島津ICP-MS：開啟3D打印高效霧化室研發(fā)的科技新篇
發(fā)布時間:2025-06-03 閱讀次數：220次
3D打印技術作為一種具有劃時代意義的先進制造手段，憑借其能夠迅速將設計構思轉化為實際產品的能力，輕松實現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以企及的復雜結構零部件的生產，為個性化定制提供了廣闊空間，顯著縮減了產品從研發(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域嶄露頭角，展現(xiàn)出巨大的應用潛力和深遠的行業(yè)影響力。研究人員已經借助3D打印技術成功制造出可供商品化應用的旋流霧室，這初步證實了3D打印在ICP-MS霧化室制造領域的可行性。
中國科學院生態(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)性地將計算流體動力學模擬和3D打印技術相融合，建立了一種全新的分析設備或部件（如ICP-MS噴霧室）開發(fā)方法。在這一創(chuàng)新過程中，團隊首先借助計算流體動力學模擬技術，精準描繪單個顆粒的傳輸軌跡，從而對霧室的結構進行精心設計與優(yōu)化；然后利用臺式3D打印機將設計好的模型直接打印出來，并對打印出的霧室進行傳輸效率測試，同時深入探究不同打印技術與材料對霧室傳輸效率的影響。以金納米粒子為測試對象，對新型樣品引入系統(tǒng)的性能進行了全面評估和優(yōu)化。
相關的研究成果發(fā)表在Analytical Chemistry期刊上。
01單顆粒ICP-MS的應用
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。該技術是利用時間分辨分析結合高速檢測模式可以快速的對單個顆粒物逐一進行測量，可以得到樣品中總顆粒數、顆粒的粒徑和統(tǒng)計分布。當樣品中的懸浮顆粒進入ICP離子源時，由于顆粒的不連續(xù)性，產生的離子云也是不連續(xù)的。如果檢測器的響應足夠快，就可以捕捉到一個個不連續(xù)的信號，每個信號脈沖對應著一個顆粒的響應強度。通過脈沖強度與質量的關系，可以計算出單個顆粒的質量，進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，測量信號時序圖中的背景會相應升高，通過背景對應的強度可以計算出溶解態(tài)的離子濃度。
02利用計算流體動力學模擬單個顆粒的傳輸軌跡
該研究首次利用計算流體動力學（CFD）模擬了單個顆粒在噴霧室中的傳輸軌跡。研究選擇直徑在20 nm至5 μm范圍內的顆粒，以代表現(xiàn)實場景中的單個顆粒。分別在反射邊界和吸收邊界條件下對顆粒傳輸軌跡進行了模擬。
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%），這在實際中不可能發(fā)生（圖1）。在吸收邊界條件下，模擬結果更接近實際情況，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）。這些結果與實際實驗一致，表明1-5 μm是ICP-MS可以檢測到的單個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噴霧室制造中的應用
研究團隊利用3D打印技術在實驗室中高效地制造并驗證了ICP-MS霧化室。對不同3D打印技術和材料的適用性進行了研究。結果發(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）技術打印的霧化室，具有制造時間短、成本低的優(yōu)點。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）技術能夠實現(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，但由于需要進行二次燒結，難以精確控制內部結構和形成環(huán)形間隙，且成本相對較高。綜合考慮氣密性、結構功能和工作溫度等因素，使用SLA技術和高溫樹脂是制造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
為了進一步提升單顆粒的傳輸效率（TE），研究團隊在計算流體動力學（CFD）模擬的基礎上，深入優(yōu)化了測量條件，重點探究了樣品流速、載氣流速和工作溫度等關鍵參數對TE的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當樣品流速控制在10 μL/min時，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碰撞和損失的減少，進而有效提升了傳輸效率。此外，當載氣流速設定為0.85 mL/min時，TE達到了最高值，約為30%。更為顯著的是，提高工作溫度對噴霧室的TE產生了積極影響。當霧化室溫度維持在70至90°C，且樣品流速為10 μL/min時，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，從而減小實際傳輸尺寸，使更多顆粒能夠順利抵達等離子體。同時，加熱過程還能降低與等離子體內溶劑液滴去溶劑化和汽化相關的干擾，進一步優(yōu)化了傳輸效率。
圖4 不同條件對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，研究團隊對不同噴霧室的傳輸效率（TE）進行比較，結果顯示，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計噴霧室，其樣品引入系統(tǒng)的TE顯著高于大多數已報道的單顆粒ICP-MS分析系統(tǒng)和方法，后者的TE通常低于20%。更為關鍵的是，該樣品引入系統(tǒng)能夠實現(xiàn)樣品流速小于20 μL/min的連續(xù)穩(wěn)定操作。
05方法驗證
研究團隊將設計的噴霧室及其配套的樣品引入系統(tǒng)應用于多種金納米顆粒的分析。實驗結果表明，配備該設計噴霧室的Shimadzu ICP-MS 2030所測量的粒徑與透射電子顯微鏡（TEM）分析的結果高度一致，這表明spICP-MS在單顆粒測量方面具有高準確性和可靠性。得益于設計噴霧室實現(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結論
創(chuàng)新的解決方案對于推進單顆粒ICP-MS分析儀器的發(fā)展至關重要。在本研究中，研究團隊成功建立了一個高效的工作流程，用于開發(fā)定制化的質譜組件。該工作流程整合了計算模擬輔助設計、精確的3D打印制造和快速實驗測試。通過這些方法，研究團隊不僅提高了設計和驗證的效率，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)實現(xiàn)了高達61.1%的顆粒傳輸效率。這一顯著提升使得單顆粒ICP-MS的定量分析更加準確，為高靈敏度和高精度的分析提供了有力支持。
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