量化混合使用磁共振成像

Summary

磁共振成像（MRI）提供了强大的工具来评估在操作过程中的工艺设备的有效性。我们讨论了使用的MRI可视化静态混合器混合。该应用程序相关的个人护理产品，但可以适用于广泛的食品，化工，生物量和生物体液。

Abstract

<p class="jove_content">混合是一个，两个或两个以上元件结合成均匀的混合物的单元操作。这项工作涉及两个粘性液体流行的静态混合器混合。混频器是一个分裂和重组的设计，采用剪切和拉伸流动，增加界面组件之间的联系。原型的分裂和重组（SAR）混频器是通过调整一系列薄激光切割聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板的地方举行PVC管建造。在此设备的搅拌在照片说明<strong>图。 1</strong>。红色染料被添加到测试液的一部分，作为次要到主要组件（染色）混合使用。混频器的入口，示踪流体注入层被分成两层，因为它通过混合段流。在随后的每次混合段，水平层是重复的。最终，染料的单流是均匀地分散在整个设备的截面。</p><p class="jove_content">使用非牛顿的0.2％卡波姆测试流体和一个类似的成分掺杂示踪液，在单位的混合使用磁共振成像（MRI）是可视化。 MRI是一种非常强大的实验探针分子的化学和物理环境，以及样品的结构从微米到厘米尺度。在这些技术的广泛应用，导致这种敏感性表征材料的物理，化学和/或生物性质，从人类食品多孔介质<strong> [1，2]</strong>。这里使用的设备和条件适用于成像液体含有大量的核磁共振移动¹ H为普通水和有机液体，包括油。传统MRI利用超导磁铁实验室内不适合工业环境，而不是便携（<strong>图。 2</strong>）。磁体技术的最新进展，已批准的大批量建设符合工业磁铁适合成像过程中流动。在这里，MRI在混合过程中提供不同的轴向位置空间分辨的元件浓度。这项工作文件实时通过分配与个人护理产品的应用混合搅拌高粘度的流体。</p>

Protocol

<p class="jove_title"> 1。混频器设计</p><ol><li>使用CAD程序设计静态混合器混合路段。</li</ol><p class="jove_content">特区混频器是由许多不同的板形状，这些几何<strong>图。 3</strong>。每个激光切割聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）板材，厚1.59毫米，并在底部的长方形键，以便它可以在PVC管压克力棒对准。几何中描述的类似<strong> [3，4]</strong>，除了在扩张和收缩的墙壁是由一系列离散的“楼梯”的步骤，由于对齐，而不是光滑的对角线表面的离散板块形成。虽然这里是建筑材料PMMA和PVC，不透明非金属混频器，可以构造以及。</p><ol start="2"><li>对齐个别板块发展混频器的重复单位。板的位置，紧紧一个附表1 ½英寸40透明PVC管内。</li><li><strong>图。 4</strong>说明从侧面看的静态混合器。请注意，在图的左侧两流体进入。显示为暗区，进入次要的组成部分，通过喷嘴（图版S，图3），形成一个流（无色）的重要组成部分的次要组成部分。重复单元板小号后开始在第一板C和下游延伸，通过48板，这也是在每个重复单元板三，两种流体流量分为8明渠板（板C）。流体物理上分开八板的板我的实际混合部分分为两个垂直通道。混合段共有16个板块，从上游到下游：板我的A，B，D，E，F，G，J，J，K，L，M，N，O，P，H.的流体离开混合段进入8板中厚板H，其中流体物理分割成两横通道和流动。其次是8明渠板（板C）“H”的部分。这种模式48板反复在混频器的6倍。两个重复单位说明<strong>图。 4</strong>板1-96。</li></ol><p class="jove_title"> 2。磁共振成像系统和一个混频器的水流系统</p><ol><li>组装甲流系统，通过线的分割和重组的静态混合器泵卡波姆解决方案。能够控制和记录的测试流体的质量流量。此外，集成了压力传感器，混频器的上游监视压力。</li><li>您的位置在磁铁搅拌机<strong>（图5）</strong>。磁铁是1特斯拉的永磁基于成像光谱仪（长宽比成像，工业区Hevel Modi'in，Shoham，以色列）的一部分，用0.3吨/米的峰值梯度强度磁铁外壳的尺寸为700 × 700 x 600毫米。</li><li>涂料与氯化锰卡波姆溶液（MnCl₂）。这将是次要的组成部分。主要成分是未掺杂卡波姆溶液。<strong>图。 6</strong>说明了流系​​统的原理图。</li></ol><p class="jove_title"> 3。测试液体的表征</p><ol><li>准备慢慢筛选到去离子水搅拌槽内的聚合物的加权金额的0.2％W / W卡波姆（路博润公司）的解决方案。这种聚合物产品系列是基于交联丙烯酸化学，被广泛用于个人护理和家用产品作为流变修饰符。中与50％的NaOH溶液pH值7卡波普解决方案;中和允许的解决方案，实现其最大粘度聚合物在水中的膨胀形成凝胶。准备第二卡波普解决方案，包含MR造影剂MnCl₂到终浓度为0.040 mM的该解决方案被称为掺杂示踪液。</li><li>刻画一个TA仪器AR – G2流变与标准库埃特几何（新的城堡，DE）（直径14毫米× 42毫米的高度），流体温度为25卡波普解决方案的流动行为，或流变，° C 。剪切粘度，从0.1 500 10点/ 10年和5％的公差数模式的PA使用一个稳态剪切应力扫描。方法是描述在<strong> [5]</strong>。</li></ol><p class="jove_content">在这项工作中，两个解决方案的流变学特性难以区分和说明<strong>图。 7</strong>，数据拟合功法模型，并显示剪切变稀行为。</p><p class="jove_content">表征的0.2％W / W卡波普与小振幅振荡测试解决方案的粘弹性能。执行固定在1 Pa时，对应的线性粘弹性区域应力的动态测试。测量应变超过扫频从628 – 对数模式，以10分/十年0.63 rad / s时（100-0.10赫兹）。</p><p class="jove_content">存储和损失模​​量G'和G“，分别显示在<strong>图。 8</strong>。曲线G“> G”和G“相当稳定的凝胶体系的特点<strong> [5]</strong>。谭（δ）= G / G“0.05在较低的频率为0.3增加值 – 0.5在更高的频率。相应的相位滞后（δ）遵循相同的趋势，限制正在δ= 0 Hookean固体和δ=牛顿流体的π/ 2。</p><ol start="3"><li>评估的惯性力，粘性力，雷诺数流动过程中使用的相对贡献。由于每块板的截面变化，通过板和雷诺数的平均流量计算，并给出了<strong>表1</strong>。</li></ol><p class="jove_content">这些雷诺数值小于1.0和表征流动的粘滞力占主导地位的惯性力。换句话说，混合层伸展，而不是湍流剪切。</p><p class="jove_title"> 4。数据采集​​（译文）</p><ol><li>选择一个合适的射频线圈。</li></ol><p class="jove_content"这项工作使用四圈螺线管，套一个圆柱体积60毫米，直径60毫米长。这种线圈密切配合PVC管，并取得了良好的信号与噪声信号的比值。</p><ol start="2"><li>运行多片的梯度回波序列，获得MR图像。</li></ol><p class="jove_content">这个脉冲序列被选择，因为信号强度材料自旋晶格弛豫时间非常敏感。两种不同弛豫时间的材料之间的相对信号强度是从一个公式计算。信号强度的差异，总相对分子扩散的影响都需要考虑选择适当的实验参数在图像采集图像采集时间。此外，造影剂的浓度（MnCl₂）选择了这样的信号强度的变化，导致造影剂浓度是线性的。此外MnCl₂跌幅的自旋晶格弛豫时间（T₁）测试液从2.998秒（未掺杂）以0.515秒（掺杂）。掺杂卡波姆解决方案似乎比未掺杂卡波姆解决方案在图像明亮以来强度高自旋晶格弛豫时间加权。脉冲序列的参数是回波时间（TE）的2毫秒，30毫秒重复时间（TR）;领域的视角（FOV）64毫米每128编码产生一个平面空间分辨率为0.5毫米/体素。有了这个多层螺旋序列，我们获得了32片每成像切片厚度1.4毫米的横截面。</p><p class="jove_title"> 5。成像液</p><ol><li>泵通过混频器的主要和次要的组成部分，直到达到源源不断。主要和次要成分的相对流速为10:1。同时停止在搅拌机的泵和形象流体。先生序列不包括流量补偿，以避免运动伪影，成像是静态液体进行。成像时间是1-4分钟的顺序。</li><li>重新定位搅拌机多次在不同的轴向位置的图像圆柱形卷。</li></ol><p class="jove_content"在这项研究中，混频器的几个圆柱形卷成像和可位于<strong>图。 9</strong>。通过磁铁混频管轴向滑动音量选择，直到所需的体积核磁共振线圈磁铁的中心的中心定义的甜蜜点。</p><ol start="3"><li>致辞数据分析与图像分析程序文件的组成部分浓度的空间分布。标准化的信号强度（X）和流体在这项研究中掺杂（Y）的一小部分之间的关​​系是Y = 1.419x – 0.482（R² = 0.99）。这种关系是相关分析说明混合process.To流使用磁共振成像的可视化的力量，结果如下选择在不同的轴向位置的图像。</li></ol><p class="jove_title"> 6。代表性的成果</p><p class="jove_content"<strong图10</strong说明在狭缝喷嘴（喷油器）的图像显示截面掺杂和未掺杂进入第一个重复单元。这些图像也清晰地显示信号强度100％掺液和未掺杂的流体之间的差异。</p><p class="jove_content">特区混频器有效和统一的H Platesdownstream图像分割从1所示流^ST 2^ND和^第三混合部分（<strong>图。 11</strong>，第一行）。通过每个混合段掺液“条纹”双数。第二行<strong>图。 11</strong>说明图像分析过程中，阈值的图像，“1”（条纹）和“0”（一切）。这些处理过的图像清楚地说明了流体的分裂和重组的掺杂和未掺杂的流体之间的界面面积增加。</p><p class="jove_content">通过第二混合段的序列图像显示在<strong>图。 12</strong>。</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493table1.jpg" alt="Table 1"><p class="jove_content"<strong>表1</strong>。穿越截面截面积每块板和平均速度，与相应的雷诺数（Re）;功法液（PL）使用等效直径，定义。</p><span class="pdflinebreak"</span<img>图1。</strong>照片来说明通过使用卡波姆作为次要的组件，并作为重要组成部分染色卡波姆溶液染成红色的分割和重组的搅拌机流动。</p><span class="pdflinebreak"</span<img>图2。</strong> 2特斯拉超导磁铁;尺寸参考，输送机，移动到成像区域3鳄梨。</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig3.jpg" alt="Figure 3.">图3。</strong>板类型和字母的名称，用于创建在特区混频器的重复单元。</p><span class="pdflinebreak"</span<img>图4。</strong>漏出和重组搅拌机示意图。</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig5.jpg" alt="Figure 5.">图5。</strong> 1特斯拉永磁成像光谱仪（纵横成像）。</p><span class="pdflinebreak"</span<img>图6。</strong>流系统示意图。</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig7.jpg" alt="Figure 7."> 0.2％卡波姆溶液的表观粘度。</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig8.jpg" alt="Figure 8."> 0.2％卡波姆溶液的粘弹性能。</p><span class="pdflinebreak"</span<img>图9。</strong>重复特区混频器的单位。</p><span class="pdflinebreak"</span<img>图10。</strong在喷油器的两个图像：喷嘴的上游部分有一个圆截面掺液逐渐成为特区混频器的第一个重复单位的入口狭缝。</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig11.jpg" alt="Figure 11.">图11。</strong>流体下游的第一，第二，和第三的混合部分，说明​​在板块H.</p><span class="pdflinebreak"</span<a><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig12.jpg" alt="Figure 12.">图12。</strong> 16个连续的影像序列通过第二混合段。</p>

Discussion

<p class="jove_content">磁共振成像是一种快速，定量分析流体混合的方法。测量需要几分钟的位置分割和重组搅拌机的功能，并提供液的浓度。这种技术适用于应用广泛的混合问题和几何[<strong> 6-11</strong>]。该技术的限制，无磁性搅拌器，必须建造和使用，在MRI设备和材料至少必须提供足够的信号进行数据采集。一个足够的信号，需要一个具有足够数量的密度核磁共振积极原子核。</p><p class="jove_content"> MRI也可以用来量化混合固体和液体，具有显著不同的流变学特性以及两种液体混合反应系统。固体变成液体的混合比特区混频器将产生不同的图像。在混合固体固体分量信号衰减迅速，不成像，因此，信号只能从液体和固体的浓度是从纯液体信号相比，信号损失。</p><p class="jove_content"> MRI混合图像提供了一个极好的测试计算混合实验。图像数据提供了理想的条件下流体的流变性能和偏差的重要性的洞察力。在<strong>图。 12</strong从理想流体的均匀层的偏差是显而易见的。获得的图像，从而提供详细的数据集，适合直接比较复杂流动数值预报。</p>

Materials

Material or equipment	Supplier
Aspect 1T imaging spectrometer	Aspect Imaging (Shoham, Israel)
AR-G2 rheometer	TA Instruments, (New Castle, DE)
Seepex metering pumps	Seepex GmbH, (Bottrop, Germany)
Carbopol	The Lubrizol corporation, (Wickliffe, OH)
Manganese Chloride 1M Solution	Fisher Scientific (Pittsburgh, PA)