Bald lassen sich Massenspektrometer im Schnellverfahren herstellen

Die Massenspektrometrie ist ein weitverbreitetes Verfahren, das vereinfacht gesagt, dazu dient, chemische Substanzen zu analysieren. Beispielsweise können Fachleute mit einem Massenspektrometer die Zusammensetzung der Luft bestimmen, also auch eventuelle Belastungen mit chemischen Stoffen. Blutuntersuchungen, Geologie, Klimaforschung, Biochemie, Archäologie und viele mehr – die Anwendungsbereiche sind so zahlreich wie vielfältig.

Hochwertige Massenspektrometer sind allerdings teuer, und die Herstellung dauert lange. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom MIT wollen das ändern. Sie arbeiten an einer Innovation, die nach ihrer Aussage die gleiche Qualität wie gängige Geräte bieten wird. Die wesentliche Komponente ist bereits fertig. Sie stammt aus dem 3D-Drucker.

Filter für Massensprektrometer sind das Kernproblem

Das Herzstück eines Massenspektrometers ist der Massenfilter. Diese Komponente nutzt elektrische oder magnetische Felder, um geladene Teilchen auf der Grundlage ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses zu sortieren. Auf diese Weise kann das Gerät die chemischen Komponenten in einer Probe messen, um eine unbekannte Substanz zu identifizieren.

Ein gängiger Typ eines Massenfilters ist der sogenannte Quadrupol. Er besteht im Wesentlichen aus vier Metallstäben, die eine Achse umgeben. An die Stäbe werden Spannungen angelegt, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen. Je nach den Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes werden Ionen mit einem bestimmten Masse-Ladungs-Verhältnis in der Mitte des Filters herumgewirbelt, während andere Teilchen an den Seiten entweichen. Durch Variation der Spannungsmischung lassen sich Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen ansteuern.

Ein typischer Quadrupol aus rostfreiem Stahl ist zwar recht einfach aufgebaut, kann aber mehrere Kilogramm wiegen. Dabei ist es keine leichte Aufgabe, einen Quadrupol zu verkleinern – häufig kommt es dabei zu Fehlern im Herstellungsprozess. Außerdem sammeln kleinere Filter weniger Ionen, was die chemische Analyse weniger empfindlich macht. Für eine leichte, kostengünstige Variante eines Massenspektrometers ist also eine neue Quadrupol-Variante gefragt.

Quadrupol aus dem 3D-Drucker

Das MIT-Team hat für seinen Quadrupol einen 3D-Drucker mit Daten gefüttert. Die Forschenden stellten per additiver Fertigung einen Filter aus einem glaskeramischen Harz her. Dieses relativ neue druckbare Material hält Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius stand und funktioniert auch gut im Vakuum.

Für die Herstellung haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die Bottich-Photopolymerisation angewendet. Dabei wird ein Kolben in einen Bottich mit flüssigem Harz gedrückt, bis er fast eine Reihe von LEDs am Boden berührt. Diese leuchten und härten das Harz aus, das in dem winzigen Spalt zwischen dem Kolben und den LEDs verbleibt. Eine winzige Schicht des gehärteten Polymers wird dann auf den Kolben geklebt, der nach oben steigt und den Zyklus wiederholt. So entsteht eine Schicht nach der anderen.

„Das ist eine relativ neue Technologie für den Druck von Keramiken, mit der man sehr präzise 3D-Objekte herstellen kann“, sagt der MIT-Wissenschaftler Fernando Velásquez-García. „Ein entscheidender Vorteil der additiven Fertigung ist, dass man die Entwürfe wiederholen kann.“

3D-Druck ermöglicht spezielle Formen für Massenspektrometer

Da der 3D-Drucker praktisch jede Form herstellen kann, entwarfen die Forscher einen Quadrupol mit hyperbolischen Stäben. Diese Form ist ideal für die Massenfilterung, weil sie die Oberfläche vergrößert, lässt sich aber mit herkömmlichen Methoden nur schwer herstellen. Viele kommerzielle Filter verwenden stattdessen runde Stäbe, was die Leistung beeinträchtigen kann.

Außerdem druckte das Team ein kompliziertes Netz aus dreieckigen Gittern, das die Stäbe umgibt und für Haltbarkeit sorgt und gleichzeitig sicherstellt, dass die Stäbe korrekt positioniert bleiben, wenn das Gerät bewegt oder geschüttelt wird.

Im letzten Schritt beschichteten die Forschenden die Stäbe mit einem dünnen Metallfilm, der sie elektrisch leitfähig macht. „Letztendlich haben wir die kompaktesten und gleichzeitig präzisesten Quadrupole hergestellt, die mit unserem 3D-Drucker möglich waren“, sagt Velásquez-García. Nach seiner Aussage erreicht der neue Quadrupol eine höhere Auflösung als andere Arten von Miniaturfiltern. Sie sei mit der Präzision vergleichbar, die kommerzielle Großfilter bieten.

Günstiges Massenspektrometer als Ziel

Ihr Ziel haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinner aber noch längst nicht erreicht. Eine bessere Filterlänge und weitere Komponenten aus dem 3D-Drucker sollten am Ende dazu führen, dass in nur wenigen Stunden ein neues Massenspektrometer hergestellt werden kann – dessen Produktion sonst mehrere Wochen dauert. Das neue Gerät soll auch nur einen Bruchteil kosten.