Manyetik Rezonans Görüntüleme kullanarak Karışım miktarının

Summary

Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), operasyon sırasında proses ekipmanları etkinliğini değerlendirmek için güçlü bir araç sağlar. Biz statik karıştırıcı karıştırma görselleştirmek için MRG kullanımı tartışıyorlar. Bu uygulama, kişisel bakım ürünleri ile ilgili, ancak, gıda, kimyasal, biyokütle ve biyolojik sıvılar geniş bir yelpazede uygulanabilir.

Abstract

<p class="jove_content"> Karışım homojen bir karışım içine iki veya daha fazla bileşenin bir araya getiren bir birim işlemdir. Bu çalışma, bir in-line statik karıştırıcı kullanılarak iki viskoz sıvı akışları karıştırma içerir. Karıştırıcı bir bölünme ve rekombinasyona tasarım kesme ve gerilme akış bileşenleri arasındaki arayüzey temas artırmak için istihdam. Bir prototip split-ve-rekombinasyona (SAR) karıştırıcı plakaları PVC boru yerinde tutulan ince lazer kesim Poli (metil metakrilat) (PMMA) bir dizi hizalayarak inşa edilmiştir. Bu cihazın Karıştırma fotoğraf gösterilmiştir.<strong> Şekil. 1</strong>. Kırmızı boya test sıvısının bir kısmı eklenir ve majör (boyasız) bileşeni karıştırılarak küçük bir bileşeni olarak kullanıldı. Karıştırma bölümünde akar gibi mikser girişinde, tracer sıvı enjekte katmanı iki kat ayrılmıştır. Sonraki her karıştırma bölümünde, yatay tabakalar sayısı çoğaltılır. Sonuçta, boya tek bir akış cihazın kesiti boyunca eşit dağılmış.</p><p class="jove_content"> Ünitesinde karıştırma,% 0.2 Carbopol bir Newtonian olmayan test sıvısı ve benzer bir kompozisyon katkılı tracer sıvı kullanarak, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) kullanılarak görüntülenmiştir. MRG santimetre mikron uzunluk ölçeklerinde moleküler kimyasal ve fiziksel çevrenin yanı sıra, örnek yapısı çok güçlü bir deneysel prob. Bu duyarlılık, insanlardan gözenekli ortam gıdalar arasında değişen malzemelerin fiziksel, kimyasal ve / veya biyolojik özelliklerini karakterize etmek için bu teknikler geniş bir uygulama sonuçlandı<strong> [1, 2]</strong>. Burada kullanılan ekipman ve koşullar, NMR mobil önemli miktarda içeren görüntüleme sıvılar için uygundur¹ H, sıradan bir su ve organik sıvı yağlar da dahil olmak üzere gibi. Geleneksel MRI endüstriyel ortamlar için uygun ve portatif bir laboratuvar içinde süper iletken mıknatıslar kullanılır (<strong> Şekil. 2</strong>). Mıknatıs teknolojisindeki son gelişmeler, görüntüleme işlemi akımları için uygun endüstriyel uyumlu mıknatıslar büyük hacimli inşaat izin var. Burada, MR, karıştırma esnasında farklı eksenel yerlerde mekansal çözüme bileşeni konsantrasyonları sağlar. Bu çalışma belgelerin gerçek zamanlı bir uygulama ile kişisel bakım ürünleri dağıtım karıştırma yoluyla yüksek viskoz akışkanlar karıştırma.</p>

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Mikser tasarımı</p><ol><li> Statik karıştırıcı karıştırma bölümleri tasarlamak için bir CAD programı kullanın.</li</ol><p class="jove_content"> SAR karıştırıcı bir dizi farklı plaka geometrileri oluşmaktadır; bu geometrileri gösterilmektedir<strong> Şekil. 3</strong>. Her lazer kesim Poli (metil metakrilat) (PMMA) plaka 1.59 mm kalınlığında ve PVC boru, akrilik çubuk ile uyumlu hale getirilmesi, böylece alt kısmında dikdörtgen bir anahtarı vardır. Geometri açıklanan benzer<strong> [3, 4]</strong> Hariç açılımları ve kasılmaları duvarlar, çok düz çapraz yüzeylerde daha ayrık plakaların uyum nedeniyle ayrık "merdiven" adımları bir dizi oluşur. PMMA ve PVC inşaat malzemesi burada olmasına rağmen, opak-metalik olmayan mikserler de inşa edilebilir.</p><ol start="2"><li> Karıştırıcı yinelenen birimleri geliştirmek için ayrı ayrı kalıplara hizalayın. Plakalar 1 ½ inç Çizelgesi 40 net PVC boru içinde sıkıca yerleştirin.</li><li><strong> Şekil. 4</strong> Yan bakıldığında statik karıştırıcı göstermektedir. Rakamın sol tarafındaki iki sıvıları girdiğiniz dikkat edin. Karanlık bölge olarak gösterilen küçük bileşeni, nozul (Levha S, Şekil 3) ile girer ve (renksiz) önemli bir bileşeni küçük bileşeni bir akım oluşturur. Plaka S sonra tekrar birim ilk Plate C'de başlar ve açık kanal (Levha C) 8 tabak içine iki akışkanların akışı, Levha 48 aracılığıyla da yineleyerek birim Plaka C downstream uzanır. Sıvı daha sonra fiziksel olarak ben, gerçek karıştırma bölümü tarafından takip Plaka sekiz tabak iki dikey kanallar içine ayrılır. Karıştırma bölüm yukarı akış yönündeki, 16 plakalarının toplam: Tabaklar I, A, B, D, E, F, G, J, J, K, L, M, N, O, P, ve H. sıvı, sıvı, fiziksel olarak iki yatay kanal bölünmüş olduğu Levha H, 8 tabak içine karıştırma bölümünde ve akışlar bırakır. "H" bölümünde 8 açık kanal (Levha C) plakaları ile takip edilmektedir. Bu model 48plakalar karıştırıcı 6 kez tekrarlanır. İki tekrar birimlerinde gösterilmektedir<strong> Şekil. 4</strong> Tabaklar 1-96.</li></ol><p class="jove_title"> 2. MR görüntüleme sistemi ve bir karıştırıcı ile akış sistemi</p><ol><li>, In-line split-ve-rekombinasyona statik mikser aracılığıyla Carbopol çözüm pompa akış sistemi birleştirin. Test sıvıların kütle akış hızını kontrol ve kayıt olun. Buna ek olarak, basınç monitörü yukarı karıştırıcı bir basınç dönüştürücü dahil.</li><li> Konum mıknatıs mikser<strong> (Şekil 5)</strong>. Mıknatıs, 1 Tesla sürekli mıknatıs tabanlı görüntüleme spektrometre (Aspect Görüntüleme Sanayi Bölgesi Hevel Modi'in, Shoham, İsrail) parçası 0,3 T / m pik gradient gücü mıknatıs kasasının boyutları 700 x 700 x 600 mm.</li><li> Dope manganez klorür ile Carbopol çözümün parçası (MnCl₂). Bu küçük bir bileşeni olacak. En önemli bileşeni, katkısız Carbopol bir çözümdür.<strong> Şekil. 6</strong> Şematik bir akış sistemi göstermektedir.</li></ol><p class="jove_title"> 3. Test sıvısının Karakterizasyonu</p><ol><li> Yavaş yavaş karıştırılan bir tank içinde eleme deiyonize su içine tartılır polimer miktarı% 0.2 w / w Carbopol (Lubrizol Corporation) bir çözüm hazırlayın. Bu polimer ürün ailesi, çapraz bağlı akrilik asit kimya ve reolojik değiştiricileri gibi kişisel bakım ve ev ürünleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Carbopol çözüm pH 7 ila% 50 NaOH çözeltisi ile nötralize nötralizasyon çözüm jel formunda su polimer şişer olarak maksimum viskozite elde etmenize olanak verir. MR kontrast madde MnCl içeren ikinci bir carbopol çözüm hazırlayın₂ 0.040 mM nihai konsantrasyonu; bu çözüm katkılı tracer sıvı olarak adlandırılır.</li><li> Bir sıvı sıcaklık 25, standart bir Couette geometriye sahip TA Instruments AR-G2 reometre (New Castle, DE) (14 mm çap x 42 mm yükseklik) ile carbopol çözümler akış davranış veya reoloji, Karakterize ° C . Kayma viskozitesi için 10 puan / on yıl ve% 5 tolerans ile logaritmik modunda 0.1 500 Pa, kararlı bir duruma kayma gerilmesi süpürme kullanın. Yöntemleri<strong> [5]</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> Bu çalışmada, iki çözüm reolojik özelliklerini ayırt edilemez ve gösterildiği<strong> Şekil. 7</strong>, Veri davranış incelme bir güç kanun model ve gösteri kayma için uygun.</p><p class="jove_content"> Küçük genlik salınım testi ile% 0.2 w / w carbopol çözüm viskoelastik özellikleri Karakterize. 1 Pa, lineer viskoelastik bölgeye tekabül eden sabit bir stres dinamik bir test uygulayın. 0.63 rad / s (100-0,10 Hz) logaritmik modunda 10 puan / on yıl – 628 frekans süpürme üzerine dökün ölçün.</p><p class="jove_content"> Depolama ve kaybı modülü, G ve G ", sırasıyla gösterilmiştir<strong> Şekil. 8</strong>. Eğrileri G 'G' ve 'G' oldukça sabit bir jel sisteminin karakteristik<strong> [5]</strong>. 0.3 düşük frekanslarda az 0.05 tan (δ) = G / G 'artış Değerler – 0.5 daha yüksek frekanslı. Karşılık gelen faz gecikme (δ), sınırlar δ, aynı trendi takip Hookean katı ve Newton sıvılar için δ = π / 2 = 0.</p><ol start="3"><li> Reynolds sayısı kullanılarak akış sırasında atalet kuvvetlerini viskoz güçlerin göreli katkı değerlendirin. Her plaka kesit farklılık gösterdiğinden, plaka ve Reynolds sayısı ile ortalama debisi hesaplanır ve verilen<strong> Tablo 1</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> Bu Reynolds sayısı değerleri 1.0 'den daha az ve viskoz kuvvetlerin atalet kuvvetlerini egemen olduğu akar karakterize. Diğer bir deyişle, laminer uzanan ve türbülans daha ziyade kesme, karıştırma.</p><p class="jove_title"> 4. MR veri toplama</p><ol><li> Uygun bir radyo frekanslı bobin seçin.</li></ol><p class="jove_content"> Bu çalışma, uzun silindirik bir hacim çapı 60 mm ve 60 mm encasing dört defa dönmesi ile bir selenoid kullanır. Bu bobin yakından uyan PVC boru ve sinyal iyi bir sinyal-gürültü oranı elde etti.</p><ol start="2"><li> Bir çok dilim gradient eko sekansı çalıştırın ve MR görüntüleri elde.</li></ol><p class="jove_content"sinyal yoğunluğu malzeme spin-lattice relaksasyon zamanı duyarlı olduğundan> Bu darbe dizisi seçildi. Bir denklemin farklı dinlenme süreleri ile iki malzeme arasındaki göreli sinyal yoğunluğu hesaplanır. Sinyal yoğunluğu farklılıkları, uygun deneysel parametrelerin seçiminde dikkate alınması gereken bir görüntü alımı sırasında moleküler difüzyon etkisi göreli görüntü için toplam satın alma zamanı. Ayrıca, kontrast madde konsantrasyonu (MnCl₂) Kontrast madde konsantrasyonu kaynaklanan sinyal intensite değişiklikleri doğrusal olduğu gibi seçilir. Ayrıca, MnCl₂ Spin-lattice relaksasyon zamanı (T azalır₁) 2,998 s (katkısız) 0.515 s (katkılı) için test sıvısı. Yoğunluğu yüksek spin kafes relaksasyon zamanı ağırlıklı katkılı Carbopol çözüm görüntüler katkısız Carbopol çözüm daha parlak görünür. 30 ms 2 ms ve tekrarlama zamanı (TR) darbe dizisi parametreleri bir eko zamanı (TE); view (FOV) alanında veren 128 kodlamaları başına düzlem uzaysal çözünürlüğü 0,5 mm / 64 mm voksel. Bu multi-slice sırası ile, kalınlığı 1.4 mm görüntüleme dilim başına 32 kesit dilimleri kazanır.</p><p class="jove_title"> 5. Görüntüleme sıvı</p><ol><li> Sabit akış elde edilene kadar mikser ile major ve minör bileşenler Pompa. Majör ve minör bileşenleri göreceli debisi 10:01. Aynı zamanda mikser pompaları ve akışkan görüntü durdurun. MR dizisi akış tazminat dahil değildir; hareket eserler önlemek için görüntüleme suskun bir sıvı yapılır. Görüntüleme süresi 1-4 dakika sırasına.</li><li> Karıştırıcı görüntü silindir hacimleri farklı eksenel yerlerde birkaç kez yeniden konumlandırma.</li></ol><p class="jove_content"> Bu çalışmada, mikser birkaç silindir hacimleri görüntülü ve yer olabilir<strong> Şekil. 9</strong>. Hacmi, istenen birimde NMR bobini mıknatıs merkezinde merkezi tarafından tanımlanan sweet spot kadar mıknatıs ile eksenel karıştırıcı tüp kaydırarak seçilir.</p><ol start="3"><li> Bileşen konsantrasyonlarının mekansal dağılımı belge, görüntü analiz işlemleri ile MR verileri analiz edin. Normalize edilmiş sinyal yoğunluğu (x) ve bu çalışmada katkılı sıvı (y) fraksiyonu arasındaki ilişki (R y = 1.419x-0,482² = 0.99). Bu ilişki, MRI kullanılarak akış görselleştirme karıştırma process.To güç göstermek analiz ile ilgili aşağıdaki sonuçlar farklı eksenel yerlerde görüntü seçilir.</li></ol><p class="jove_title"> 6. Temsilcisi Sonuçlar</p><p class="jove_content"<strong> Şekil 10</strong> Katkılı ve katkısız ilk yinelenen birimi girerken kesitlerini göstermek için yarık nozul (enjektör) görüntüleri göstermektedir. Bu görüntüler aynı zamanda sinyal yoğunluğu% 100 katkılı sıvı ve katkısız sıvı arasındaki farkı açıkça göstermektedir.</p><p class="jove_content"> SAR mikser 1 H Platesdownstream görüntüleri etkili ve eşit gösterildiği gibi akan böler^St 2^Nd Ve^3. Karıştırma bölümleri (<strong> Şekil. 11</strong> Ilk satır). Her karıştırma bölümü aracılığıyla katkılı sıvı "çizgili" çift sayısı. İkinci sıra<strong> Şekil. 11</strong> Görüntü analiz prosedürü göstermektedir eşikleri, "1" ler (çizgili) görüntü ve "0" (her şeyden). Bu işlenmiş görüntüler sıvı böler ve tekrar düzenler gibi katkılı ve katkısız sıvıları arasındaki arayüzey alanı artış açıkça göstermektedir.</p><p class="jove_content"> Ikinci karıştırma bölümü aracılığıyla Sıralı görüntüleri gösterilir<strong> Şekil. 12</strong>.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493table1.jpg" alt="Table 1"><p class="jove_content"<strong> Tablo 1</strong>. Ilgili Reynolds sayısı (Re), her plaka ve ortalama hız kesiti ile kesit alanı, eşdeğer bir çap kullanarak bir güç yasası sıvı (PL) için tanımlanmış.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Şekil 1.</strong> Fotoğraf Carbopol boyalı kırmızı önemli bir bileşeni olarak küçük bir bileşeni ve boyasız Carbopol çözüm olarak kullanarak split-ve-rekombinasyona karıştırıcı akış göstermek için.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Şekil 2.</strong> 2 Tesla süper iletken mıknatıs; boyutu başvuru için, konveyör görüntüleme bölgeye hareket eden 3 avokado.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig3.jpg" alt="Figure 3."> Şekil 3.</strong> Plaka türleri ve mektup belirtme SAR karıştırıcı bir yinelenen birimi oluşturmak için kullanılır.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Şekil 4.</strong> Dökülen ve rekombinasyona mikser şematik.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig5.jpg" alt="Figure 5."> Şekil 5.</strong> 1 Tesla sürekli mıknatıs tabanlı görüntüleme spektrometre (En-Boy Görüntü).</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Şekil 6.</strong> Akış sisteminin şematik.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig7.jpg" alt="Figure 7."> Şekil 7.</strong>% 0.2 Carbopol çözüm Görünür viskozite.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig8.jpg" alt="Figure 8."> Şekil 8.</strong>% 0.2 Carbopol çözüm viskoelastik özellikleri.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Şekil 9.</strong> SAR karıştırıcı birimleri tekrarlamak.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Şekil 10.</strongEnjektör> İki görüntü: meme upstream bölümü yavaş yavaş SAR karıştırıcı ilk yinelenen ünitesine girişinde bir yarık haline katkılı sıvı dairesel bir kesit vardır.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig11.jpg" alt="Figure 11."> Şekil 11.</strongLevha> Akışkanlar mansap</p><span class="pdflinebreak"</span<a><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig12.jpg" alt="Figure 12."> Şekil 12.</strong> Ikinci karıştırma bölümü ile 16 ardışık görüntülerin Diziler.</p>

Discussion

<p class="jove_content"> Manyetik rezonans görüntüleme karışım sıvı analizi için hızlı ve kantitatif bir yöntemdir. Ölçüm yapmak için bir kaç dakika sürer ve pozisyonun bir fonksiyonu olarak bölünmüş ve rekombinasyona mikserde sıvı konsantrasyonu sağlar. Bu teknik, karıştırma sorunları ve geometrileri geniş bir yelpazede uygulama için uygundur [<strong> 6-11</strong>]. Tekniğine Sınırlamalar nonmagnetic bir mikser inşa edilen ve kullanılan MRI ekipman ve malzemelerin en az bir veri elde etmek için yeterli bir sinyal sağlamak gerekir gerektiğini. Yeterli sinyal yeterli sayıda yoğunluklu bir NMR aktif çekirdeklerin gerektirir.</p><p class="jove_content"> MR da, katı ve sıvı, iki önemli ölçüde farklı reolojik özelliklere sahip sıvıların yanı sıra, tepki sistemleri karıştırma karıştırma ölçmek için kullanılabilir. Katıların bir sıvı içine karıştırma SAR mikser dışında farklı görüntü verecektir. Hızla katıların katı bileşeni sinyal bozunur karıştırma ve görüntülü değildir; dolayısıyla, sinyal sadece sıvı ve katı konsantrasyonu saf sıvı sinyaline göre sinyal kaybı türetilmiştir.</p><p class="jove_content"> MR karıştırma görüntüleri hesaplama karıştırma deneyler mükemmel bir test sunuyoruz. Görüntü verilerini ideal koşullar sıvı reolojik özellikleri ve sapmaların önemi hakkında fikir verir. Içinde<strong> Şekil. 12</strong> Sıvı ideal tekdüze katmanlardan gelen sapmalar açıktır. Görüntüler, böylece karmaşık akışların sayısal tahminleri ile doğrudan karşılaştırma için uygun ayarlar ayrıntılı veriler elde etti.</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)