화학 물질을 식별하는 장치인 질량 분석기는 범죄 현장 분석, 독성학 테스트, 지질 조사와 같은 응용 분야에서 널리 사용됩니다.그러나 이러한 기계는 부피가 크고 비용이 많이 들고 손상되기 쉽기 때문에 효과적으로 배치할 수 있는 위치가 제한됩니다.

MIT 연구진은 적층 가공을 이용해 질량 분석기의 핵심 구성 요소인 질량 필터를 제작했는데, 이는 기존 기술과 재료로 만든 동일한 유형의 필터보다 훨씬 가볍고 저렴합니다.

사중극자(quadrupole)로 알려진 소형 필터는 몇 달러만 투자하면 몇 시간 만에 완전히 제작할 수 있습니다.3D 프린팅 장치는 10만 달러가 넘는 비용과 제조에 몇 주가 소요되는 일부 상업용 매스 필터만큼 정확합니다.

내구성과 내열성이 뛰어난 유리-세라믹 수지로 제작된 필터는 한 번에 3D 프린팅되므로 조립이 필요하지 않습니다.조립 시 종종 사중극자의 성능을 저하시킬 수 있는 결함이 발생합니다.

이 가볍고 저렴하면서도 정확한 사중극자는 Luis Fernando Velásquez-García가 20년간 3D 프린팅 휴대용 질량 분석기를 생산하기 위한 노력의 중요한 단계 중 하나입니다.

"이것을 시도한 것이 우리가 처음은 아닙니다. 하지만 이 작업에 성공한 것은 우리가 처음입니다. 다른 소형화된 사중극자 필터도 있지만 전문가급 매스 필터와 비교할 수는 없습니다. 가능성은 많습니다.

성능에 부정적인 영향을 주지 않고 크기와 비용을 더 줄일 수 있다면 이 하드웨어에 적합할 것입니다."라고 MIT 마이크로시스템 기술 연구소(MTL)의 주요 연구 과학자이자 소형 사중극자에 대해 자세히 설명하는 논문의 수석 저자인 Velásquez-García는 말합니다.예를 들어, 과학자는 휴대용 질량 분석기를 열대 우림의 외딴 지역으로 가져가서 샘플을 실험실로 다시 보내지 않고도 잠재적인 오염 물질을 신속하게 분석할 수 있습니다.그리고 가벼운 장치는 더 저렴하고 우주로 보내기가 더 쉬울 것이며, 그곳에서 지구 대기나 먼 행성의 화학 물질을 모니터링할 수 있을 것입니다.

Velásquez-García는 전기 공학 및 컴퓨터 과학(EECS) 분야의 MIT 대학원생인 수석 저자 Colin Eckhoff와 함께 논문에 합류했습니다.전 MIT 박사후 연구원인 Nicholas Lubinsky;Ardara Technologies의 Luke Metzler와 Randall Pedder도 있습니다.연구는출판됨~에첨단과학.

크기가 중요하다

질량 분석기의 핵심은 질량 필터입니다.이 구성 요소는 전기장 또는 자기장을 사용하여 질량 대 전하 비율에 따라 하전 입자를 분류합니다.이러한 방식으로 장치는 샘플의 화학 성분을 측정하여 알려지지 않은 물질을 식별할 수 있습니다.

일반적인 유형의 매스 필터인 사중극자는 축을 둘러싸는 4개의 금속 막대로 구성됩니다.막대에 전압이 가해지면 전자기장이 생성됩니다.전자기장의 특성에 따라 특정 질량 대 전하 비율을 갖는 이온이 필터 중앙을 통해 소용돌이치며 다른 입자는 측면으로 빠져나갑니다.전압의 혼합을 변경함으로써 질량 대 전하 비율이 다른 이온을 목표로 삼을 수 있습니다.

디자인은 상당히 단순하지만 일반적인 스테인리스 스틸 사중극자의 무게는 몇 킬로그램에 달합니다.그러나 사중극자를 소형화하는 것은 쉬운 일이 아니다.필터를 더 작게 만들면 일반적으로 제조 과정에서 오류가 발생합니다.또한 필터가 작을수록 더 적은 수의 이온을 수집하므로 화학 분석의 민감도가 낮아집니다.

Velásquez-García는 “4중극자를 임의로 더 작게 만들 수는 없습니다. 상충관계가 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

그의 팀은 적층 제조를 활용하여 이상적인 크기와 모양을 갖춘 소형 사중극자를 만들어 정밀도와 감도를 극대화함으로써 이러한 절충안의 균형을 맞췄습니다.

그들은 최대 900°C의 온도를 견딜 수 있고 진공에서도 잘 작동하는 비교적 새로운 인쇄 가능한 재료인 유리-세라믹 수지로 필터를 제작합니다.

이 장치는 피스톤이 바닥에 있는 LED 어레이에 거의 닿을 때까지 액체 수지 통 안으로 밀어넣는 공정인 통 광중합을 사용하여 생산됩니다.이는 빛을 내며 피스톤과 LED 사이의 아주 작은 간격에 남아 있는 수지를 경화시킵니다.그런 다음 경화된 폴리머의 작은 층이 피스톤에 달라붙어 피스톤이 올라가고 주기를 반복하여 장치를 한 번에 하나의 작은 층으로 만듭니다.

"이것은 매우 정밀한 3D 물체를 만들 수 있는 세라믹 프린팅을 위한 비교적 새로운 기술입니다. 그리고 한 가지 주요 장점은적층 제조Velásquez-García는 “공격적으로 디자인을 반복할 수 있다는 점입니다.”라고 말합니다.

3D 프린터는 거의 모든 모양을 만들 수 있기 때문에 연구원들은 쌍곡선 막대가 있는 사중극자를 설계했습니다.이 모양은 대량 필터링에 이상적이지만 기존 방법으로는 만들기가 어렵습니다.많은 상업용 필터는 대신 둥근 막대를 사용하므로 성능이 저하될 수 있습니다.

또한 막대를 둘러싸는 복잡한 삼각형 격자 네트워크를 인쇄하여 내구성을 제공하는 동시에 장치가 움직이거나 흔들리더라도 막대가 올바른 위치를 유지하도록 보장합니다.

사중극자를 완성하기 위해 연구진은 무전해 도금이라는 기술을 사용하여 막대를 얇은 금속 필름으로 코팅하여 전기 전도성을 갖게 했습니다.그들은 막대를 제외한 모든 것을 마스킹 화학 물질로 덮은 다음 정확한 온도와 교반 조건으로 가열된 화학 욕조에 사중극자를 담급니다.이는 장치의 나머지 부분을 손상시키거나 막대를 단락시키지 않고 막대에 얇은 금속 필름을 균일하게 증착합니다.

"결국 우리는 3D 프린터의 제약을 고려하여 가장 컴팩트하면서도 가장 정확한 사중극자를 만들었습니다"라고 Velásquez-García는 말합니다.

성능 극대화

3D 프린팅된 사중극자를 테스트하기 위해 팀은 이를 상용 시스템으로 교체했으며 다른 유형의 소형 필터보다 더 높은 해상도를 얻을 수 있음을 발견했습니다.길이가 약 12cm인 사중극자는 비슷한 스테인리스 스틸 필터 밀도의 1/4입니다.

또한 추가 실험에서는 3D 프린팅된 사중극자가 대규모 상업용 필터와 동등한 정밀도를 달성할 수 있음을 시사합니다.

"질량 분석법은 모든 과학 도구 중 가장 중요한 도구 중 하나이며 Velásquez-Garcia와 동료들은 이전 장치에 비해 여러 가지 장점이 있는 사중극자 질량 필터의 설계, 구성 및 성능을 설명합니다"라고 Graham Cooks는 말합니다.이 작업에는 참여하지 않은 Purdue University의 Aston Mass Spectrometry 연구소의 Henry Bohn Hass 화학 석좌 교수입니다.

"장점은 다음 사실에서 비롯됩니다. 대부분의 상업용 제품보다 훨씬 작고 가벼우며 적층 구조를 사용하여 모놀리식으로 제작됩니다.… 성능이 사중극자 이온 트랩의 성능과 얼마나 잘 비교할 수 있는지에 대한 공개 질문은 열려 있습니다.이는 질량 측정을 위해 동일한 전기장에 의존하지만 사중극자 질량 필터의 엄격한 기하학적 요구 사항은 없습니다."라고 Cooks는 말합니다.

"이 논문은 QMF(4중극자 질량 필터) 제조의 진정한 발전을 나타냅니다. 저자는 고급 재료, QMF 구동 전자 장치 및 질량 분석기를 사용하여 제조에 대한 지식을 결합하여 저렴한 비용으로 우수한 성능을 갖춘 새로운 시스템을 생산합니다."스티브 테일러(Steve Taylor) 교수는 이렇게 덧붙입니다.전기 공학그리고 이 논문에는 참여하지 않은 리버풀 대학의 전자공학도 있습니다.

"QMF는 다른 많은 유형의 질량 분석 시스템에서 '분석 엔진'의 핵심이므로 이 논문은 전체에 걸쳐 중요한 의미를 갖습니다.질량분석법전 세계적으로 수십억 달러 규모의 산업을 대표하는 분야입니다."라고 Taylor는 말합니다.앞으로 연구진은 필터를 더 길게 만들어 사중극자의 성능을 높일 계획이다.

필터가 길수록 화학물질이 길이를 따라 이동할 때 필터링되어야 하는 이온이 더 많이 빠져나가기 때문에 더 정확한 측정이 가능합니다.그들은 또한 열을 더 잘 전달할 수 있는 다양한 세라믹 재료를 탐구할 계획입니다.

"우리의 비전은 모든 주요 구성 요소를 3D 프린팅할 수 있는 질량 분석기를 만들어 성능 저하 없이 무게와 비용을 훨씬 줄이는 장치에 기여하는 것입니다. 아직 해야 할 일이 많지만 이것은 좋은 시작입니다." Velásquez-Garcia가 덧붙입니다.

이 이야기는 MIT News(web.mit.edu/newsoffice/)는 MIT 연구, 혁신 및 교육에 대한 뉴스를 다루는 인기 사이트입니다.