3D打印技术是一种利用金属或塑料等可粘合材料通过逐层打印的方式来制造物体的新技术。 3D打印通常以 3D数字模型为基础，采用数字技术材料打印机来实现 。 与传统的制造方式相比， 其具 有较高的设计自由度，可以实现装置的个性化定制和小规模生产，制造过程快速简单且 成本低 。因此， 3D打印被广泛应用于生物、医学、能源、化学化工、电子、航空航天等多个领域。然而，环境科学作为一门多学科相互交叉和渗透的综合性较强的学科， 3D打印在该领域的应用还处于起步阶段。有鉴于此，本文尝试将3D打印 的理念与 技术应用到环境科学的 研究中， 充分 发挥 3D打印技术的优势来促进环境科学实验 的开展 系统 地 探索 3D打印在本领域潜在的应用前景， 以 及 揭示可能 的 研究方向。 论文主要开展了以下研究工作：
      利用3D打印技术的特点设计和按需制造个性化装置用于开展相关实验。为此，设计并 3D打印了用于金属蛋白分析的水平柱状凝胶电泳装置 HCGE）），通过多次优化后对该装置进行了性能测试。该装置单独使用时可以实现蛋白的高效分离，性能可媲美商业化平板胶电泳装置。此外，该电泳装置通过设计的洗脱装置可以与电感耦合等离子体质谱（ ICP MS）进行联用，能够对蛋白进行在线            分离并对其中的金属元素进行实时检测。使用该联用系统分别对蛋白标准品和大鼠血浆样品中汞结合蛋白进行了检测，成 功从血浆样品中检测出 7种 汞结合蛋白，表明该装置具有良好的分析性能。在研究过程中 还发现不同的打印技术和打印精度会对装置的性能产生影响，光固化打印的洗脱装置密封性比熔融沉积打印的更好，而使用较低的打印精度制造的凝胶管会显著影响蛋白的分离。表明在使用 3D打印进行个性化装置的定制加工时，要根据实验的具体需求对打印的技术和精度进行选择。
     在使用 3D打印实现个性化定制的基础上，结合计算机仿真技术对装置进行理论模拟和迭代优化，以此来更合理的设计模型并提高性能。为了使用 ICP MS进行单细胞分析， 本研究 基于以往的经验设计 了一种全耗型单通道 ICP MS进样雾化室，以期实现单细胞样品的低流速、无损耗进样。通过对设计的雾化室模型进行计算流体力学模拟，发现随着样品进样 流量 的降低，该雾化室的传输效率明显提升，并且增加补偿气的流量也可以提升其传输效率。随后使用制造的实物进行了实际测试，测试的结果与理论模拟的结果相吻合。计算机模拟为进一步优化和改进设计提供了方向和理论支撑，结合 3D打印快速制造的优势，可以方便地完成装置的迭代优化和实验验证。
     本文也 尝试开发 功能性的 3D打印复合材料，以使打印出的装置具有特定的功能。 该工作 将石墨烯掺杂到 3D打印的光敏树脂中，通过超声、搅拌等使其均匀混合，从而制备含有石墨烯的复合光敏树脂，并使用这种复合树脂打印制造了用于 基质辅助激光解吸 /电离飞行时间质谱 MALDI-TOF MS）分析的靶板。材料表征的结果显示 通过这种方式，石墨烯被很好 地 固定于靶板上，避免了使用过程 中 发生的团聚，而将该靶板用于 激光解吸 /电离飞行时间质谱 LDI-TOF MS分析环境中典型小分子污染物（包括 有机氯农药 、 溴代 阻燃剂 、 含氟表面活性剂 、阳离子表面活性剂 等）的测试结果表明，在无需额外添加基质的情况下，该靶板即可实现样品的解吸 /电离，整 个靶板的背景干扰低，重现性较好，成本低，且可重复使用超过 400次。此外， 还 采用类似的方法将作为吸附材料的纳米二氧化钛颗粒（ TiO2 NPs）掺杂到 3D打印光敏树脂中，制备了具有吸附功能的 3D打印复合树脂材料，并使用该复合树脂打印了设计的模型用于吸附去除水中的砷污染物。一系列吸附实验证明该复合材料打印的装置可吸附去除水中的 As(III)，且吸附的性能受吸附时间、 TiO2 NPs粒径、掺杂浓度等因素的影响，对实际地下水样品的测试结果表明其吸附性能还受到水中存在的其他离子的干扰。该装置对As(III)的吸附动力学 和吸附等温线可以用传统的数学模型进行拟合。经过再生后该装置可反复使用超过十次，期间其吸附性能并没有明显的下降。通过这种方式，使微观的纳米吸附剂具有了宏观结构，在便于使用的同时，避免了吸附剂团聚和流失可能带来的性能下降和二次污染等问题。
     本文提出除了制备功能性材料来实现 3D打印装置的功能性以外，还可以通过模块化的设计理念来达到这一目的。在环境科学的实验中 样品的前处理通常需要 提取 、 富集 、 离心 和 过滤 等多个步骤协同完成，单独进行每一个步骤往往操作复杂，且耗时耗力，因此非常适合进行模块化。于是 本研究 基于不同的样品前处理步骤，设计了一套模块化样品 纯化 系统用于小体积生物样品的多步骤和高通量纯化，并用于 MALDI-TOF MS分析。在该系统中，每个模块都 被 赋予特定的前处理功能，并设计相应的结构，每一个模块都可以根据实验的需要进行不同顺序的组装。作为 概念 验证 本研究 通过 3D打印设计 并 制造了与 提取 、过滤 、洗脱和样品收集 等典型纯化步骤相对应的 模块 ，并将它们组装成 样品预处理 系统与MALDI-TOF MS联用， 该系统成功 用于富集 和 鉴定自来水 、肺部 灌洗液 、 血清和单滴全血样品等多种复杂样品 中的 有毒 化合物， 并具有较高的灵敏 度 、重现性和回收率。通过模块化的设计，该系统还可继续增加定制的功能模块并不断扩展，以实现更多的功能和更广泛的应用。
     综上所述，本论文 基于 3D打印的特点，从 个性化装置 的 按需制造 装置 的快速 设计、制造和迭代优化 ，以及 装置 的 功能 化等方向 开展了相关研究工作 初步 探索了 3D打印在环境科学领域的应用前景，为 后续 3D打印 技术在 环境科学研究中的进一步应用和拓展 提供了借鉴。