Масс-спектрометр печатают на принтере

Масс-спектрометры, которые определяют состав веществ, широко применяют в криминалистике, токсикологии, геологической разведке и пр. Однако эти приборы громоздки и дорогостоящи, их легко повредить. Сердце масс-спектрометра — масс-фильтр. В нем электромагнитное поле сор-тирует заряженные частицы в зависимости от отношения их массы к заряду.

Очень распространенный тип масс-фильтра — квадруполь содержит четыре стержневых металлических электрода, которые при определенных напряжениях позволяют без отклонения проходить лишь ионам с определенным отношением массы к заряду. Типичный квадруполь из нержавеющей стали весит несколько килограммов. Чем меньше его масса, тем больше ошибки изготовления. А кроме того, фильтры меньшего размера собирают меньше ионов, что снижает чувствительность масс-спектрометра.

Физики Массачусетского технологического института во главе с главным научным сотрудником Лаборатории микросистемных технологий Луисом Веласкес-Гарсия (Luis F. Velásquez-García) напечатали на 3D-принтере миниатюрный квадрупольный масс-фильтр длиной 12 см, который по своим характеристикам не уступает коммерческим устройствам. Это сделано впервые в мире.

Трехмерный принтер может сформировать практически любую форму детали, поэтому исследователи разработали квадруполь с гиперболическими стержнями, который сложно изготовить обычными методами. Трехмерной печатью получена и сеть треугольных решеток, окружающих стержни, которая обеспечивает неизменность положения стержней относительно друг друга при перемещении или встряхивании. Чтобы сделать стержни электропроводящими, на них сверху электролизом наносят металлическую пленку. Материалом для всех деталей служит термостойкая стеклокерамическая смола.

Фильтр гораздо дешевле, чем традиционные квадруполи того же типа, а изготовить его можно за несколько часов. Стоимость составила всего несколько долларов, в то время как стандартные, на производство которых уходят недели, могут стоить более 100 тысяч долларов. Сборка квадруполю не нужна, поскольку его по новой технологии печатают за один шаг.

Ученые поставили свой фильтр в серийный масс-спектрометр и обнаружили, что он дает более высокое разрешение по сравнению с другими типами миниатюрных фильтров. По-видимому, вскоре компактные масс-спектрометры станут массовым и стандартным инструментом для полевых исследований. Например, экологи или вулканологи будут использовать их для экспресс-анализа состава газов прямо на месте, а не в лаборатории, куда нужно отвозить образцы. Легкий прибор проще отправить в ближний или дальний космос. Статья вышла в журнале Advanced Science.