Масс-спектрометры — это чрезвычайно точные химические анализаторы, которые имеют множество применений, от оценки безопасности питьевой воды до обнаружения токсинов в крови пациента. Но создание недорогого портативного масс-спектрометра, который можно было бы использовать в удаленных местах, остается проблемой, отчасти из-за сложности миниатюризации вакуумного насоса, необходимого для его работы при низких затратах.

Исследователи Массачусетского технологического института использовали аддитивное производство , чтобы сделать важный шаг к решению этой проблемы. Они напечатали на 3D-принтере миниатюрную версию вакуумного насоса , известного как перистальтический насос, размером с человеческий кулак.

Их насос может создавать и поддерживать вакуум с давлением на порядок ниже, чем у так называемого сухого форвакуумного насоса, который не требует жидкости для создания вакуума и может работать при атмосферном давлении. Уникальный дизайн исследователей, который можно напечатать за один проход на многокомпонентном 3D-принтере, предотвращает утечку жидкости или газа и сводит к минимуму выделение тепла от трения в процессе накачки. Это увеличивает срок службы устройства.

Этот насос может быть встроен в портативный масс-спектрометр, используемый, например, для мониторинга загрязнения почвы в изолированных частях мира. Устройство также может быть идеальным для использования в геологическом оборудовании, направляющемся на Марс, поскольку запуск легкого насоса в космос будет дешевле.

«Мы говорим об очень недорогом оборудовании, которое также очень функционально», — говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник Лаборатории технологий микросистем Массачусетского технологического института (MTL) и старший автор статьи, описывающей новый насос.

«С масс-спектрометрами 500-фунтовая горилла в комнате всегда была проблемой насосов. То, что мы показали здесь, является новаторским, но это возможно только потому, что оно напечатано на 3D-принтере. Если бы мы хотели сделать это стандартным способом , мы бы и близко не были».

К Веласкесу-Гарсии в статье присоединяется ведущий автор Хан-Джу Ли, бывший постдоктор Массачусетского технологического института; и Хорхе Каньяда Перес-Сала, аспирант по электротехнике и информатике. Статья опубликована сегодня, 25 апреля, в журнале Additive Manufacturing .

Проблемы с насосом

Когда образец прокачивается через масс-спектрометр, он лишается электронов, превращая его атомы в ионы. Электромагнитное поле манипулирует этими ионами в вакууме, поэтому можно определить их массы. Эта информация может быть использована для точной идентификации компонентов образца. Поддержание вакуума имеет ключевое значение, поскольку при столкновении ионов с молекулами газа из воздуха их динамика изменится, что снизит специфичность аналитического процесса и увеличит его ложные срабатывания.

Перистальтические насосы обычно используются для перемещения жидкостей или газов, которые могут загрязнить компоненты насоса, например реактивные химические вещества. Они также используются для перекачивания жидкостей, которые необходимо содержать в чистоте, например крови. Перекачиваемое вещество полностью содержится в гибкой трубке, которая обвивается вокруг набора роликов. Ролики прижимают трубку к корпусу при вращении. Защемленные части трубки расширяются вслед за роликами, создавая вакуум, который втягивает жидкость или газ через трубку.

Хотя эти насосы создают вакуум, конструктивные проблемы ограничивают их использование в масс-спектрометрах. Материал трубы перераспределяется, когда ролики прикладывают усилие, что приводит к образованию зазоров, вызывающих утечки. Эту проблему можно решить, быстро включив насос, заставляя жидкость проходить быстрее, чем она может вытечь. Но это вызывает чрезмерный нагрев, который повреждает насос, и зазоры остаются. По словам Веласкес-Гарсия, чтобы полностью закрыть трубку и создать вакуум, необходимый для масс-спектрометра, механизм должен прилагать дополнительную силу, чтобы сдавливать выпуклые участки, что приводит к еще большему повреждению.

Аддитивное решение

Он и его команда переосмыслили конструкцию перистальтического насоса снизу вверх в поисках способов использования аддитивного производства для внесения улучшений. Во-первых, с помощью многокомпонентного 3D-принтера они смогли изготовить гибкую трубку из особого типа сверхэластичного материала, способного выдерживать огромные деформации.

Затем в ходе итеративного процесса проектирования они определили, что добавление выемок на стенках трубки уменьшит нагрузку на материал при сжатии. Благодаря надрезам материал трубы не нужно перераспределять, чтобы противодействовать силе роликов.

Точность изготовления, обеспечиваемая 3D-печатью, позволила исследователям произвести точный размер выреза, необходимый для устранения зазоров. Они также смогли изменить толщину трубы, чтобы стенки были прочнее в местах крепления разъемов, что еще больше снизило нагрузку на материал.

Используя многокомпонентный 3D-принтер, они напечатали всю трубу за один проход, что важно, поскольку после сборки могут появиться дефекты, которые могут привести к утечкам. Для этого им нужно было найти способ печатать узкую гибкую трубку вертикально, не допуская ее раскачивания во время процесса. В конце концов, они создали легкую конструкцию, которая стабилизирует трубку во время печати, но ее можно легко снять позже, не повредив устройство.

«Одним из ключевых преимуществ использования 3D-печати является то, что она позволяет нам агрессивно создавать прототипы. Если вы делаете эту работу в чистом помещении, где производится множество этих миниатюрных насосов, это занимает много времени и много денег. . Если вы хотите внести изменения, вам придется начать весь процесс заново. В этом случае мы можем напечатать наш насос за считанные часы, и каждый раз это может быть новый дизайн», — говорит Веласкес-Гарсия.

Портативный, но производительный

Когда они протестировали свою окончательную конструкцию, исследователи обнаружили, что она способна создавать вакуум с давлением на порядок ниже, чем у современных мембранных насосов. Более низкое давление обеспечивает более качественный вакуум. По словам Веласкес-Гарсия, чтобы достичь такого же вакуума с помощью стандартных диафрагменных насосов, необходимо последовательно подключить три насоса.

Насос достиг максимальной температуры 50 ° C, что вдвое меньше, чем у современных насосов, используемых в других исследованиях, и требовало вдвое меньшего усилия для полного запечатывания трубки.

«Движение жидкости — огромная проблема при попытке создать небольшое и портативное оборудование, и эта работа элегантно использует преимущества многокомпонентной 3D-печати для создания высокоинтегрированного и функционального насоса для создания вакуума для контроля газа. Мало того, что насос меньше, чем почти что-то подобное, но он также создает вакуум в 100 раз ниже», — говорит Майкл Бредмор, профессор аналитической химии в Университете Тасмании, который не участвовал в этой работе. «Этот дизайн возможен только при использовании 3D-принтеров и прекрасно демонстрирует возможности проектирования и создания в 3D».

В будущем исследователи планируют изучить способы дальнейшего снижения максимальной температуры, что позволит трубке срабатывать быстрее, создавая лучший вакуум и увеличивая скорость потока. Они также работают над 3D-печатью целого миниатюрного масс-спектрометра. По мере разработки этого устройства они будут продолжать дорабатывать характеристики перистальтического насоса.

«Некоторые люди думают, что при 3D-печати чего-либо должен быть какой-то компромисс. Но здесь наша группа показала, что это не так. Это действительно новая парадигма. Аддитивное производство не решит все проблемы мира. , но у этого решения есть реальные основания», — говорит Веласкес-Гарсия.