Filter für Massenspektrometer innerhalb weniger Stunden 3D-gedruckt

Am MIT hat ein Forscherteam unter der Leitung von Fernando Velásquez-García mit Hilfe des 3D-Drucks einen Filter für ein Massenspektrometer entwickelt. Dieses Gerät, das zur Erkennung von Molekülstrukturen durch Messung ihrer Masse bestimmt ist, ist üblicherweise groß, zerbrechlich und aufgrund seines Platzbedarfs in bestimmten Bereichen nicht leicht einzusetzen. Mithilfe von Photopolymerisation und einem hitzebeständigen Glaskeramikharz gelang es dem Team, den Filter für dieses Gerät herzustellen, das allgemein als Quadrupol bekannt ist. Mithilfe der additiven Fertigung konnte das Team die Produktionszeit des Filters sowie die Kosten und das Gewicht erheblich reduzieren.

Die Massenspektrometrie wurde in den 1900er Jahren entwickelt und diente ursprünglich dazu, die Isotropen eines chemischen Elements aufzuspüren und zu trennen. Seitdem wurde die Technik perfektioniert und dient heute vielen wissenschaftlichen Bereichen wie der Chemie, der Physik, der Biologie oder auch der Untersuchung von Steinen. Ein Spektrometer besteht aus vier Teilen, darunter der Analysator, der die Ionen trennen kann. Dieser kann ein hochauflösender oder ein niedrigauflösender Analysator sein. Im zweiten Fall wird ein Quadrupol verwendet, eine Komponente, die eine Energieübertragung ermöglicht. Letzteres wurde durch additive Fertigung in wenigen Stunden und für nur wenige Dollar entwickelt, im Gegensatz zu den herkömmlichen Wochen und Tausenden von Dollar.

Die additive Fertigung ermöglicht zahlreiche Formen und Iterationen

Ein im 3D-Druckverfahren hergesteller Filter für Massenspektrometer

Die Komponente wurde mit Hilfe einer Harzmaschine in 3D gedruckt: Das Team erklärt, dass es ein Glaskeramikharz verwendet hat, das Schicht für Schicht durch mehrere LEDs gehärtet wird. Der 3D-Drucker stellt den miniaturisierten Quadrupol in einem einzigen Arbeitsgang her, sodass keine Montageschritte erforderlich sind, die zu Fehlern führen und die Qualität des Bauteils beeinträchtigen können. Fernando Velásquez-García bekräftigt: „Wir sind nicht die Ersten, die das versuchen. Aber wir sind die ersten, die es geschafft haben. Es gibt andere miniaturisierte Quadrupolfilter, aber sie sind nicht mit den Massenfiltern in Profiqualität vergleichbar. Es gibt viele Möglichkeiten für dieses Material, wenn die Größe und die Kosten reduziert werden könnten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen“.

Die additive Fertigung bot dem MIT-Team viele Vorteile, wie oben bereits erläutert wurde. Außerdem konnte das Massenspektrometer verkleinert werden, wodurch die Möglichkeiten erweitert wurden. Das Team erklärt, dass sie es in entlegeneren Gebieten einsetzen und Analysen schneller und effizienter durchführen können. Beispiele sind der Regenwald oder der Weltraum, wo das Gerät zur Analyse von Chemikalien in der Atmosphäre eingesetzt werden könnte.

Da der 3D-Druck zudem mehr Möglichkeiten für Formen und Geometrien bietet, dachte sich das Team ein anderes Design für ihre Quadripole aus. Es entwarf ein Gerät mit hyperbolischen Stäben, das sich ideal für die Massenfilterung eignet. Traditionell sind diese Stäbe abgerundet, was die Leistung des Spektrometers beeinträchtigen kann. Dann platzierten die Forscher latente Strukturen um die Stäbe, um deren Festigkeit und Haltbarkeit zu maximieren. Schließlich wurden die Stäbe in einem Nachbehandlungsschritt leitfähig gemacht: Mithilfe der Galvanotechnik wurde ein dünner Metallfilm sicher aufgebracht. Das Ergebnis? Etwa 12 cm lange Quadrupole, die eine etwa vier Mal geringere Dichte aufweisen als Edelstahlfilter.

Forscher haben einen Quadrupol mit hyperbolischen Stäben entworfen

In Zukunft möchte das Team die Filter verlängern, um genauere Analysen zu ermöglichen. Fernando Velásquez-García kommt zu dem Schluss: „Unsere Vision ist es, ein Massenspektrometer herzustellen, bei dem alle Schlüsselkomponenten in 3D gedruckt werden können, was dazu beitragen würde, das Gewicht und die Kosten des Geräts erheblich zu senken, ohne Abstriche bei der Leistung zu machen. Es liegt noch viel Arbeit vor uns, aber es ist ein guter Anfang“. Weitere Informationen finden Sie in der offiziellen Pressemitteilung des MIT HIER.

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*Bildnachweise: MIT