島津ICP-MS：開啟3D打印高效霧化室研發(fā)的科技新篇
發(fā)布時(shí)間:2025-06-03 閱讀次數(shù)：85次
3D打印技術(shù)作為一種具有劃時(shí)代意義的先進(jìn)制造手段，憑借其能夠迅速將設(shè)計(jì)構(gòu)思轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品的能力，輕松實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以企及的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的生產(chǎn)，為個(gè)性化定制提供了廣闊空間，顯著縮減了產(chǎn)品從研發(fā)到上市的周期，并有效降低了研發(fā)成本。目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)制造、醫(yī)療保健、航空航天、建筑、教育與科研等諸多領(lǐng)域嶄露頭角，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和深遠(yuǎn)的行業(yè)影響力。研究人員已經(jīng)借助3D打印技術(shù)成功制造出可供商品化應(yīng)用的旋流霧室，這初步證實(shí)了3D打印在ICP-MS霧化室制造領(lǐng)域的可行性。
中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心胡立剛老師、王丁一老師與島津中國創(chuàng)新中心合作，開創(chuàng)性地將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬和3D打印技術(shù)相融合，建立了一種全新的分析設(shè)備或部件（如ICP-MS噴霧室）開發(fā)方法。在這一創(chuàng)新過程中，團(tuán)隊(duì)首先借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，精準(zhǔn)描繪單個(gè)顆粒的傳輸軌跡，從而對(duì)霧室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與優(yōu)化；然后利用臺(tái)式3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)好的模型直接打印出來，并對(duì)打印出的霧室進(jìn)行傳輸效率測試，同時(shí)深入探究不同打印技術(shù)與材料對(duì)霧室傳輸效率的影響。以金納米粒子為測試對(duì)象，對(duì)新型樣品引入系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全面評(píng)估和優(yōu)化。
相關(guān)的研究成果發(fā)表在Analytical Chemistry期刊上。
01單顆粒ICP-MS的應(yīng)用
單顆粒ICP-MS (spICP-MS)是近些年發(fā)展起來的表征單顆粒的一種重要的技術(shù)。該技術(shù)是利用時(shí)間分辨分析結(jié)合高速檢測模式可以快速的對(duì)單個(gè)顆粒物逐一進(jìn)行測量，可以得到樣品中總顆粒數(shù)、顆粒的粒徑和統(tǒng)計(jì)分布。當(dāng)樣品中的懸浮顆粒進(jìn)入ICP離子源時(shí)，由于顆粒的不連續(xù)性，產(chǎn)生的離子云也是不連續(xù)的。如果檢測器的響應(yīng)足夠快，就可以捕捉到一個(gè)個(gè)不連續(xù)的信號(hào)，每個(gè)信號(hào)脈沖對(duì)應(yīng)著一個(gè)顆粒的響應(yīng)強(qiáng)度。通過脈沖強(qiáng)度與質(zhì)量的關(guān)系，可以計(jì)算出單個(gè)顆粒的質(zhì)量，進(jìn)而推算出顆粒的粒徑。與傳統(tǒng)的整體分析相比，單顆粒分析能夠提供更準(zhǔn)確、更豐富的樣品信息。此外，如果樣品中存在溶解態(tài)的離子，測量信號(hào)時(shí)序圖中的背景會(huì)相應(yīng)升高，通過背景對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度可以計(jì)算出溶解態(tài)的離子濃度。
02利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬單個(gè)顆粒的傳輸軌跡
該研究首次利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬了單個(gè)顆粒在噴霧室中的傳輸軌跡。研究選擇直徑在20 nm至5 μm范圍內(nèi)的顆粒，以代表現(xiàn)實(shí)場景中的單個(gè)顆粒。分別在反射邊界和吸收邊界條件下對(duì)顆粒傳輸軌跡進(jìn)行了模擬。
在反射邊界條件下，20至100 nm顆粒傳輸效率在96.3%至99.4%之間，但大于100 nm的顆粒傳輸效率急劇下降。5 μm顆粒的傳輸效率意外地高（95.5%），這在實(shí)際中不可能發(fā)生（圖1）。在吸收邊界條件下，模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，總傳輸效率為9.0%，20至100 nm顆粒的傳輸效率為18.8%-21.1%，大于100 nm的顆粒傳輸效率為0.0%（圖2）。這些結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)一致，表明1-5 μm是ICP-MS可以檢測到的單個(gè)顆粒的最大尺寸上限。
圖1 反射邊界下不同尺寸粒子的模擬軌跡
圖2 吸收邊界下不同尺寸粒子的模擬軌跡
03 3D打印在ICP-MS噴霧室制造中的應(yīng)用
研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中高效地制造并驗(yàn)證了ICP-MS霧化室。對(duì)不同3D打印技術(shù)和材料的適用性進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和聚乳酸（PLA）材料，通過熔融沉積建模（FDM）技術(shù)打印的霧化室，具有制造時(shí)間短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。然而，F(xiàn)DM打印的霧化室存在明顯的層紋，氣密性不佳，容易出現(xiàn)泄漏問題，且環(huán)形間隙大于1 mm，難以形成有效的空氣屏障。相比之下，立體光刻（SLA）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)50μm的層分辨率，從而獲得更光滑的表面和更好的氣密性。此外，高溫樹脂在固化后可達(dá)到130°C以上的熱變形溫度，這使其更適合用于研究工作溫度對(duì)傳輸效率的影響。盡管陶瓷材料也被用于制造霧化室，但由于需要進(jìn)行二次燒結(jié)，難以精確控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形成環(huán)形間隙，且成本相對(duì)較高。綜合考慮氣密性、結(jié)構(gòu)功能和工作溫度等因素，使用SLA技術(shù)和高溫樹脂是制造ICP-MS霧化室的最佳選擇。
圖3 采用不同技術(shù)和材料制造的噴霧室。（A）FDM+ABS；（B）FDM+PLA；（C）SLA+陶瓷樹脂；（D）SLA+通用透明樹脂；（E）SLA+高溫樹脂；（F）石英玻璃手工制造。
04優(yōu)化測量條件助力ICP-MS霧化室高效傳輸
為了進(jìn)一步提升單顆粒的傳輸效率（TE），研究團(tuán)隊(duì)在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬的基礎(chǔ)上，深入優(yōu)化了測量條件，重點(diǎn)探究了樣品流速、載氣流速和工作溫度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)TE的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品流速控制在10 μL/min時(shí)，噴霧室的性能表現(xiàn)更為出色，這主要得益于較低流速下顆粒在噴霧室內(nèi)碰撞和損失的減少，進(jìn)而有效提升了傳輸效率。此外，當(dāng)載氣流速設(shè)定為0.85 mL/min時(shí)，TE達(dá)到了最高值，約為30%。更為顯著的是，提高工作溫度對(duì)噴霧室的TE產(chǎn)生了積極影響。當(dāng)霧化室溫度維持在70至90°C，且樣品流速為10 μL/min時(shí)，TE幾乎提升一倍，接近60%（見圖4C）。這是由于加熱能夠縮小包裹在顆粒周圍的液滴體積，從而減小實(shí)際傳輸尺寸，使更多顆粒能夠順利抵達(dá)等離子體。同時(shí)，加熱過程還能降低與等離子體內(nèi)溶劑液滴去溶劑化和汽化相關(guān)的干擾，進(jìn)一步優(yōu)化了傳輸效率。
圖4 不同條件對(duì)噴霧室傳輸效率的影響：（A）樣品引入速率和載氣流量；（C）工作溫度
在樣品流速<20 μL/min條件下，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同噴霧室的傳輸效率（TE）進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，3D打印和手工制造的噴霧室TE范圍分別為43.3?56.8%和59.0?61.1%，而商用旋流霧室的傳輸效率僅為6.0?7.1%。本研究中所采用的設(shè)計(jì)噴霧室，其樣品引入系統(tǒng)的TE顯著高于大多數(shù)已報(bào)道的單顆粒ICP-MS分析系統(tǒng)和方法，后者的TE通常低于20%。更為關(guān)鍵的是，該樣品引入系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)樣品流速小于20 μL/min的連續(xù)穩(wěn)定操作。
05方法驗(yàn)證
研究團(tuán)隊(duì)將設(shè)計(jì)的噴霧室及其配套的樣品引入系統(tǒng)應(yīng)用于多種金納米顆粒的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，配備該設(shè)計(jì)噴霧室的Shimadzu ICP-MS 2030所測量的粒徑與透射電子顯微鏡（TEM）分析的結(jié)果高度一致，這表明spICP-MS在單顆粒測量方面具有高準(zhǔn)確性和可靠性。得益于設(shè)計(jì)噴霧室實(shí)現(xiàn)的高傳輸效率（TE），該系統(tǒng)具備了超高靈敏度，能夠精確測量小至15nm的納米顆粒。
圖5 TEM和ICP-MS測量不同金納米粒子的粒徑分布
06結(jié)論
創(chuàng)新的解決方案對(duì)于推進(jìn)單顆粒ICP-MS分析儀器的發(fā)展至關(guān)重要。在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)成功建立了一個(gè)高效的工作流程，用于開發(fā)定制化的質(zhì)譜組件。該工作流程整合了計(jì)算模擬輔助設(shè)計(jì)、精確的3D打印制造和快速實(shí)驗(yàn)測試。通過這些方法，研究團(tuán)隊(duì)不僅提高了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的效率，還顯著提升了分析儀器的性能。具體而言，在低樣品流速（10 μL/min）和工作溫度（60?80°C）條件下，配備優(yōu)化噴霧室的樣品引入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)61.1%的顆粒傳輸效率。這一顯著提升使得單顆粒ICP-MS的定量分析更加準(zhǔn)確，為高靈敏度和高精度的分析提供了有力支持。
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