خلط الكمي باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي

الهدف العام من التجربة التالية هو استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي كأداة قوية لتقييم عملية الخلط ومعدات التشغيل. ويتم تحقيق ذلك عن طريق دمج تيارين سائلين في خلاط استاتيكي بنظام الفصل وإعادة الدمج. ويتم الحصول على صور الرنين المغناطيسي عن طريق اختيار بروتوكول تصوير مناسب.

تسمح هذه الصور بتوصيف الخلاط. تم الحصول على نتائج الأداء لتطبيق ذي صلة بمنتجات العناية الشخصية، ولكن يمكن تطبيق هذا الإجراء على مجموعة واسعة من السوائل الغذائية والكيميائية والكتلة الحيوية والبيولوجية. وتتمثل الميزة الرئيسية لاستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي مقارنة بالتقنيات الأخرى، مثل الفيديو، في إمكانية رؤية المواد المعتمة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن المعلومات كمية، حيث يمكن حساب تركيزات المكونات ودرجة الخلط. تصوير عملية الخلط باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) يمكن أن يكون مفيداً للتحقق من صحة عمليات التصنيع ومحاكاة ديناميكيات السوائل الحسابية، وذلك من خلال مقارنات تفصيلية بين توزيعات التركيز المقاسة مكانياً وتوزيعات التركيز المحسوبة.

يتكون خلاط SAR من عدد من الصفائح المختلفة الموضوعة داخل أنبوب PVC. وتتكون كل صفيحة مقصوصة بالليزر من مادة PMMA وبسماكة 1.59 millimeters. وتحتوي كل صفيحة على مفتاح مستطيل يعمل على محاذاتها على طول قضيب أكريليك.

في أنبوب PVC، قد يكون البلاستيك شفافًا أو معتمًا. وتتميز الصفائح بتصميمات متنوعة تحتوي على فتحات تتدفق من خلالها السوائل. يتم وضع الصفائح داخل الأنبوب بنمط متكرر يؤدي إلى تكوين أنفاق تساهم في عملية الخلط.

يُستخدم السائلان اللذان يمران عبر صفيحة الأنبوب S لتدفق السائلين اللذين يدخلان النمط المتكرر. يتدفق أحد تيار السوائل في المركز، بينما يتدفق تيارا السوائل الآخران فوقه وتحته، بمعدل تدفق نسبي يبلغ 10 إلى 1.

بعد ذلك، تلتقي السوائل في قناة مفتوحة مكونة من ثماني صفائح من النوع C. ثم يتم فصل السوائل ماديًا إلى قناتين عموديتين بواسطة ثماني صفائح من الصفيحة I. يتكون القسم التالي من 16 صفيحة فريدة، تعمل على تدوير كل تيار سائل بزاوية 90 درجة عكس اتجاه عقارب الساعة. ثم يتدفق السائل عبر ثماني صفائح تعمل على تقسيم السوائل إلى قناتين أفقيين.

تنتهي الوحدة المتكررة بثماني صفائح ذات قنوات مفتوحة. وبشكل عام، تكررت هذه الوحدة ست مرات عبر أنبوب PVC. قم بتجميع نظام تدفق لضخ محلول carbo pole عبر القاسم المدمج والمزج الساكن المعاد دمجه، وبالبدء بوضع المازج في المغناطيس.

يُعد المغناطيس جزءًا من مطياف تصوير قائم على مغناطيس دائم بقوة 1 Tesla، وتبلغ ذروة قوة التدرج فيه 0.3 Tesla per meter، مع وجود غلاف مكعب تقريبًا قادر على التحكم في معدل تدفق الكتلة للسوائل المختبرة وتسجيله. بالإضافة إلى ذلك، يتم دمج محول ضغط قبل الخلاط لمراقبة الضغط، وملف تردد راديوي مكون من ملف لولبي بأربعة لفات في حالات الحجم الأسطواني ويكون ملائمًا تمامًا لأنبوب PVC. وأخيرًا، يتم توصيل محلولين متميزين بمداخل التدفق.

في هذا العرض التوضيحي، ستتكون المحاليل من الكارببول مع أو بدون كلوريد المنجنيز. قم بتحضير محلول الكارببول عن طريق نخل كمية موزونة من البوليمر ببطء في ماء منزوع الأيونات داخل خزان تقليب. قم بمعادلة محلول الكارببول باستخدام محلول هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 50% حتى يصل الرقم الهيدروجيني pH إلى سبعة.

تسمح عملية التعادل للمحلول بالوصول إلى أقصى لزوجة له مع انتفاخ البوليمر في الماء. ولتكوين الهلام، قم بتحضير محلول كاربوبول مطعم ثانٍ يحتوي على عامل تباين الرنين المغناطيسي كلوريد المنجنيز. ولتوصيف سلوك التدفق أو الريولوجيا، يتم استخدام هندسة مخروطية قياسية عند درجة حرارة سائل 25 °C لقياس لزوجة القص.

استخدم مسح إجهاد القص في الحالة المستقرة من 0.1 إلى 500 pascal في وضع LA rhythmic مع 10 نقاط لكل عقد عشري ونسبة تفاوت 5%. ثم قم بقياس الانفعال عبر مسح ترددي من 628 إلى 0.63 rad per second في وضع LA logarithmic مع 10 نقاط لكل عقد عشري. عند اختيار معلمات التصوير، نحتاج إلى مراعاة إجمالي نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الصورة بالإضافة إلى التباين وكثافة الإشارة بين المنطقة المطعمة والمنطقة المفتوحة.

في هذه الحالة، اخترنا تتابع صدى التدرج (gradient echo sequence)، واخترنا تركيزات من الـ. لمنحنا اعتماداً خطياً لشدة الإشارة على التركيز. لا يتضمن تتابع الرنين المغناطيسي تعويض التدفق.

لتجنب ظهور آثار حركية، يتم التصوير على سائل ساكن، وتستغرق مدة التصوير من دقيقة واحدة إلى أربع دقائق. أعد وضع الخلاط لتصوير الأحجام في مواقع محورية مختلفة. حرك أنبوب الخلاط محوريًا عبر المغناطيس حتى يصل الحجم المطلوب إلى مركز ملف NMR في مركز المغناطيس.

ثم كرر عملية التصوير. وأخيراً، قم بتحليل بيانات الرنين المغناطيسي (MR) باستخدام إجراءات تحليل الصور لتوثيق التوزيع المكاني لتركيزات المكونات. وفي هذا العمل، كانت الخواص المنطقية الحقيقية للمحلولين غير قابلة للتمييز.

تميزت الخصائص اللزوجة المرنة للمحاليل بخصائص نظام الهلام (gel system) حيث كانت قيمة معامل التخزين أكبر من معامل الفقد، وكان كل من المعاملين ثابتين إلى حد كبير. وازداد ميل الفقد بالنسبة للتخزين عند الترددات الأعلى، واتبع تأخر الطور المقابل ذلك الاتجاه لتقييم المساهمة النسبية للقوى اللزوجة في قوى القصور الذاتي أثناء التدفق. كما تم حساب أرقام رينولدز (Reynolds numbers) كمتوسط التدفق عبر الصفائح.

تشير هذه القيم، والتي تقل كثيراً عن 1.0، إلى أن القوى اللزجة كانت هي المهيمنة على قوى القصور الذاتي. وبالتالي، تمت عملية الخلط عن طريق التمدد والقص الصفائحي بدلاً من الاضطراب. ولتوضيح قوة تصور التدفق باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي MRI، تم اختيار النتائج التالية كصور في مواقع محورية مختلفة.

يقوم خلاط SAR بتقسيم التدفقات بشكل فعال وموحد كما هو موضح في صور صفائح H الموجودة في المصب من أقسام الخلط الأولى والثانية والثالثة. تضاعف عدد شرائط السائل المطعّم عبر كل قسم خلط. ويظهر تغيير عتبات قيم الصور زيادة في شرائط السائل المطعّم مع كل مرور عبر النموذج.

تظهر سلسلة من الصور خلال الدوران بزاوية 90 درجة عكس اتجاه عقارب الساعة في الخلاط كيف تتحول التدفقات الرأسية إلى تدفقات أفقية في عملية الخلط عبر النفق بأكمله. حيث يتضاعف تيارا المائع عدة مرات. عند محاولة إجراء هذه القياسات، من المهم تذكر أن زمن القياس يجب أن يكون قصيراً جداً مقارنة بالزمن اللازم لكي يؤثر الانتشار الجزيئي على توزيعات تركيز المكونات. وتعد هذه القياسات التجريبية للخلط مفيدة بشكل خاص لاختبار تأثير النماذج المكونة لريولوجيا الموائع المستخدمة في محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية للخلط، وفي الخلاط القائم على الفصل وإعادة الدمج.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي لدراسة توزيعات التركيز في خلاط ساكن.