Les spectromètres de masse, appareils qui identifient les substances chimiques, sont largement utilisés dans des programs telles que l'analyse des scènes de criminal offense, les exams toxicologiques et les études géologiques. Mais ces devices sont volumineuses, coûteuses et faciles à endommager, ce qui limite leur déploiement efficace.
- Des chercheurs impriment en 3D un filtre de masse pour un spectromètre portable
- Le filtre imprimé en 3D est léger, moins cher et aussi précis que les filtres traditionnels
- La fabrication additive permet d'explorer de nouvelles possibilités pour des spectromètres portables plus petits et moins coûteux
Grâce à la fabrication additive, les chercheurs du MIT ont produit un filtre de masse, qui est le composant principal d'un spectromètre de masse, qui est beaucoup as well as léger et moins cher que le même style de filtre fabriqué avec des approaches et des matériaux traditionnels.
Leur filtre miniaturisé, appelé quadripôle, peut être entièrement fabriqué en quelques heures pour quelques dollars. Le dispositif imprimé en 3D est aussi précis que certains filtres de masse de qualité commerciale qui peuvent coûter plus de 100 000 bucks et prendre des semaines à fabriquer.
Construit à partir de résine vitrocéramique durable et résistante à la chaleur, le filtre est imprimé en 3D en une seule étape, aucun assemblage n'est donc requis. L'assemblage introduit souvent des défauts qui peuvent nuire aux performances des quadripôles.
Ce quadripôle léger, bon marché mais précis constitue une étape importante dans la quête de 20 ans de Luis Fernando Velásquez-García pour produire un spectromètre de masse transportable imprimé en 3D.
« Nous ne sommes pas les premiers à essayer de le faire. Mais nous sommes les premiers à y parvenir. Il existe d'autres filtres quadripolaires miniaturisés, mais ils ne sont pas comparables aux filtres de masse de qualité professionnelle. Il existe de nombreuses possibilités. pour ce matériel si la taille et le coût pouvaient être furthermore petits sans affecter négativement les performances », explique Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technologies Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d'un write-up détaillant le quadripôle miniaturisé.
Par exemple, un scientifique pourrait apporter un spectromètre de masse transportable dans des zones reculées de la forêt tropicale et l’utiliser pour analyser rapidement des polluants potentiels sans renvoyer d’échantillons à un laboratoire. Et un appareil léger serait moins cher et additionally facile à envoyer dans l’espace, où il pourrait surveiller les produits chimiques présents dans l’atmosphère terrestre ou sur celles de planètes lointaines.
Questions de taille
Le filtre de masse est au cœur d'un spectromètre de masse. Ce composant utilise des champs électriques ou magnétiques pour trier les particules chargées en fonction de leur rapport masse/cost. De cette manière, l’appareil peut mesurer les composants chimiques d’un échantillon pour identifier une compound inconnue.
Un quadripôle, un variety courant de filtre de masse, est composé de quatre tiges métalliques entourant un axe. Des tensions sont appliquées aux tiges, qui produisent un champ électromagnétique. En fonction des propriétés du champ électromagnétique, les ions ayant un rapport masse/cost spécifique tourbillonneront au milieu du filtre, tandis que d’autres particules s’échapperont par les côtés. En faisant varier le mélange de tensions, on peut cibler des ions avec différents rapports masse/demand.
Bien que de conception assez simple, un quadripôle typique en acier inoxydable peut peser plusieurs kilogrammes. Mais miniaturiser un quadripôle n’est pas une tâche facile. Rendre le filtre moreover petit introduit généralement des erreurs lors du processus de fabrication. De furthermore, les filtres additionally petits collectent moins d’ions, ce qui rend l’analyse chimique moins wise.
« Vous ne pouvez pas réduire arbitrairement les quadripôles – il y a un compromis », ajoute Velásquez-García.
Son équipe a équilibré ce compromis en tirant parti de la fabrication additive pour fabriquer des quadripôles miniaturisés ayant la taille et la forme idéales pour maximiser la précision et la sensibilité.
Ils fabriquent le filtre à partir d'une résine vitrocéramique, un matériau imprimable relativement nouveau qui peut résister à des températures allant jusqu'à 900 degrés Celsius et fonctionne bien sous vide.
L'appareil est produit par photopolymérisation en cuve, un processus dans lequel un piston pousse dans une cuve de résine liquide jusqu'à ce qu'il touche presque un ensemble de LED au fond. Ceux-ci s'illuminent et durcissent la résine qui reste dans le minuscule espace entre le piston et les LED. Une minuscule couche de polymère durci est ensuite collée au piston, qui monte et répète le cycle, construisant le dispositif une petite couche à la fois.
« Il s'agit d'une technologie relativement nouvelle pour l'impression de céramiques qui vous permet de créer des objets 3D très précis. Et l'un des principaux avantages de la fabrication additive est que vous pouvez itérer les conceptions de manière agressive », explique Velásquez-García.
Puisque l’imprimante 3D peut former pratiquement n’importe quelle forme, les chercheurs ont conçu un quadripôle avec des bâtonnets hyperboliques. Cette forme est idéale pour le filtrage de masse mais difficile à réaliser avec les méthodes conventionnelles. De nombreux filtres commerciaux utilisent à la position des tiges arrondies, ce qui peut réduire les performances.
Ils ont également imprimé un réseau complexe de réseaux triangulaires entourant les tiges, ce qui guarantee la durabilité tout en garantissant que les tiges restent correctement positionnées si l'appareil est déplacé ou secoué.
Pour terminer le quadripôle, les chercheurs ont utilisé une technique appelée placage autocatalytique pour recouvrir les tiges d'un mince movie métallique, ce qui les rend électriquement conductrices. Ils recouvrent tout sauf les tiges avec un produit chimique de masquage, puis plongent le quadripôle dans un bain chimique chauffé à une température et dans des conditions d'agitation précises. Cela dépose uniformément un mince film métallique sur les tiges sans endommager le reste du dispositif ni courtroom-circuiter les tiges.
« En fin de compte, nous avons réalisé les quadripôles les additionally compacts mais aussi les additionally précis possibles, compte tenu des contraintes de notre imprimante 3D », explique Velásquez-García.
Maximiser les performances
Pour tester leurs quadripôles imprimés en 3D, l’équipe les a remplacés par un système business et a découvert qu’ils pouvaient atteindre des résolutions as well as élevées que d’autres forms de filtres miniatures. Leurs quadripôles, qui mesurent approximativement 12 centimètres de extended, représentent un quart de la densité des filtres comparables en acier inoxydable.
En outre, d’autres expériences suggèrent que leurs quadripôles imprimés en 3D pourraient atteindre une précision comparable à celle des filtres commerciaux à grande échelle.
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'améliorer les performances du quadripôle en allongeant les filtres. Un filtre plus long peut permettre des mesures moreover précises, auto davantage d'ions censés être filtrés s'échapperont à mesure que le produit chimique se déplace sur sa longueur. Ils ont également l’intention d’explorer différents matériaux céramiques susceptibles de mieux transférer la chaleur.
« Notre eyesight est de créer un spectromètre de masse dont tous les composants clés peuvent être imprimés en 3D, contribuant ainsi à un appareil beaucoup moins lourd et moins coûteux sans sacrifier les performances. Il reste encore beaucoup de travail à faire, mais c'est un bon début », » ajoute Velásquez-Garcia.
Ce travail a été financé par Empiriko Corporation.
