

研究チームによれば、3Dプリントされた四重極質量フィルター（QMF）は他のマイクロフィルターよりも高い解像度を実現できるという。これらの四重極は約 12 cm の長さで、同等のステンレス鋼フィルターの 4 分の 1 の密度を持ちます。

さらに実験を行ったところ、これらの 3D プリント四重極子の精度は、大型の市販フィルターと同等であることが示されました。

「この装置の利点は、市販されているほとんどの装置よりも小型で軽量であり、積層構造を使用して一体的に製造されていることです。質量測定に同じ電界を使用するものの、四重極質量フィルターほどの厳しい幾何学的要件を持たない四重極イオントラップと比べて、その性能がどの程度なのかは未解決の問題です」と、パデュー大学の化学教授グラハム・クックス氏は説明した。

リバプール大学の電気工学および電子工学教授であるスティーブ・テイラー氏は、次のように述べています。「この論文は、四重極質量フィルターの製造分野における真の進歩を表しています。著者らは、先進的な材料、四重極質量フィルター駆動エレクトロニクス、および質量分析製造の知識を組み合わせて、低コストで優れた性能を備えた新しいタイプのシステムを生み出しました。」

テイラー氏は、四重極質量フィルターは多くの種類の質量分析システムの繊細な中核部品の 1 つであるため、この論文は世界中で数十億ドル規模の産業である質量分析分野全体に重要な意味を持つと付け加えました。

将来的には、研究者らはフィルターの長さを長くすることで四重極の性能を向上させる計画だ。フィルターが長いほど、化学物質がフィルターの長さに沿って移動するにつれて、除去されるべきイオンの多くが逃げてしまうため、より正確な測定が可能になります。また、熱伝達性能を向上させるために、さまざまなセラミック材料の研究も計画しています。

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