Imprimen en 3D componentes para un espectrómetro de masas portátil

Los filtros de masas miniaturizados, livianos y económicos, son un paso clave hacia espectrómetros de masas portátiles que podrían identificar sustancias químicas desconocidas en entornos remotos.

Los espectrómetros de masas, dispositivos que identifican sustancias químicas, se utilizan ampliamente en aplicaciones como análisis de escenas de crímenes, pruebas toxicológicas y estudios geológicos.

Pero estas máquinas son voluminosas, costosas y fáciles de dañar, lo que limita dónde pueden implementarse de manera efectiva.

Utilizando la fabricación aditiva, investigadores del MIT produjeron un filtro de masas, que es el componente central de un espectrómetro de masas, que es mucho más ligero y económico que el mismo tipo de filtro fabricado con técnicas y materiales tradicionales.

Su filtro miniaturizado, conocido como cuadrupolo, se puede fabricar completamente en cuestión de horas y por unos pocos dólares.

El dispositivo impreso en 3D es tan preciso como algunos filtros de masa de calidad comercial que pueden costar más de 100.000 dólares y tardar semanas en fabricarse.

Construido con resina vitrocerámica duradera y resistente al calor, el filtro se imprime en 3D en un solo paso, por lo que no requiere ensamblaje.

El montaje suele introducir defectos que pueden obstaculizar el rendimiento de los cuadrupolos.

Este cuadrupolo liviano, económico pero preciso es un paso importante en la búsqueda de 20 años de Luis Fernando Velásquez-García para producir un espectrómetro de masas portátil impreso en 3D.

“No somos los primeros en intentar hacer esto. Pero somos los primeros en lograrlo.

Existen otros filtros cuadrupolares miniaturizados, pero no son comparables con los filtros de masa de calidad profesional.

Hay muchas posibilidades para este hardware si el tamaño y el costo pudieran ser menores sin afectar negativamente el rendimiento”, dice Velásquez-García, científico investigador principal en Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT y autor principal de un artículo que detalla el hardware miniaturizado.

Por ejemplo, un científico podría llevar un espectrómetro de masas portátil a áreas remotas de la selva tropical y usarlo para analizar rápidamente contaminantes potenciales sin enviar muestras al laboratorio.

Y un dispositivo liviano sería más barato y más fácil de enviar al espacio, donde podría monitorear sustancias químicas en la atmósfera de la Tierra o en las de planetas distantes.

En el corazón de un espectrómetro de masas se encuentra el filtro de masas.

Este componente utiliza campos eléctricos o magnéticos para clasificar las partículas cargadas según su relación masa-carga.

De esta forma, el dispositivo puede medir los componentes químicos de una muestra para identificar una sustancia desconocida.

Un cuadrupolo, un tipo común de filtro de masas, se compone de cuatro varillas metálicas que rodean un eje.

Se aplican tensiones a las varillas, que producen un campo electromagnético.

Dependiendo de las propiedades del campo electromagnético, los iones con una relación masa-carga específica girarán por el centro del filtro, mientras que otras partículas escaparán por los lados.

Al variar la combinación de voltajes, se pueden apuntar a iones con diferentes relaciones masa-carga.

Si bien su diseño es bastante simple, un cuadrupolo típico de acero inoxidable puede pesar varios kilogramos.

Pero miniaturizar un cuadrupolo no es una tarea fácil.

Hacer el filtro más pequeño suele introducir errores durante el proceso de fabricación. Además, los filtros más pequeños recogen menos iones, lo que hace que el análisis químico sea menos sensible.

“No se pueden hacer cuadrupolos arbitrariamente más pequeños; hay una compensación“, añade Velásquez-García.

Su equipo equilibró esta compensación aprovechando la fabricación aditiva para fabricar cuadrupolos miniaturizados con el tamaño y la forma ideales para maximizar la precisión y la sensibilidad.

Fabrican el filtro a partir de una resina vitrocerámica, que es un material imprimible relativamente nuevo que puede soportar temperaturas de hasta 900 grados Celsius y funciona bien en el vacío.

El dispositivo se produce mediante fotopolimerización en tina, un proceso en el que un pistón empuja una tina de resina líquida hasta que casi toca una serie de LED en el fondo.

Estos se iluminan, curando la resina que queda en el minúsculo espacio entre el pistón y los LED.

Luego se pega una pequeña capa de polímero curado al pistón, que se eleva y repite el ciclo, construyendo el dispositivo una pequeña capa a la vez.

“Se trata de una tecnología relativamente nueva para imprimir cerámica que permite crear objetos 3D muy precisos.

Y una ventaja clave de la fabricación aditiva es que se pueden iterar agresivamente los diseños”, afirma Velásquez-García.

Dado que la impresora 3D puede formar prácticamente cualquier forma, los investigadores diseñaron un cuadrupolo con varillas hiperbólicas.

Esta forma es ideal para el filtrado masivo pero difícil de realizar con métodos convencionales.

Muchos filtros comerciales emplean varillas redondeadas, lo que puede reducir el rendimiento.

También imprimieron una intrincada red de celosías triangulares que rodean las varillas, lo que proporciona durabilidad y al mismo tiempo garantiza que las varillas permanezcan en la posición correcta si el dispositivo se mueve o se sacude.

Para terminar el cuadrupolo, los investigadores utilizaron una técnica llamada revestimiento no electrolítico para recubrir las varillas con una fina película metálica, lo que las hace eléctricamente conductoras.

Cubren todo menos las varillas con un producto químico enmascarador y luego sumergen el cuadrupolo en un baño químico calentado a una temperatura y condiciones de agitación precisas.

Esto deposita una fina película metálica sobre las varillas de manera uniforme sin dañar el resto del dispositivo ni provocar cortocircuitos en las varillas.

“Al final, hicimos los cuadrupolos que eran los más compactos pero también los más precisos que se podían hacer, dadas las limitaciones de nuestra impresora 3D”, dice Velásquez-García.

Para probar sus cuadrupolos impresos en 3D, el equipo los intercambió por un sistema comercial y descubrió que podían alcanzar resoluciones más altas que otros tipos de filtros en miniatura.

Sus cuadrupolos, de unos 12 centímetros de longitud, tienen una cuarta parte de la densidad de los filtros comparables de acero inoxidable.

Además, otros experimentos sugieren que sus cuadrupolos impresos en 3D podrían alcanzar una precisión comparable a la de los filtros comerciales a gran escala.

“La espectrometría de masas es una de las herramientas científicas más importantes, y Velásquez-García y sus colaboradores describen el diseño, la construcción y el rendimiento de un filtro de masas cuadrupolo que tiene varias ventajas sobre los dispositivos anteriores“, dice Graham Cooks, el Henry Bohn Hass, Profesor Distinguido de Química en los Laboratorios Aston de Espectrometría de Masas de la Universidad Purdue, que no participó en este trabajo.

“Las ventajas se derivan de estos hechos: es mucho más pequeño y liviano que la mayoría de sus homólogos comerciales y está fabricado de forma monolítica mediante construcción aditiva. …

Queda abierta la cuestión de qué tan bien se comparará el rendimiento con el de las trampas de iones cuadrupolos, que dependen de los mismos campos eléctricos para la medición de masas pero que no tienen los estrictos requisitos geométricos de los filtros de masas cuadrupolos”.

“Este artículo representa un avance real en la fabricación de filtros de masa cuadrupolares (QMF).

Los autores combinan sus conocimientos de fabricación utilizando materiales avanzados, electrónica de accionamiento QMF y espectrometría de masas para producir un sistema novedoso con buen rendimiento a bajo costo”, añade Steve Taylor, profesor de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de Liverpool, que tampoco está involucrado en este artículo.

“Dado que los QMF están en el corazón del ‘motor analítico’ en muchos otros tipos de sistemas de espectrometría de masas, el artículo tiene una importancia importante en todo el campo de la espectrometría de masas, que en todo el mundo representa una industria multimillonaria”.

En el futuro, los investigadores planean mejorar el rendimiento del cuadrupolo alargando los filtros.

Un filtro más largo puede permitir mediciones más precisas, ya que más iones que se supone deben filtrarse escaparán a medida que la sustancia química viaja a lo largo de su longitud.

También pretenden explorar diferentes materiales cerámicos que podrían transferir mejor el calor.

“Nuestra visión es crear un espectrómetro de masas en el que todos los componentes clave se puedan imprimir en 3D, contribuyendo a un dispositivo con mucho menos peso y costo sin sacrificar el rendimiento.

Todavía queda mucho trabajo por hacer, pero este es un gran comienzo”, añade Velásquez-García.

Fuente: MIT News