طیف سنج های جرمی، دستگاه هایی که مواد شیمیایی را شناسایی می کنند، به طور گسترده در کاربردهایی مانند تجزیه و تحلیل صحنه جرم، آزمایش سم شناسی و بررسی های زمین شناسی استفاده می شوند. اما این ماشین‌ها حجیم، گران هستند و به راحتی خراب می‌شوند و جایی که می‌توانند به طور موثر مستقر شوند را محدود می‌کند.
با استفاده از تولید افزودنی، محققان MIT یک فیلتر جرمی، جزء اصلی طیف‌سنج جرمی، ساخته‌اند که بسیار سبک‌تر و ارزان‌تر از همان نوع فیلتر ساخته شده با تکنیک‌ها و مواد سنتی است.
فیلتر مینیاتوری آنها که به عنوان چهار قطبی شناخته می شود، می تواند به طور کامل در چند ساعت با چند دلار ساخته شود. دستگاه چاپ سه بعدی به اندازه برخی فیلترهای فله تجاری دقیق است که می تواند بیش از 100000 دلار قیمت داشته باشد و ساخت آن هفته ها طول بکشد.
این فیلتر که از رزین شیشه سرامیک مقاوم و مقاوم در برابر حرارت ساخته شده است، در یک مرحله چاپ سه بعدی می شود، بنابراین نیازی به مونتاژ نیست. مونتاژ اغلب منجر به نقص هایی می شود که می تواند از کارکرد چهارگوش جلوگیری کند.
این چهارقطبی سبک، ارزان و در عین حال دقیق، گام مهمی در تلاش 20 ساله لوئیس فرناندو ولاسکز-گارسیا برای تولید یک طیف سنج جرمی قابل حمل چاپ سه بعدی است.
“ما اولین کسی نیستیم که برای انجام این کار تلاش می کنیم. اما ما اولین کسی هستیم که موفق به انجام این کار شدیم. فیلترهای چهار قطبی کوچک دیگری نیز وجود دارند، اما قابل مقایسه با فیلترهای فله درجه یک حرفه ای نیستند. ولاسکز-گارسیا، دانشمند اصلی آزمایشگاه فناوری میکروسیستم‌های MIT (MTL) و نویسنده ارشد مقاله، در توصیف چهارقطبی‌های کوچک می‌گوید، اگر بتوان اندازه و هزینه را کوچکتر کرد، بدون اینکه بر عملکرد تأثیر بگذارد، پتانسیل زیادی برای این سخت‌افزار وجود دارد.
برای مثال، یک دانشمند می‌تواند یک طیف‌سنج جرمی قابل حمل را به مناطق دورافتاده جنگل‌های بارانی بیاورد و از آن برای تجزیه و تحلیل سریع آلاینده‌های احتمالی بدون فرستادن نمونه‌ها به آزمایشگاه استفاده کند. یک وسیله سبک وزن ارزان‌تر و راحت‌تر به فضا فرستاده می‌شود، جایی که می‌تواند مواد شیمیایی موجود در جو زمین یا سیارات دور را رصد کند.
ولاسکز-گارسیا توسط نویسنده اصلی کالین اکهف، دانشجوی فارغ التحصیل مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT (EECS) در مقاله همراه شده است. نیکلاس لوبینسکی، فوق دکترای سابق MIT؛ و Luke Metzler و Randall Pedder از Ardara Technologies. را مطالعه منتشر شده است که در علم پیشرفته.
مسائل اندازه
در قلب طیف سنج جرمی فیلتر جرمی قرار دارد. این قطعه از میدان های الکتریکی یا مغناطیسی برای مرتب سازی ذرات باردار بر اساس نسبت جرم به بار آنها استفاده می کند. به این ترتیب دستگاه می تواند اجزای شیمیایی موجود در نمونه را اندازه گیری کند تا یک ماده ناشناخته را شناسایی کند.
چهار قطبی، یک نوع رایج فیلتر جرمی، شامل چهار میله فلزی است که یک محور را احاطه کرده اند. ولتاژهایی به میله ها اعمال می شود که یک میدان الکترومغناطیسی ایجاد می کند. بسته به ویژگی‌های میدان الکترومغناطیسی، یون‌هایی با نسبت جرم به بار مشخص از وسط فیلتر می‌چرخند، در حالی که ذرات دیگر از کناره‌ها خارج می‌شوند. با تغییر ترکیب ولتاژها، می توان یون هایی را با نسبت جرم به بار مختلف هدف قرار داد.
اگرچه طراحی نسبتاً ساده ای دارد، اما یک فولاد ضد زنگ معمولی چهار قطبی می تواند چندین پوند وزن داشته باشد. اما کوچک کردن چهار قطبی کار آسانی نیست. کاهش فیلتر معمولاً منجر به خطا در فرآیند تولید می شود. همچنین، فیلترهای کوچکتر یون های کمتری را جمع آوری می کنند و باعث می شود آنالیز شیمیایی حساسیت کمتری داشته باشد.
ولاسکز-گارسیا می افزاید: “شما نمی توانید چهارقطبی ها را خودسرانه کوچکتر کنید – یک مبادله وجود دارد.”
تیم او این مبادله را با استفاده از ساخت افزودنی برای ساخت چهارقطبی های کوچک با اندازه و شکل ایده آل برای به حداکثر رساندن دقت و حساسیت متعادل کرد.
آنها فیلتر را از رزین شیشه سرامیکی می سازند که یک ماده چاپ نسبتاً جدید است که می تواند تا دمای 900 درجه سانتیگراد را تحمل کند و در خلاء عملکرد خوبی دارد.
این دستگاه با فوتوپلیمریزاسیون حمام تولید می شود، فرآیندی که در آن یک پیستون به داخل حمامی از رزین مایع فشار داده می شود تا جایی که تقریباً مجموعه ای از LED ها را در پایین لمس می کند. آنها با پخت رزینی که در شکاف کوچک بین پیستون و LED ها باقی می ماند، روشن می شوند. سپس یک لایه کوچک از پلیمر سخت شده به پیستون می‌چسبد که بالا می‌آید و چرخه را تکرار می‌کند و دستگاه را هر بار یک لایه کوچک می‌سازد.
این یک فناوری چاپ سرامیکی نسبتاً جدید است که به شما امکان می دهد اشیاء سه بعدی بسیار دقیق بسازید. ولاسکز-گارسیا می‌گوید و یکی از مزیت‌های کلیدی تولید افزودنی این است که می‌توانید طرح را به شدت تکرار کنید.
از آنجایی که چاپگر سه بعدی می تواند تقریباً هر شکلی را تشکیل دهد، محققان یک چهار قطبی با میله های هذلولی طراحی کردند. این شکل برای فیلتر انبوه ایده آل است، اما انجام آن با روش های معمولی دشوار است. بسیاری از فیلترهای تجاری به جای آن از میله های گرد استفاده می کنند که می تواند عملکرد را کاهش دهد.
آنها همچنین مش پیچیده ای از شبکه های مثلثی شکل را در اطراف چوب ها چاپ کردند که دوام را فراهم می کند و در عین حال اطمینان می دهد که چوب ها در صورت جابجایی یا تکان دادن دستگاه در موقعیت مناسب قرار می گیرند.
برای تکمیل چهارقطبی، محققان از تکنیکی به نام آبکاری الکترولس استفاده کردند تا میله ها را با یک لایه فلزی نازک بپوشانند و آنها را رسانای الکتریکی کند. آنها همه چیز را به جز میله ها را با یک ماده شیمیایی پوشاننده می پوشانند و سپس چهارقطبی را در یک حمام شیمیایی گرم شده تا دمای دقیق و شرایط هم زدن غوطه ور می کنند. این یک لایه فلزی نازک را به طور یکنواخت روی میله‌ها قرار می‌دهد بدون اینکه به بقیه دستگاه آسیب برساند یا میله‌ها را کوتاه کند.
Velázquez-Garcia می‌گوید: «ما در نهایت به ساخت چهارقطبی‌هایی دست یافتیم که فشرده‌ترین و در عین حال دقیق‌ترین، با توجه به محدودیت‌های چاپگر سه‌بعدی ما ساخته می‌شدند.
به حداکثر رساندن بهره وری
تیم برای آزمایش چهارقطبی های چاپ سه بعدی خود، آنها را در یک سیستم تجاری مبادله کردند و دریافتند که می توانند وضوح بالاتری نسبت به انواع دیگر فیلترهای مینیاتوری داشته باشند. چهار قطبی آنها که حدود 12 سانتی متر طول دارند، یک چهارم چگالی فیلترهای فولادی ضد زنگ قابل مقایسه است.
علاوه بر این، آزمایش‌های بیشتر نشان می‌دهد که چهارقطبی‌های چاپ سه‌بعدی آنها می‌توانند به دقتی برابر با فیلترهای تجاری در مقیاس بزرگ دست یابند.
گراهام کوک، استاد برجسته هنری بون هاس، می گوید: «طیف سنجی جرمی یکی از مهم ترین ابزارهای علمی است، و ولاسکز-گارسیا و همکارانش طراحی، ساخت و عملکرد یک فیلتر جرمی چهار قطبی را توصیف می کنند که چندین مزیت نسبت به دستگاه های قبلی دارد. شیمی در آزمایشگاه طیف‌سنجی جرمی استون در دانشگاه پردو، که در این کار دخالتی نداشت. “مزیت ها از این حقایق ناشی می شود: بسیار کوچکتر و سبک تر از اکثر آنالوگ های تجاری است و به صورت یکپارچه با استفاده از یک ساختار اضافی تولید می شود. … این یک سوال روشن است که عملکرد تله‌های یونی چهارقطبی چقدر خوب است که برای اندازه‌گیری جرم به میدان‌های الکتریکی یکسانی وابسته هستند، اما الزامات هندسی دقیق فیلترهای جرمی چهارقطبی را ندارند.
“این مقاله نشان دهنده یک پیشرفت واقعی در ساخت فیلترهای جرمی چهار قطبی (QMFs) است. استیو تیلور، استاد مهندسی برق و الکترونیک در دانشگاه لیورپول، می افزاید: نویسندگان دانش خود را در مورد ساخت با استفاده از مواد پیشرفته، الکترونیک محرک QMF و طیف سنجی جرمی برای ایجاد یک سیستم جدید با عملکرد خوب با هزینه کم ترکیب می کنند. درگیر این سند است. از آنجایی که QMFها هسته اصلی “موتور تحلیلی” در بسیاری از انواع دیگر سیستم های طیف سنجی جرمی هستند، این مقاله پیامدهای مهمی برای کل حوزه طیف سنجی جرمی دارد که صنعت چند میلیارد دلاری در سراسر جهان است.
در آینده، محققان قصد دارند با طولانی‌تر کردن فیلترها، عملکرد چهارقطبی را بهبود بخشند. یک فیلتر طولانی‌تر ممکن است امکان اندازه‌گیری دقیق‌تری را فراهم کند، زیرا یون‌های بیشتری که باید فیلتر شوند، با حرکت مواد شیمیایی در طول آن فرار می‌کنند. آنها همچنین قصد دارند مواد سرامیکی مختلفی را که می توانند گرما را بهتر هدایت کنند، بررسی کنند.
چشم انداز ما این است که یک طیف سنج جرمی بسازیم که در آن تمام اجزای کلیدی را بتوان به صورت سه بعدی پرینت کرد و به ساخت دستگاهی با وزن و هزینه بسیار کمتر بدون کاهش عملکرد کمک کرد. هنوز کار زیادی برای انجام دادن وجود دارد، اما شروعی عالی است.”
این کار توسط شرکت Empiriko تامین مالی شده است.
