Des chercheurs impriment en 3D des composants pour un spectromètre de masse portable

Les spectromètres de masse, appareils qui identifient les substances chimiques, sont largement utilisés dans des applications telles que l'analyse des scènes de crime, les tests toxicologiques et les études géologiques. Mais ces machines sont volumineuses, coûteuses et faciles à endommager, ce qui limite leur déploiement efficace.

Grâce à la fabrication additive, les chercheurs du MIT ont produit un filtre de masse, qui est le composant principal d'un spectromètre de masse, qui est beaucoup plus léger et moins cher que le même type de filtre fabriqué avec des techniques et des matériaux traditionnels.

Leur filtre miniaturisé, appelé quadripôle, peut être entièrement fabriqué en quelques heures pour quelques dollars. Le dispositif imprimé en 3D est aussi précis que certains filtres de masse de qualité commerciale qui peuvent coûter plus de 100 000 dollars et prendre des semaines à fabriquer.

Construit à partir de résine vitrocéramique durable et résistante à la chaleur, le filtre est imprimé en 3D en une seule étape, aucun assemblage n'est donc requis. L'assemblage introduit souvent des défauts qui peuvent nuire aux performances des quadripôles.

Ce quadripôle léger, bon marché mais précis constitue une étape importante dans la quête de 20 ans de Luis Fernando Velásquez-García pour produire un spectromètre de masse portable imprimé en 3D.

“Nous ne sommes pas les premiers à essayer de le faire. Mais nous sommes les premiers à y parvenir. Il existe d'autres filtres quadripolaires miniaturisés, mais ils ne sont pas comparables aux filtres de masse de qualité professionnelle. Il existe de nombreuses possibilités. pour ce matériel si la taille et le coût pouvaient être plus petits sans affecter négativement les performances”, explique Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d'un article détaillant le quadripôle miniaturisé.

Par exemple, un scientifique pourrait apporter un spectromètre de masse portable dans des zones reculées de la forêt tropicale et l’utiliser pour analyser rapidement des polluants potentiels sans renvoyer d’échantillons à un laboratoire. Et un appareil léger serait moins cher et plus facile à envoyer dans l’espace, où il pourrait surveiller les produits chimiques présents dans l’atmosphère terrestre ou sur celles de planètes lointaines.

Velásquez-García est rejoint dans l'article par l'auteur principal Colin Eckhoff, étudiant diplômé du MIT en génie électrique et informatique (EECS) ; Nicholas Lubinsky, ancien postdoctorant du MIT ; et Luke Metzler et Randall Pedder d'Ardara Technologies. La recherche est publiée dans Science avancée.

Questions de taille

Le filtre de masse est au cœur d'un spectromètre de masse. Ce composant utilise des champs électriques ou magnétiques pour trier les particules chargées en fonction de leur rapport masse/charge. De cette manière, l’appareil peut mesurer les composants chimiques d’un échantillon pour identifier une substance inconnue.

Un quadripôle, un type courant de filtre de masse, est composé de quatre tiges métalliques entourant un axe. Des tensions sont appliquées aux tiges, qui produisent un champ électromagnétique. En fonction des propriétés du champ électromagnétique, les ions ayant un rapport masse/charge spécifique tourbillonneront au milieu du filtre, tandis que d’autres particules s’échapperont par les côtés. En faisant varier le mélange de tensions, on peut cibler des ions avec différents rapports masse/charge.

Bien que de conception assez simple, un quadripôle typique en acier inoxydable peut peser plusieurs kilogrammes. Mais miniaturiser un quadripôle n’est pas une tâche facile. Rendre le filtre plus petit introduit généralement des erreurs lors du processus de fabrication. De plus, les filtres plus petits collectent moins d’ions, ce qui rend l’analyse chimique moins sensible.

“Vous ne pouvez pas réduire arbitrairement les quadripôles : il y a un compromis”, ajoute Velásquez-García.

Son équipe a équilibré ce compromis en tirant parti de la fabrication additive pour fabriquer des quadripôles miniaturisés ayant la taille et la forme idéales pour maximiser la précision et la sensibilité.

Ils fabriquent le filtre à partir d'une résine vitrocéramique, un matériau imprimable relativement nouveau qui peut résister à des températures allant jusqu'à 900°C et fonctionne bien sous vide.

L'appareil est produit par photopolymérisation en cuve, un processus dans lequel un piston pousse dans une cuve de résine liquide jusqu'à ce qu'il touche presque un ensemble de LED au fond. Ceux-ci s'illuminent et durcissent la résine qui reste dans le minuscule espace entre le piston et les LED. Une minuscule couche de polymère durci est ensuite collée au piston, qui monte et répète le cycle, construisant le dispositif une petite couche à la fois.

“Il s'agit d'une technologie relativement nouvelle pour l'impression de céramiques qui vous permet de créer des objets 3D très précis. Et l'un des principaux avantages de la fabrication additive est que vous pouvez itérer les conceptions de manière agressive”, explique Velásquez-García.

Puisque l’imprimante 3D peut former pratiquement n’importe quelle forme, les chercheurs ont conçu un quadripôle avec des bâtonnets hyperboliques. Cette forme est idéale pour le filtrage de masse mais difficile à réaliser avec les méthodes conventionnelles. De nombreux filtres commerciaux utilisent à la place des tiges arrondies, ce qui peut réduire les performances.

Ils ont également imprimé un réseau complexe de réseaux triangulaires entourant les tiges, ce qui assure leur durabilité tout en garantissant que les tiges restent correctement positionnées si l'appareil est déplacé ou secoué.

Pour terminer le quadripôle, les chercheurs ont utilisé une technique appelée placage autocatalytique pour recouvrir les tiges d'un mince film métallique, ce qui les rend électriquement conductrices. Ils recouvrent tout sauf les tiges avec un produit chimique de masquage, puis plongent le quadripôle dans un bain chimique chauffé à une température et dans des conditions d'agitation précises. Cela dépose uniformément un mince film métallique sur les tiges sans endommager le reste du dispositif ni court-circuiter les tiges.

“En fin de compte, nous avons réalisé les quadripôles les plus compacts mais aussi les plus précis possibles, compte tenu des contraintes de notre imprimante 3D”, explique Velásquez-García.

Maximiser les performances

Pour tester leurs quadripôles imprimés en 3D, l’équipe les a remplacés par un système commercial et a découvert qu’ils pouvaient atteindre des résolutions plus élevées que d’autres types de filtres miniatures. Leurs quadripôles, qui mesurent environ 12 centimètres de long, représentent un quart de la densité des filtres comparables en acier inoxydable.

En outre, d’autres expériences suggèrent que leurs quadripôles imprimés en 3D pourraient atteindre une précision comparable à celle des filtres commerciaux à grande échelle.

“La spectrométrie de masse est l'un des outils scientifiques les plus importants, et Velásquez-Garcia et ses collègues décrivent la conception, la construction et les performances d'un filtre de masse quadripolaire qui présente plusieurs avantages par rapport aux dispositifs antérieurs”, déclare Graham Cooks, professeur Henry Bohn Hass, professeur distingué de chimie aux laboratoires Aston pour la spectrométrie de masse de l'université Purdue, qui n'a pas participé à ce travail.

« Les avantages découlent de ces faits : il est beaucoup plus petit et plus léger que la plupart de ses homologues commerciaux et il est fabriqué de manière monolithique, en utilisant une construction additive. … La question reste ouverte de savoir dans quelle mesure ses performances se compareront à celles des pièges à ions quadripolaires, qui dépendent des mêmes champs électriques pour la mesure de masse, mais qui ne répondent pas aux exigences géométriques strictes des filtres de masse quadripolaires”, explique Cooks.

“Cet article représente une véritable avancée dans la fabrication de filtres de masse quadripolaires (QMF). Les auteurs rassemblent leurs connaissances en matière de fabrication utilisant des matériaux avancés, l'électronique de commande QMF et la spectrométrie de masse pour produire un nouveau système offrant de bonnes performances à faible coût.” ajoute Steve Taylor, professeur de génie électrique et d'électronique à l'Université de Liverpool, qui n'a pas non plus participé à cet article.

“Étant donné que les QMF sont au cœur du “moteur analytique” de nombreux autres types de systèmes de spectrométrie de masse, le document revêt une importance importante dans l'ensemble du domaine de la spectrométrie de masse, qui représente à l'échelle mondiale une industrie de plusieurs milliards de dollars”, explique Taylor.

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'améliorer les performances du quadripôle en allongeant les filtres. Un filtre plus long peut permettre des mesures plus précises, car davantage d'ions censés être filtrés s'échapperont à mesure que le produit chimique se déplace sur sa longueur. Ils ont également l’intention d’explorer différents matériaux céramiques susceptibles de mieux transférer la chaleur.

“Notre vision est de créer un spectromètre de masse dont tous les composants clés peuvent être imprimés en 3D, contribuant ainsi à un appareil beaucoup moins lourd et moins coûteux sans sacrifier les performances. Il reste encore beaucoup de travail à faire, mais c'est un bon début”, ” ajoute Velásquez-Garcia.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.