Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der 3D-Drucktechnologie gemacht, indem sie Komponenten für einen tragbaren Massenspektrometer erfolgreich mit Hilfe von 3D-Druck herstellten. Das berichtet das MIT auf seiner Website. Dieses Gerät, das zur Identifizierung unbekannter Chemikalien in abgelegenen Umgebungen eingesetzt werden könnte, ist ein bemerkenswerter Schritt in Richtung der Miniaturisierung und Kostenreduzierung solcher Geräte.
Leicht, kostengünstig und schnelle Produktion
Die von den MIT-Forschern produzierten Massenfilter, die als Kernkomponenten von Massenspektrometern gelten, sind deutlich leichter und billiger als traditionell hergestellte Filter. Bekannt als Quadrupol, kann dieser Filter in wenigen Stunden für nur wenige Dollar hergestellt werden. Im Vergleich dazu können kommerzielle Massenfilter, die mehr als 100.000 Dollar kosten und Wochen zur Herstellung benötigen, eine ähnliche Präzision aufweisen.
Ein Schritt in Richtung portabler Massenspektrometrie
Der Filter, hergestellt aus einem haltbaren und hitzebeständigen Glas-Keramik-Harz, wird in einem Schritt 3D-gedruckt, wodurch keine Montage erforderlich ist. Montageschritte können oft Fehler einführen, die die Leistung von Quadrupolen beeinträchtigen könnten. Dieser leichte, preiswerte und dennoch präzise Quadrupol ist ein wichtiger Schritt in der 20-jährigen Suche von Luis Fernando Velásquez-García, einem leitenden Forschungswissenschaftler im Microsystems Technology Laboratory des MIT, nach einem tragbaren, 3D-gedruckten Massenspektrometer.
Anwendungsmöglichkeiten
Mit dem portablen Massenspektrometer könnten Wissenschaftler in abgelegenen Gebieten, wie etwa Regenwäldern, potenzielle Schadstoffe schnell analysieren, ohne Proben zurück in ein Labor schicken zu müssen. Ein leichtes Gerät wäre zudem günstiger und einfacher ins All zu schicken, um Chemikalien in der Atmosphäre der Erde oder auf entfernten Planeten zu überwachen.
Technologische Innovation
Im Herzen eines Massenspektrometers befindet sich der Massenfilter, der elektrische oder magnetische Felder nutzt, um geladene Partikel auf Basis ihres Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses zu sortieren. Ein Quadrupol, eine gängige Art von Massenfilter, besteht aus vier metallischen Stäben, die einen Achsenpunkt umgeben. Durch Anlegen von Spannungen an die Stäbe wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis durch den Filter führt, während andere Partikel seitlich entweichen.
Fertigung und Design
Das Team nutzte additive Fertigung, um miniaturisierte Quadrupole mit idealer Größe und Form für maximale Präzision und Sensitivität herzustellen. Die Filter werden aus einem Glas-Keramik-Harz gefertigt, einem relativ neuen bedruckbaren Material, das Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius standhält und im Vakuum gut funktioniert. Durch den 3D-Druck konnten sie einen Quadrupol mit hyperbolischen Stäben entwerfen, eine Form, die ideal für die Massenfilterung ist, aber mit konventionellen Methoden schwer herzustellen ist.
Verbesserung und Zukunftsaussichten
Tests zeigten, dass die 3D-gedruckten Quadrupole höhere Auflösungen als andere Miniaturfilter erreichen konnten und ungefähr ein Viertel der Dichte vergleichbarer Edelstahlfilters aufwiesen. Weitere Experimente legen nahe, dass die 3D-gedruckten Quadrupole eine Präzision erreichen könnten, die mit der von großformatigen kommerziellen Filtern vergleichbar ist. Das langfristige Ziel ist es, ein Massenspektrometer zu entwickeln, bei dem alle Schlüsselkomponenten 3D-gedruckt werden können, um ein Gerät zu schaffen, das bei geringerem Gewicht und niedrigeren Kosten keine Leistungseinbußen hinnehmen muss. „Es gibt noch viel zu tun, aber das ist ein großartiger Anfang“, fügt Velásquez-Garcia hinzu.
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