자기 공명 영상을 사용하여 혼합 Quantifying

Summary

자기 공명 영상 (MRI)은 작업 과정에서 장비의 효율성을 평가하는 강력한 도구를 제공합니다. 우리는 정적 믹서에서 혼합 시각화하기 위해 MRI의 사용을 토론합니다. 응용 프로그램은 개인 케어 제품과 관련이 있지만, 식품, 화학, 바이오 매스 및 생물 학적 체액의 다양한 적용할 수 있습니다.

Abstract

<p class="jove_content"> 혼합 균일한 혼합물에 두 개 이상의 구성 요소를 결합 단위 작업입니다. 이 작품은 인라인 정적 믹서를 사용하여 두 점성 액체 스트림을 혼합이 포함됩니다. 믹서는 컴포넌트 사이의 계면 접촉을 증가 전단 및 extensional 흐름을 고용 분할 및 재결합 디자인입니다. 프로토 타입 분할 및 재결합 (SAR) 믹서는 플레이트가 PVC 파이프의 장소에서 개최 얇은 레이저 컷 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA)의 일련의 정렬에 의해 건설되었습니다. 이 장치에 혼합하는 것은에있는 사진의 그림입니다<strong> 그림. 일</strong>. 붉은 염료는 시험 유체의 일부에 추가 및 주요 (undyed) 구성 요소에 혼합되는 사소한 구성 요소로 사용되었다. 그것은 혼합 섹션을 통해 흐르는대로 믹서의 입구에서 추적 유체의 주입 층은 두 개의 레이어로 나뉩니다. 이후의 각 혼합 섹션에서 수평 레이어의 숫자가 중복됩니다. 궁극적으로, 염료의 단일 스트림 균일 장치의 단면에 걸쳐 분산됩니다.</p><p class="jove_content"> 단위에서 혼합, 0.2 % Carbopol의 비 뉴턴 유체 시험과 유사한 구성의 도핑된 추적 유체를 사용하여 자기 공명 영상 (MRI)를 사용하여 시각입니다. MRI는 센티미터 미크론의 길이 스케일에서 분자 화학 및 물리적 환경뿐만 아니라 샘플 구조의 매우 강력한 실험 프로브입니다. 이 민감도는 인간의 다공성 미디어에 식품에 이르기까지 물질의 물리적, 화학적 및 / 또는 생물 학적 특성을 특징 이러한 기술의 광범위한 응용 프로그램에서 발생했습니다<strong> [1, 2]</strong>. 여기에 사용되는 장비와 조건 NMR 모바일의 상당한 금액을 포함하는 이미지 액체에 적합¹ H 보통 물과 기름을 포함한 유기 액체 등. 전통적으로 MRI는 실험실 내에서 산업 환경에 적합하고 이식하지 않습니다 슈​​퍼 수행 자석을 이용했다 (<strong> 그림. 이</strong>). 자석 기술의 최근 발전은 대량의 건설 이미징 프로세스 흐름에 적합한 산업상 호환 자석을 허용했습니다. 여기, MRI는 혼합 과정에서 서로 다른 축방향 위치에 spatially 해결 컴포넌트 농도를 제공합니다. 이 작품은 문서 실시간 분배 개인 케어 제품에 응용 프로그램과 함께 혼합을 통해 높은 점성 유체의 혼합.</p>

Protocol

<p class="jove_title"> 1. 믹서 설계</p><ol><li> 정적 믹서의 혼합 섹션을 설계하는 CAD 프로그램을 사용합니다.</li</ol><p class="jove_content"> SAR 믹서는 여러 판 형상의 숫자로 구성되어 있습니다, 이러한 형상이 표시됩니다<strong> 그림. 3</strong>. 각 레이저 컷 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA) 플레이트는 두께 1.59 mm이며,이 아크릴 막대와 PVC 파이프의 정렬 수 있도록 하단에 사각형 키를있다. 기하학에 설명된 것과 비슷합니다<strong> [3, 4]</strong> 그 확장과 수축으로 벽면이 아니라 부드러운 대각선 표면보다 개별 접시의 정렬로 인해 이산 "계단"일련의 단계에 의해 형성된다 제외. 건설 재료 여기지만 PMMA 및 PVC는 불투명 비금속 믹서는뿐만 아니라 건설 수 있습니다.</p><ol start="2"><li> 믹서의 반복 단위를 개발하기 위해 개인 접시를 맞춥니다. 1 ½ 인치 일정 40 명확한 PVC 파이프 내에 단단히 접시를 놓습니다.</li><li><strong> 그림. 4</strong> 측면에서 볼 정적 믹서를 보여줍니다. 이 체액은 그림의 왼쪽에 입력 확인합니다. 어두운 지역으로 표시된 작은 구성 요소, 노즐 (플레이트 S, 그림 3.)를 통해 입력하고 (무색)의 주요 구성 요소에있는 작은 구성 요소의 스트림을 형성합니다. 반복 단위는 첫 번째 판 C에서 플레이트 S 후 시작과 오픈 채널 (플레이트 C) 8 접시에 두 유체 흐름, 각 반복 단위에 플레이트 C.이다 플레이트 48, 하류를 통해 확장됩니다. 유체 그런 다음 실제로 내가 실제 혼합 섹션에 이어 플레이트 여덟 접시하여 두 수직 채널로 구분합니다. 혼합 섹션은 상류에서 하류로, 16 접시 총입니다 플레이트 I, A, B, D, E, F, G, J, J, K, L, M, N, O, P, 그리고 H. 유체는 유체가 실제로이 수평 채널로 분할되는 플레이트 H, 8 접시에 혼합 섹션 흐름을 떠납니다. "H"섹션은 오픈 채널 (플레이트 C) 8 접시옵니다. 48이 패턴접시는 믹서 6 번 반복됩니다. 두 반복 단위에 그림 아르<strong> 그림. 4</strong> 플레이트 1-96로.</li></ol><p class="jove_title"> 2. MR 이미징 시스템과 믹서와 흐름 시스템</p><ol><li> 인라인 분할 및 재결합 정적 믹서를 통해 Carbopol 솔루션을 펌프 플로우 시스템을 조립. 테스트 유체의 질량 유량을 제어하고 기록하실 수 있습니다. 또한, 압력을 모니터링하는 상류 믹서의 압력 변환기를 포함.</li><li> 위치 자석의 믹서<strong> (그림 5)</strong>. 자석은 0.3 T / 자석 인클로저의 크기는 700아르 m 최대 기울기 강도와 1 테슬라는 영구 – 자석 기반의 영상 분광계 (세로 이미징, 산업 지역 Hevel Modi'in, Shoham, 이스라엘)의 일부 X 700 X 600mm.</li><li망간 염화물과 Carbopol 솔루션> 볼때 부분 (MnCl₂). 이것은 사소한 요소가 될 것입니다. 주요 구성 요소는 undoped Carbopol 솔루션입니다.<strong> 그림. 6</strong> 플로우 시스템의 구조도를 보여줍니다.</li></ol><p class="jove_title"> 3. 시험 유체의 특성</p><ol><li> 천천히 흔들 탱크에 탈이온수으로 폴리머의 무게 양을 선별하여 0.2 % w / w Carbopol (Lubrizol 공사) 솔루션을 준비합니다. 제품이 폴리머 제품군은 가교 아크릴 산 화학을 기반으로 널리 유변학적 수정자와 같은 개인 관리 및 가정용 제품에 사용됩니다. 산도 7 50 % NaOH 용액으로 carbopol 솔루션을 중화, 중화는 솔루션 젤 형태로 물에 폴리머 부풀로서 최대 점도를 얻을 수 있습니다. MR 대비 에이전트 MnCl를 포함하는 두 번째 carbopol 솔루션을 준비₂ 0.040 mm의 최종 농도,이 솔루션은 도핑된 추적 유체라고합니다.</li><li> 25 유체 온도에서 표준 Couette 기하학과 TA 인 스트 루먼트 AR – G2 rheometer (신규 성, DE) (14mm의 diam. X 42mm 높이)와 carbopol 솔루션의 흐름 행동, 또는 레올로지를 특징 ° C . 전단 점도 들어, 10 점 / decade 및 5 %의 오차로 로그 모드에서 0.1 500 파에서 정상 상태 전단 응력 조사를 사용합니다. 방법에 설명되어 있습니다<strong> [5]</strong>.</li></ol><p class="jove_content">이 작품에서, 두 솔루션의 유변학적 특성 구별할 수 있었다 및 그림 아르<strong> 그림. 7</strong> 데이터가 행동을 벗겨 지수 법칙 모델과 쇼 전단에 맞는.</p><p class="jove_content"> 작은 진폭 oscillatory 테스트와 0.2 % w / w carbopol 솔루션의 점탄성 특성을 특징. 선형 점탄성 영역에 해당하는 한 아빠의 고정 스트레스에서 동적 테스트를 수행합니다. 0.63 방사선 / S (100-0.10 Hz에서)를 로그 모드에서 10 점 / decade로 – 628에서 주파수 스윕을 통해 응력 측정합니다.</p><p class="jove_content"> 저장 및 손실 moduli, G '과 G "각각이 표시됩니다<strong> 그림. 8</strong>. 곡선은 G '> G "와 G'공정 상수와 젤 시스템의 특성<strong> [5]</strong>. 0.3로 낮은 주파수에서 0.05에서 선탠 (δ) = G "/ G '증가 값 – 0.5 이상의 주파수에서. 해당 위상 지연은 (δ)의 한계가 δ되는 같은 추세를 따라 Hookean 고체와 뉴턴 유체에 대한 δ = π / 2 = 0.</p><ol start="3"><li> 레이놀즈 번호를 사용하여 플로우 동안 관성 세력에 점성 세력의 상대적 기여를 평가. 각 판의 단면이 다릅니다 이후, 접시와 레이놀즈 번호를 통해 평균 유량은 계산에 있습니다<strong> 표 1</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> 이러한 레이놀즈 번호 값이 1.0보다 훨씬 덜하고 점성 세력은 관성 세력을 지배하는 흐름을 특징. 즉, 혼합은 판상가 늘어나 오히려 난기류보다 전단입니다.</p><p class="jove_title"> 4. MR 데이터 수집</p><ol><li> 해당 라디오 주파수 코일을 선택합니다.</li></ol><p class="jove_content">이 작품은 긴 원통형 볼륨 직경 60mm와 60mm를 표시할 수, 넷 전환과 솔레노이드를 사용합니다. 이 코일은 밀접하게 PVC 파이프에 맞는하여 신호의 좋은 신호 대 잡음 비율을 달성.</p><ol start="2"><li> 멀티 슬라이스 기울기 에코 시퀀스를 실행하고 MR 이미지를 획득.</li></ol><p class="jove_content"신호 강도는 재료 스핀 – 격자 완화 시간에 민감한이기 때문에>이 펄스 시퀀스 선정되었습니다. 다른 휴식 시간을 가진 두 물질 사이의 상대적 신호 강도는 공식에서 계산됩니다. 신호 강도 차이, 모든 적절한 실험 매개 변수를 선택 고려해야 할 필요가 이미지를 수집하는 동안 분자 확산의 영향에 상대적으로 이미지에 대한 전체 수집 시간. 또한 대비 에이전트의 농도 (MnCl₂) 대비 에이전트 농도에서 발생하는 신호 강도 변화가 선형되는 이러한 선택됩니다. MnCl의 추가₂ 스핀 – 격자 완화 시간 (T 감소₁)의 2.998 (undoped)에서 0.515 S (도핑된)로 테스트 유체니다. 강도가 높은 스핀 격자 완화 시간에 의해 가중되어 있기 때문에 마약에 취해 Carbopol 솔루션은 이미지 undoped Carbopol 솔루션보다 밝게 나타납니다. 펄스 시퀀스 매개 변수는 30 MS 2 MS와 반복 시간 (TR)의 반향 시간 (TE)입니다;보기 (FOV)의 분야는 0.5 mm /의 인 – 비행기 공간 해상도를 산출 128 인코딩 당 64mm입니다 voxel. 이 멀티 슬라이스 순서로, 우리는 이미지 슬라이스 두께 1.4 mm 당 32 교차 단면 슬라이스를 취득.</p><p class="jove_title"> 5. 이미징 유체</p><ol><li지속적인 흐름이 얻을 때까지> 믹서를 통해 전공 및 부전공 구성 요소를 모두 펌프. 전공 및 부 구성 요소의 상대적인 유동 율은 10시 1분 있습니다. 동시에 믹서에있는 펌프와 이미지 유체를 중지합니다. MR 시퀀스 흐름 보상을 포함하지 않는다; 모션 아티팩트를 피하기 위해, 영상은 정지 액체에서 수행됩니다. 영상 시간 1-4 분 순서에 있습니다.</li><li> 믹서에게 서로 다른 축방향 위치에 이미지 원통형 볼륨을 여러 번 위치를 변경합니다.</li></ol><p class="jove_content"> 본 연구에서는 믹서 여러 원통 볼륨이 몇 군데 있으며,에서 찾을 수 있습니다<strong> 그림. 9</strong>. 원하는 볼륨이 자석의 중심에있는 NMR 코일의 중심에 의해 정의된 달콤한 자리에까지 볼륨은 자석을 통해 axially 믹서 튜브를 슬라이딩으로 선택됩니다.</p><ol start="3"><li> 구성 요소 농도의 공간적 분포를 문서 이미지 분석 절차를 MR 데이터를 분석합니다. 표준 신호 강도 (X)이 연구에서 도핑된 액체 (Y)의 분율 사이의 관계 (R Y = 1.419x – 0.482입니다² = 0.99). 이 관계가 혼합 process.To가 MRI를 사용하여 흐름 시각화의 능력을 보여주는 분석과 관련된 다음과 같은 결과가 서로 다른 축방향 위치에서 이미지를 선택하고 있습니다.</li></ol><p class="jove_title"> 6. 대표 결과</p><p class="jove_content"<strong> 그림 10</strong>는 실수로 undoped 최초의 반복 단위를 입력으로 교차 부분을 표시하는 슬릿 노즐 (인젝터)에서 이미지를 보여줍니다. 이 이미지는 명확하게 백퍼센트 도핑된 유체와 유체 사이 undoped 신호 강도의 차이를 보여줍니다.</p><p class="jove_content"> SAR 믹서는 효과적이고 균일하게 1 H의 Platesdownstream의 이미지에서 그림과 같이 흐름을 분할^일, 2^차, 그리고^세번째 혼합 섹션 (<strong> 그림. 11</strong> 첫 번째 행에). 각 혼합 섹션을 통해 마약에 취해있는 유체 "스트 라이프"이중의 수입니다. 두 번째 행은<strong> 그림. 11</strong> 이미지 분석 절차를 보여줍니다되는 임계값은 "1"의 (스트 라이프)에 이미지와 "0"의 (다른 모든). 이러한 처리 이미지는 명확하게 유체 분리 및 recombines로 실수로 undoped 체액 사이의 계면 영역의 증가를 보여줍니다.</p><p class="jove_content"두 번째 혼합 섹션을 통해> 선형 이미지가 표시됩니다<strong> 그림. 12</strong>.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493table1.jpg" alt="Table 1"><p class="jove_content"<strong> 표 1</strong>. 해당 레이놀즈 번호 (재) 함께 십자가 섹션을 통해 각각의 플레이트와 평균 속도의 단면적을 건너, 이에 상응하는 직경을 사용하여 지수 법칙 유체 (PL)에 대한 정의.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> 그림 1.</strong의> 사진.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> 그림 2.</strong> 2 테슬라 슈퍼는 자석을 실시, 크기 참조, 컨베이어는 영상 영역으로 3 아보카도를 이동합니다.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig3.jpg" alt="Figure 3."> 그림 3.</strong> SAR 믹서의 반복 단위를 만드는 데 사용되는 플레이트 유형 및 문자 지정.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> 그림 4.</strong쏟았> 도식.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig5.jpg" alt="Figure 5."> 그림 5.</strong> 1 테슬라는 영구 자석 – 기반 영상 분광계 (화면 영상).</p><span class="pdflinebreak"</span<img> 그림 6.</strong플로우> 도식.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig7.jpg" alt="Figure 7."> 그림 7.</strong0.2> 확실한 점도.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig8.jpg" alt="Figure 8."> 그림 8.</strong0.2> 점탄성 특성.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> 그림 9.</strong> SAR 믹서의 단위를 반복합니다.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> 그림 10.</strong인젝터에서> 두 이미지 : 노즐의 상류 섹션 점차 SAR 믹서의 첫 번째 반복 단위의 입구에 슬릿된다 도핑된 유체의 원형 단면 있습니다.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig11.jpg" alt="Figure 11."> 그림 11.</strong플레이트> 유체 하류,</p><span class="pdflinebreak"</span<a><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig12.jpg" alt="Figure 12."> 그림 12.</strong두> 시퀀스.</p>

Discussion

<p class="jove_content"> 자기 공명 영상은 혼합 유동 분석을위한 신속하고 정량 방법입니다. 측정하기 위해 몇 분 필요하며 분리 및 재결합 믹서에 위치의 함수로 액체의 농도를 제공합니다. 이 기술은 혼합 문제와 형상의 다양한 어플 리케이션에 적합합니다 [<strong> 6-11</strong>]. 기술에 제한이 nonmagnetic 믹서를 구성하고 사용하는 MRI 장비 및 재료의 적어도 하나는 데이터 수집을위한 충분한 신호를 제공해야합니다 수 있습니다. 충분한 신호는 충분한 숫자 밀도 NMR 적극적인 핵이 필요합니다.</p><p class="jove_content"> MRI는 또한 고체와 액체 두 상당히 다른 유변학적 특성 액체뿐만 아니라 반응 시스템에 혼합의 혼합 계량하는 데 사용할 수 있습니다. 액체에 고체의 혼합은 SAR 믹서보다 다양한 이미지를 얻을 수 있습니다. 빠르게 고체 고체 컴포넌트 신호 자연 붕괴의 혼합과 몇 군데되지 않습니다에, 따라서, 신호는 액체에서 고체이며의 농도는 순수한 액체 신호에 비해 신호의 손실에서 파생됩니다.</p><p class="jove_content"> MRI 혼합 영상 전산 혼합 실험의 훌륭한 테스트를 제공합니다. 이미지 데이터가 이상적인 조건에서 유체 유변학적 속성과 편차의 중요성에 대한 통찰력을 제공합니다. 에<strong> 그림. 12</strong유체의> 편차가 분명 있습니다. 이미지가 따라서 복잡한 흐름의 수치 예측과 직접 비교에 적합한 세트 상세한 데이터를 제공 받았습니다.</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)