Применение аддитивных технологий в аналитической химии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Сегодняшний день отмечен активным внедрением в различные сферы науки и производства аддитивных технологий, позволяющих создавать устройства, функциональные прототипы и конструкции со сложной геометрией. Использование аддитивных технологий в аналитической химии открывает новые возможности перед исследователями: существенно сокращаются временные и экономические затраты на разработку и изготовление новых устройств, реакторов, специализированной химической посуды и т. п. Одно из наиболее перспективных направлений связано с применением 3D-печати для создания нового оборудования и выпуска деталей со сложной внутренней пространственной конфигурацией, в том числе для ремонта аналитического оборудования. В статье приведено описание оборудования и материалов, используемых в аддитивных технологиях, и примеры успешного их применения для решения задач аналитической химии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Денис Александрович Трофимов

Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: trofimov.da@geokhi.ru
ORCID iD: 0000-0003-0790-0338

к. х. н., научный сотрудник

Россия, 119991 Москва, ул. Косыгина, 19

Андрей Александрович Ушкарев

Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН

Email: trofimov.da@geokhi.ru

научный сотрудник

Россия, 119991 Москва, ул. Косыгина, 19

Список литературы

  1. Пройдаков Э. М. 3D-печать как новое научно-техническое направление. Науковедческие исследования. Сборник научных трудов. 2014;1:146–154. Proydakov E. M. The 3D printing as the new scientific and technical direction, Naukovedcheskie issledovaniya=Science studies. Collection of scientific papers. 2014;1:146–154.
  2. Bethany Gross, Sarah Y. Lockwood, and Dana M. Spence Recent Advances in Analytical Chemistry by 3D Printing. Analytical Chemistry. 2017;89:57–70. doi: 10.1021/acs.analchem.6b04344.
  3. Сергеева В. С., Бысова Т. В., Смирнов В. А., Поначугин А. В. Проблемы применения методов 3d-моделирования и 3d-печати в науке и производстве. Экономика и управление: проблемы, решения. 2021;4:10(118):31–36. doi: 10.36871/ek.up.p.r.2021.10.04.005. Sergeeva V. S., Bysova T. V., Smirnov V. A., Ponachugin A. V. Problems of using methods of 3d modeling and 3d printing in science and production. Economica I upravlenie: problemy, resheniya=Economic development research journal. 2021;4:10(118):31–36. doi: 10.36871/ek.up.p.r.2021.10.04.005.
  4. Муравский А. А., Аликин М. Б., Дворко И. М., Лавров Н. А. Полимерная 3D-печать: история, классификация и современные тенденции развития. Известия СПбГТИ(ТУ). 2023;64(90):58–66. doi: 10.36807/1998-9849-2023-64-90-58-66. Muravskiy A. A., Alikin M. B., Dvorko I. M., Lavrov N. A. Polymer 3d Printing: History, Classification and Current Development Trends (Review). Izvestiya SPbGTI(TU)=News of SPbGTI(TU). 2023;64(90):58–66. doi: 10.36807/1998-9849-2023-64-90-58-66.
  5. Обработка моделей, напечатанных из полимера по технологии LCD, SLA, DLP. Сайт 3D Sercices.ru. URL: https://3d-services.ru/wp-content/uploads/2021/10/udalenie-podderzhek-s-modeli_2.jpg. Processing of models printed from polymer using technology LCD, SLA, DLP. 3D Sercices.ru. Available at: https://3d-services.ru/wp-content/uploads/2021/10/udalenie-podderzhek-s-modeli_2.jpg [Accessed 10.12.2024] (in Russ).
  6. Nesterenko P. N. 3D printing in analytical chemistry: current state and future. Pure and Applied Chemistry. 2020;92(8):1341–1355. https://doi.org/10.1515/pac-2020-0206.
  7. Малов И. Е. Тенденции развития технологии селективного лазерного спекания. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014;3(33):20–25. Malov I. E. Tendencies of development of selective laser sintering technologies. Naukoemkie technologii v mashinostroenii=Science intensive technologies in mechanical engineering. 2014;3(33):20–25.
  8. Lujun Wang. Martin Pumera. Recent advances of 3D printing in analytical chemistry: Focus on microfluidic, separation, and extraction devices. Trends in Analytical Chemistry. 2021;135:116151. https://doi.org/10.1016/j.trac.2020.116151.
  9. Gupta V., Nesterenko P., Paull B. 3D Printing in Chemical Sciences: Applications across Chemistry. Royal Society of Chemistry. 2019. 264 p.
  10. Cheng-Kuan Su. Review of 3D-Printed functionalized devices for chemical and biochemical analysis. Analytica Chimica Acta. 2021;1158:338348. https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.338348.
  11. Douglas A. Hill, Lindsey E. Anderson, Casey J. Hill, Afshin Mostaghim, Victor G. J. Rodgers, William H. Grover MECs: “Building Blocks” for Creating Biological and Chemical Instruments. PLoS ONE. 2016;11(7):1. doi: 10.1371/journal.pone.0158706.
  12. D. J. Cocovi-Solberg, M. Miro. 3D printed extraction devices in the analytical laboratory – a case study of Soxhlet extraction. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2021;413(17):4373. https://doi.org/10.1007/s00216-021-03406-4.
  13. Melisa Rodas Ceballos, Francisco Gonzalez Serra, Jose Manuel Estela, Victor Cerdа, Laura Ferrer. 3D printed resin-coated device for uranium (VI) extraction. Talanta 2019;196:510–514. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2018.12.055.
  14. Carlos Calderilla, Fernando Maya, Victor Cerdа, Luz O. Leal. 3D printed device for the automated preconcentration and determination of chromium (VI). Talanta 2018;184:15–22. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2018.02.065.
  15. Carlos Calderilla, Fernando Maya, Luz O. Leal, Victor Cerda. Recent advances in flow-based automated solid-phase extraction. Trends in Analytical Chemistry 2018;108:370–380. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.09.011.
  16. Mardani S., Ojala L. S., Uusi-Kyyny P., Alopaeus V. Development of a unique modular distillation column using 3D printing. Chemical Engineering and Processing. 2016;109:136. https://doi.org/10.1016/j.cep.2016.09.001.
  17. Martinez-Jarquin S., Moreno-Pedraza A., Cazarez-Garcia D., Winkler R. Automated chemical fingerprinting of Mexican spirits derived from Agave (tequila and mezcal) using direct-injection electrospray ionisation (DIESI) and low-temperature plasma (LTP) mass spectrometry. Analytical Methods. 2017;9(34):5023. https://doi.org/10.1039/C7AY00793K.
  18. Martinez-Jarquin S., Moreno-Pedraza A., Guillen-Alonso H., Winkler R. Template for 3D Printing a Low-Temperature Plasma Probe. Analytical Chemistry. 2016;88(14):6976. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6b01019.
  19. Shreenath Krishnamurthy, Raf Roelant, Richard Blom, Bjørnar Arstad, Zuoan Li, Marleen Rombouts, Vesna Middelkoop, Adolfo Benedito Borras, Lapo Naldoni. Scaling up 3D printed hybrid sorbents towards (cost) effective post-combustion CO2 capture: A multiscale study. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2024;132:104069 https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2024.104069.
  20. Diego Barzallo. Edwin Palacio. Juan March. Laura Ferrer. 3D printed device coated with solid-phase extraction resin for the on-site extraction of seven sulfonamides from environmental water samples preceding HPLC-DAD analysis. Microchemical Journal. 2023;190. https://doi.org/10.1016/j.microc.2023.108609.
  21. Kari B. Anderson, Sarah Y. Lockwood, R. Scott Martin, Dana M. Spence A. 3D Printed Fluidic Device that Enables Integrated Features. Analytical Chemistry. 2013;85:5622. 3265. dx.doi.org/10.1021/ac400.
  22. Elodie Mattioa, Fabien Robert-Peillarda, Catherine Brangerb, Kinga Puziob, Andre Margaillanb, Christophe Brach-Papac, Joel Knoeryc, Jean-Luc Boudennea, Bruno Coulomb. 3D-printed flow system for determination of lead in natural waters. Talanta. 2017;168:298. http://dx.doi.org/10.1016/j.talanta.2017.03.059
  23. Michelle P. Browne, Edurne Redondo, and Martin Pumera. 3D Printing for Electrochemical Energy Applications. Chemical Reviews. 2020;120(5):2783–2810. https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00783
  24. Sergio Rossi, Alessandra Puglisi, Maurizio Benaglia. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing in Organic Synthesis. ChemCatChem. 2018;10(7):1512. https://doi.org/10.1002/cctc.201701619
  25. Гордеев Е. Г., Анаников В. П. Oбщeдocтyпныe тexнoлoгии 3D-пeчaти в xимии, биoxимии и фapмaцeвтикe: пpилoжeния, мaтepиaлы, пepcпeктивы. Успехи Химии. 2020. Т. 89(12). С. 1507. https://doi.org/10.1070/RCR4980. Gordeev E. G., Ananikov V. P. Publicly available 3D printing technologies in chemistry, biochemistry and pharmaceuticals: applications, materials, perspectives. Uspehi Himii=Russian Chemical Reviews. 2020;89(12):1507–1561 https://doi.org/10.1070/RCR4980.
  26. Matheus C. Carvalho, Joanne M. Oakes. Turning a 3D Printer into a HPLC Fraction Collector: A Tool for Compound-Specific Stable Isotope Measurements. Hardware. 2023;1(1):29. https://doi.org/10.3390/hardware1010004.
  27. Лопатина Ю. А. Применение 3D-печати методом FDM при ремонте машин и оборудования. Технический сервис машин. 2019;3(136):40–45. Lopatina Yu. A. Application of 3D printing by FDM method for repairing machinery and equipment. Technicheskii service mashin=Machinery technical service. 2019;3(136):40–45.
  28. Самохин А. С. Шприцевой насос, изготовленный при использовании технологии 3d печати и платформы Arduino. Журнал Аналитической Химии. 2020;75(3):281–287. 10.31857/S0044450220030159. Samokhin A. S. Syringe pump created using 3D printing technology and arduino platform. Journal of Analytical Chemistry. 2020;75(3):416–421. 10.31857/S0044450220030159.
  29. Gordeev E. G., Degtyareva E. S., Ananikov V. P. Analysis of 3D printing possibilities for the development of practical applications in synthetic organic chemistry. Rossiiskii Himicheskii Bulletin=Russian Chemical Bulletin, International Edition. 2016;65(6):1637
  30. Andrew J. Capel, Andrew Wright, Matthew J. Harding, George W. Weaver, Yuqi Li, Russell A. Harris, Steve Edmondson, Ruth D Goodridge, Steven D R Christie. 3D printed fluidics with embedded analytic functionality for automated reaction optimization. Beilstein Journal of Organic Chemistry. 2017;13:111. https://doi.org/10.3762/bjoc.13.14
  31. Cheng-Kuan Su, Pei-Jin Peng, and Yuh-Chang Sun. Fully 3D-Printed Preconcentrator for Selective Extraction of Trace Elements in Seawater. Analytical Chemistry. 2015;87(13): 6945–6950. 10.1021/acs.analchem.5b01599
  32. Conan Fee, Suhas Nawada, Simone Dimartino. 3D printed porous media columns with fine control of column packing morphology. Journal of Chromatography A. 2014;1333:18. doi: 10.1016/j.chroma.2014.01.043
  33. Wang H. Cocovi-Solberg D. J. Hu B. Miró M. 3D printed micro-flow injection analysis platform for on-line magnetic nanoparticle sorptive extraction of antimicrobials in biological specimens as a front end to liquid chromatographic assays. Analytical Chemistry. 2017;89(22):12541. doi: 10.1021/acs.analchem.7b03767

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Постобработка готового изделия, удаление «поддержек» [5]

Скачать (418KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Стадии аддитивного производства изделия [4]

Скачать (177KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Лабораторное оборудование, изготовленное методом FDM: а – круглая и коническая колбы, воронка, химический стакан, пробирки различных размеров; б – подставка под пробирки [24], в – подставка для трех пробирок, г – круглодонная колба, на «поддержках» [25]

Скачать (275KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Пробирки, напечатанные из различных типов пластика: a – короткие пробирки с безрезьбовыми крышками (ABS); б – резьба с 3D-печатью на внешней стороне трубки и внутри колпачка; в – удлиненные трубки с завинчивающимися крышками, изготовленные из различных материалов [29]

Скачать (157KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Готовый прибор, собранный с помощью системы Multifluidic Evolutionary Component (MEC) [11]

Скачать (515KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Картридж SPE-преконцентратор для твердофазной экстракции: а – схема предконцентратора; б – фотография кубовидной структуры [31]

Скачать (114KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Пористые колонки различной формы: a, б, в – кубической; г, д, е – с параллельными каналами; ж, з, и – в виде «елочных» каналов; где a, г, ж – графические изображения в виде чертежей САПР; б, д, з – распечатанная модель; в, е, и – структура каналов при 20-кратном увеличении [32]

Скачать (554KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Различная форма экстракционных устройств, изготовленных методом 3D-печати для извлечения SAS в виде: a – маленьких кубов; б – перпендикулярных прямых; в – небольших тетраэдров [20]

Скачать (260KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Многоканальная система тестирования биологически активных веществ: общий вид и схема (вход и выход, канал для протока жидкости под мембраной) [21]

Скачать (351KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Схема микрофлюидного устройства с внутренним каналом размером 800 мкм, где синим обозначен сам микроканал и ответные части для присоединения стандартных фитингов, серым – магниты NdFeB [33]

Скачать (120KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Эскизы моделей ячеек (a) и схема магнитной твердофазной экстракции в динамическом режиме (б)

Скачать (237KB)
Метаданные

© Трофимов Д.А., Ушкарев А.А., 2025