Для домашней электросети некоторые защитные устройства и способы их подключения. Схема подключения УЗО без заземления предполагает установку устройств на отдельных линиях или общей на всей проводке, после главного автоматического выключателя и счетчика. Предпочтительно, чтобы устройство располагалось как можно ближе к источнику питания.

Обычно УЗО с большим номиналом (не менее 100 мА).Он используется в основном как противопожарный. После этого УЗО необходимо установить на отдельные линии с током отсечки не более 30 мА. Они обеспечивают защиту человека. Когда они срабатывают, легко обнаружить, где произошла утечка. Остальные разделы будут работать в обычном режиме. Несмотря на дорогостоящий способ подключения, все положительные факторы очевидны.

Для простой разводки с небольшим количеством разветвлений на входе можно установить УЗО на 30 мА, выполняющее функции защиты человека и в качестве противопожарного устройства.

Защитные устройства подключаются в основном в местах наибольшей опасности. Их устанавливают для кухни, где больше всего электроприборов, а также для ванной и других помещений с повышенной влажностью.

Важно! Схема подключения УЗО без заземления требует установки автоматического выключателя вместе с каждым устройством, так как устройства не защищают от короткого замыкания и увеличивают ток сверх нормы. Выключатель приобретается отдельно, но можно купить дифференциальный автомат, совмещающий функции обоих устройств.

Не подключайте провода к неправильным клеммам устройства. Если произойдет ошибка, она может выйти из строя.

Схема подключения однофазного УЗО без заземления допускает установку вместо него трехфазного устройства, но в этом случае используется только одна фаза.

Как работает УЗО при отсутствии заземления

При повреждении изоляции проводов или ослаблении крепления токоведущих контактов устройств возникает утечка тока, приводящая к нагреву проводки или искрообразованию, что приводит к опасность пожара.Если человек случайно коснется оголенного фазового провода, он может получить удар электрическим током, прохождение которого через тело в землю создает опасность для жизни.

Схема подключения УЗО без заземления в квартире или в доме обеспечивает непрерывное измерение тока на входах и выходах защитных устройств. Когда разница между ними превышает заданный предел, электрическая цепь разрывается. Обычно на охраняемом объекте делают заземление. Но может и не быть.

В старых домах советской постройки УЗО в цепях, где отсутствует защитный провод PE (заземление). От основной трехфазной сети дома к разводке квартиры подключается фазный провод и нулевой, который совмещен с защитным проводом и обозначается PEN. В трехфазной квартирной сети 3 фазы и PEN-проводник.

Система, объединяющая функции рабочего N и защитного заземляющего проводника, называется TN-C. От городской воздушной магистрали в дом вводится 4-х жильный кабель (3 фазы и нейтраль).Каждая квартира получает однофазное питание от межэтажной панели. Нейтральный провод совмещает в себе функции защитного и рабочего проводника.

Схема подключения УЗО в однофазной сети без заземления отличается тем, что при пробое и пропадании фазы на корпусе защита не сработает. Из-за отсутствия заземления ток отключения не будет течь, но потенциально опасный для жизни потенциал появится на устройстве.

Когда вы касаетесь электропроводящих частей корпуса электрического прибора для прохождения тока, в земле через тело создается электрическая цепь.
Если ток утечки ниже порогового значения, устройство тока будет безопасным для жизни. При превышении лимита УЗО быстро отключает линию от контакта с корпусом. Если он заземлен, цепь может быть отключена до того, как человек коснется корпуса, как только произойдет пробой изоляции.

Особенности подключения дифференциальной защиты в трехфазных сетях

В соответствии с ПУЭ установка УЗО в трехфазных сетях TN-C запрещена. Если электроприемник должен быть защищен, заземляющий провод PE должен быть подключен к PEN-проводу перед УЗО. Затем система TN-C конвертируется в систему TN-C-S.

В любом случае УЗО необходимо подключать для повышения электробезопасности, но делать это нужно по правилам.

Выбор УЗО

Дифференциальный автомат выбирается с мощностью на одну ступень выше, чем выключатель, подключенный к нему в одну линию. Последний рассчитан на работу с перегрузкой в ​​считанные секунды или минуты. УЗО такой же мощности на такие нагрузки не рассчитывается и может выйти из строя. Применяются маломощные устройства на ток не более 10 А, а мощные — более 40 А.

При напряжении в квартире 220 В выбирается двухполюсный прибор, при 380 В — четырехполюсный.

Важной характеристикой УЗО является ток утечки. В зависимости от его размера используйте устройство как противопожарное устройство или для защиты от поражения электрическим током.

Устройства имеют разную скорость работы. Если вам нужно высокоскоростное устройство, можно выбрать. Здесь 2 класса — S и G, где у последнего наибольшая скорость.

Устройство машины может быть электромеханическим или электронным. Для первого дополнительного питания не требуется.

По маркировке можно выделить вид тока утечки: AC — переменный, A — любой.

Ошибки при установке и эксплуатации УЗО

1. Не допускается подключение выходного нулевого провода УЗО к открытой зоне электроустановки или распределительного щита.
2. Нулевой и фазный проводники должны быть подключены через защитное устройство. Если нейтраль проходит через УЗО, оно будет работать, но могут произойти ложные срабатывания.
3. Если вы подключите ноль и землю к единственной клемме в розетке, УЗО будет работать непрерывно при подключении нагрузки.
4. Не допускается установка перемычки между нулевыми проводами нескольких групп потребителей, если к ним подключены отдельные защитные устройства.
5. Фазы подключаются к клеммам с маркировкой «L», а ноль — к «N».
6. Не включайте устройство сразу после работы. Сначала вам нужно найти и устранить проблему, а затем установить соединение.

Подключение УЗО без заземления в квартире

Пробой изоляции при отсутствии заземления приводит к появлению на корпусе устройства потенциала, опасного для человека.Утечка здесь произойдет только после прикосновения. В этом случае весь ток утечки будет проходить через тело до тех пор, пока не достигнет порогового значения и защитное устройство не отключит цепь.

Подключение УЗО к розеткам

Если есть система TN-C, подключите к нулевому проводу. Схема подключения УЗО без заземления для розеток предусматривает подключение нейтрали к боковому выводу 3. Тогда при пробое провода через него будет идти ток от корпуса устройства.Подключение следует производить на входе в квартиру.

Это нарушение правил, так как увеличивается вероятность поражения электрическим током. Если напряжение подается на нейтраль во внешней сети, оно появится на заземленных таким образом корпусах электрооборудования. Еще один недостаток этого метода — частое срабатывание защитного устройства при подключении нагрузок.

Это подключение не может быть выполнено самостоятельно. Если все сделано по стандарту, необходимо заказать проект изменения системы электроснабжения в соответствии с требованиями ПУЭ.По сути, это должно быть изменение системы на TN-C-S следующим образом:

• переход внутри квартиры от двухпроводной к трехпроводной сети;
• переход от внутридомовой четырехпроводной сети к пятипроводной;
• разделение PEN-проводника в электроустановке.

Жгут проводов для УЗО

При однофазном подключении УЗО без заземления проводка выполняется трехжильным кабелем, но третий провод к нулевым клеммам розеток и корпусов приборов не подключается до тех пор, пока система не будет обновлена ​​до TN-CS или TN-S.При подключенном PE проводе все токоведущие корпуса устройств будут находиться под напряжением, если на один из них выпадет фаза и нет заземления. Кроме того, емкостные и статические токи электроприборов суммируются, создавая опасность получения травм.

Не имея опыта монтажа электропроводки и электрического оборудования, проще всего приобрести адаптер с УЗО на 30 мА и использовать его при подключении к электрическим розеткам. Такой способ подключения значительно повышает электробезопасность.

Для электроприборов и розеток в ванной и других помещениях с повышенной влажностью необходимо установить УЗО на 10 мА.

Схема подключения УЗО в однофазной сети без заземления в частном доме

Домашняя сеть может быть такой же, как и в квартире, но здесь у хозяина больше возможностей.

Проще всего установить одно общее или несколько УЗО на основных линиях домашней сети на вводе. Для сложной сети подключаются несколько уровней защитных устройств.

Вводное УЗО 300 мА защищает всю проводку от возгорания. Кроме того, он может работать с полным током утечки по всем линиям, даже если утечка находится в пределах нормы.

Универсальные УЗО для работы от 30 мА устанавливаются за пожаротушением, и следующие линии должны быть ванной и детской комнатой с I = 10 мА.

Как подключить землю в частном доме

Можно сделать контур заземления и переоборудовать сеть в TN-C-S.Самостоятельно подключать заземление к нулевому проводу не рекомендуется. Если на нейтраль подать напряжение от внешней сети, это заземление может стать единственным для всех соседних домов. Если он некачественный, он может перегореть и стать причиной пожара. Желательно провести повторное заземление в месте отхода от ВЛ, что сводит к минимуму вероятность возникновения пожара в доме.

Подключение УЗО на даче

На даче схема подключения простая, а нагрузка — малая.Здесь подойдет схема подключения УЗО в однофазную сеть (фото ниже). УЗО выбрано на 30 мА (универсальное), с защитой от пожара и поражения электрическим током.

Схема подключения УЗО без заземления на даче требует установки основного ввода и пары автоматов для освещения и розеток. Если используется бойлер, его можно подключить через розетку или отдельный автомат.

Вывод

Схема подключения УЗО без заземления является распространенным способом защиты.Заземление также выполняет функцию защиты и должно быть правильно подключено. Важно обратить внимание на дополнительную защиту ванной и других помещений с повышенной влажностью. УЗО дорогое, но здесь важнее электробезопасность. В сложных схемах подключения целесообразно устанавливать несколько ступеней защиты с селективным срабатыванием УЗО низкого уровня.

Важно понимать, что УЗО — единственный тип устройств, предназначенный для защиты человека от электрического тока.

обеспечим безопасность своими руками

Без бытовых электроприборов современный комфорт наших домов уже немыслим, но они также могут стать источником опасности для жилья в случае пожаров и для нашего здоровья и даже жизни в случае пожаров. поражения электрическим током. Беспристрастная статистика утверждает, что причиной каждого третьего возгорания является возгорание электропроводки, которое может возникнуть из-за ее перегрузки, появления искры при коротком замыкании, а также повреждения изоляции или некачественной проводки.Для повышения безопасности жилых помещений и людей от поражения электрическим током и пожаров уже некоторое время используются защитные устройства узо: их схема подключения может охватывать всю квартиру или обслуживать только одну линию. Если подключение производится узко по первому варианту, то в случае аварии в любой точке разводки отключается от электросети весь дом, а во втором варианте питание отключается только на вышедший из строя прибор.

Содержание

• Назначение и задачи УЗО
• Типы автоматов защитного отключения
• Принцип действия, функции
• Схема подключения устройства
• Ошибки при подключении УЗО
• Правила безопасности Эксплуатация электрики

Назначение установки и задачи устройства защитного отключения

Прежде чем рассматривать узкие типы — принцип действия и особенности использования, следует понимать, что устройство защитного отключения является лишь дополнительным устройством. , но не панацея от любых нештатных ситуаций, не связанных с утечкой тока.

Установка узо значительно повышает уровень безопасности электроприборов, но не исключает полностью возможность возгорания или поражения электрическим током при коротком замыкании между нейтралью и фазами, на которые она не реагирует.

Аппарат тоже не сработает, даже если человек находится под напряжением, одновременно касаясь пальцем фазного и нулевого проводов. Нет разницы между протеканием тока по проводам под нагрузкой и через тело человека, а потому создать защитные устройства от таких прикосновений невозможно.В этом случае остаются эффективными традиционные защитные меры: отключение прибора перед обслуживанием, токонепроводящие крышки, изоляция.

Устройство защитного отключения Uzo — это дополнительное защитное устройство, которое не заменяет предохранители для максимальной токовой защиты.

Важно помнить!

Устройство защитного отключения Uzo — это дополнительное защитное устройство, которое не заменяет предохранители для защиты от сверхтоков. Узо реагирует только на неисправности, не связанные с утечкой тока, например, при коротком замыкании.Поэтому установку узо следует проводить только вместе с предохранителями — автоматами защиты.

Типы автоматов защитного отключения

Для предотвращения аварийных ситуаций в электроприборах, пожаров и поражения людей электрическим током в цепях электроснабжения зданий любого назначения устанавливаются специальные защитные устройства, которые условно можно разделить на следующие виды :

УЗО — выключатели дифференциального тока

• АВ — выключатели автоматические;
• УЗО — выключатели дифференциального тока;
• ДАВ — выключатели дифференциальные;
• УЗО-Д — выключатели дифференциального тока со встроенной защитой от токов короткого замыкания или сверхтоков.

Комбинированные защитные устройства УЗО-Д, или дифференциальные автоматы, снабжены индикацией, которая быстро определяет причину срабатывания устройства — сверхтоки или дифференциальные токи. И УЗО, и УЗО-Д выполняют одни и те же защитные функции, перечисленные ниже, но УЗО-Д является более современным и продвинутым устройством:

1. Оба устройства повышают безопасность электроприборов и электроинструментов.
2. Оба устройства одинаково предотвращают возгорания из-за возгорания изоляции токопроводящих элементов электроприборов от дифференциального дифференциального тока на землю.
3. Устройство УЗО-Д, в отличие от УЗО, отключает отдельный участок электросети при перегрузке (ТК — токовая защита) или коротком замыкании, то есть перегрузках по току (МТЗ — максимальная токовая защита).

УЗО-Д — выключатели дифференциального тока со встроенной защитой от токов короткого замыкания или сверхтоков

Правилами электроустановок также регламентируются характеристики более узких, устанавливаемых в бытовых однофазных сетях с напряжением 220 вольт, а именно ток отключения не должен быть более 30 мА, а время отклика не должно превышать 40 мс (миллисекунд) — эти значения указаны на этикетке устройства.Некоторые производители также выпускают более чувствительные узо с токами отключения 10-30 мА для использования в помещениях с повышенной аварийной и пожарной опасностью. В то же время существуют устройства УЗО с токами отсечки 100-300 мА и более, предназначенные для использования на больших площадях, например, в производственных помещениях и вычислительных центрах. УЗО с низкой чувствительностью выполняют только задачу противопожарной защиты, но не способны эффективно защитить человека от поражения электрическим током. Низкий порог чувствительности устройств УЗО в этом случае может привести к частым ложным отключениям.

При установке автоматов защитного отключения в жилых помещениях необходимо соблюдать следующую маркировку чувствительности устройств:

• 10 мА — УЗО, предназначенное для очень влажных и влажных помещений (бани, сауны, бассейны, душевые и ванные комнаты).
• 30 мА — УЗО для жилых, хозяйственных и других помещений с нормальной влажностью.

Важно помнить!

На групповых цепях во избежание ложных срабатываний устанавливается УЗО на 30 мА.У одиночных потребителей стиральная машина или плита следует устанавливать УЗО на 10 мА. Для приборов, устанавливаемых в помещениях с очень высокой влажностью, установка индивидуального узо с током отключения 10 мА обязательна!

Любое УЗО предназначено для подключения определенной нагрузки к сети и максимальная сила тока указана на этикетке устройства. При подключении защитного устройства остаточного тока одновременно с предохранителем необходимо выбрать узо с большей силой тока, чем у автоматического предохранителя.

Принцип действия, функции

Автоматические выключатели AB, или предохранители, фиксируют возникновение сверхтоков в сети, которые приводят к перегреву проводника или возникновению короткого замыкания. Когда в сети возникает перегрузка, AV отключает ее от источника питания, тем самым защищая от пожара и выхода из строя электрооборудования.

Устройства защитного отключения УЗО регистрируют нарушения изоляции проводки или электрооборудования, сравнивая параметры электрического тока на входе в сеть и на выходе из нее.Если эти параметры не совпадают, сеть отключается от источника питания и выполняется функция защиты человека от поражения электрическим током в случае возможного контакта с неизолированным участком проводки и предотвращения возгорания.

В соответствии с правилами, УЗО подбирают по чувствительности (10-30 мА) и номинальному току, который определяется в зависимости от суммарной мощности всех электроприборов. Поскольку номинальный ток намного ниже соответствующего показателя автоматического выключателя AB, УЗО не могут защитить от короткого замыкания или перегрузки по току.

Схема подключения устройства

Есть только один вариант, как подключить узо, если речь идет о надежном стационарном устройстве: сразу после счетчика, поскольку он должен защищать всю проводку в доме. При установке УЗО в цепь электропитания дома необходимо соблюдать следующие правила:

1. нейтральный провод должен быть подключен к соответствующей клемме УЗО, обозначенной символом N, а выходные провода подключены в соответствии с маркировкой на корпус УЗО;
2. УЗО подключаются последовательно после входного выключателя, номинальный ток которого меньше соответствующего тока выключателя дифференциального тока;
3. с двухпроводной схемой питания, в которой заземляющий провод не предусмотрен, использование УЗО жизненно необходимо, так как конструкция устройства, не нуждающаяся в заземлении, значительно повысит уровень электробезопасности всего дома.

Правильно подключенное устройство защитного отключения — схема:

Схема подключения УЗО к нескольким независимым линиям

Совет: Традиционно подводящие провода к устройствам обычно подключаются сверху, хотя это правило не связано с техническими причинами. Для повышения уровня безопасности рекомендуется, по крайней мере, на распределительном щите, а желательно в пределах объекта в целом, подавать питание на устройства одинаково: либо везде сверху, либо везде снизу.

Конечно, более экономичный способ подключения защитного устройства к цепи — это установка одного устройства по всему дому. Но в этом случае при утечке тока в одной точке цепи УЗО отключит все питание здания.

Намного удобнее, хотя и дороже, другой способ установки выключателей дифференциального тока на отдельных линиях: для спальни, кухни, ванной, детской и т. Д. При такой схеме в случае аварии на одной из линий, дом не останется без электричества.

Правда, не во всех случаях можно установить на распределительный щит более одного УЗО, а если дом и проводка в нем слишком старая, то прибор тоже может создавать проблемы в виде частых ложных отключений электроэнергии.

Розетки со встроенным УЗО

Если по каким-либо причинам установка стационарного защитного устройства нежелательна или нежелательна, можно розетки со встроенными УЗО или оборудовать электроприборы такими же вилками. Причем узкие розетки можно установить навсегда вместо старых или воткнуть в уже существующие, как переходник.

Вилка со встроенным УЗО

Следует отметить, что сэкономить на узких розетках и узких вилках не удастся: их стоимость почти в три раза превышает стоимость обычных УЗО, предназначенных для подключения к распределительному щиту.

Ошибки при подключении УЗО

Часто при подключении устройств защитного отключения самостоятельно при ремонте или строительстве своего жилья домовладельцы допускают одни и те же ошибки. Следующие ниже схемы неправильного подключения защитных устройств к цепи позволят каждому избежать досадных ошибок, тем самым повысив безопасность электроснабжения своего дома.

При подключении двух УЗО к силовой цепи их нейтральные проводники перепутаны

Фото на схему 1

Параллельное соединение нулевых проводов УЗО

Фото на схему 2

Ошибка подключения нейтральный провод к прибору

Фото к схеме 4

Важно помнить!

Не допускается установка устройств УЗО на линиях питания систем пожарной или иной сигнализации.В частных домах перед УЗО устанавливают ограничители перенапряжения, или грозозащитные устройства.

Правила безопасной эксплуатации электриков

• Установка выключателей и электроприборов в помещениях с повышенной влажностью без подключения УЗО с чувствительностью 10 мА чревата серьезным поражением электрическим током вплоть до смертельного исхода.
• Нельзя по собственной инициативе подключить нулевой провод от УЗО к имеющемуся в доме заземлению: повторное заземление питающих линий — это компетенция энергоснабжающей организации.
• Неправильно заземленный нейтральный проводник может вызвать несчастные случаи на линии питания: отсутствие контакта, обрыв или выгорание нейтрального провода, перекрытие проводов на воздушной линии и т. Д., Что может стать причиной пожара.
• При проведении работ по электромонтажу, особенно в старых домах, необходимо отключить питание соответствующей линии или лучше отключить общий квартирный или домашний автоматический выключатель.

С огромным количеством бытовой электроники, электроприборов и компьютеров в каждом современном доме, электрические сети испытывают очень большую нагрузку, и поэтому установка в них устройств защитного отключения питания жизненно важна.Какими бы дорогими ни были современные защитные устройства, экономить на них не стоит, ведь стоимость устройств и особенно цена человеческой жизни несоизмеримы с этими необходимыми затратами.

Перфторуглеродные наноэмульсии, покрытые полипирролом, в качестве звуко-фотоакустического контрастного агента

Abstract

Представлен новый контрастный агент для комбинированной фотоакустической и ультразвуковой визуализации. Он имеет жидкое перфторуглеродное (PFC) ядро ​​диаметром около 250 нм, покрытое эмульсией полимерной оболочки, легированной тонким полипирролом (PPy), толщиной 30 нм, которая представляет собой широкополосный поглотитель, покрывающий видимый и ближний инфракрасный диапазоны (максимальное оптическое ослабление при 1050 нм).При воздействии оптического или акустического импульса достаточно высокой интенсивности капли испаряются, образуя микропузырьки, что значительно увеличивает чувствительность и специфичность изображения. Порог активации контрастного вещества может быть значительно снижен до двух порядков, если одновременно воздействовать на них оптическими и акустическими импульсами. Выбор основных жидкостей PFC с низкими температурами кипения (например, перфторгексан (56 ° C), перфторпентан (29 ° C) и перфторбутан (−2 ° C)) облегчает активацию и снижает порог активации контрастных веществ эмульсии с полипропиленовым покрытием до приемлемых уровней. в пределах клинической безопасности (всего 0.2 МПа при 1 мДж / см ² ). Наконец, потенциальное использование этих наноэмульсий в качестве контрастного вещества продемонстрировано в серии исследований фантомной визуализации.

Ключевые слова: Фотоакустика, соно-фотоакустика, наноэмульсии, пузырьки, контрастные агенты, кавитация

Контрастные агенты для визуализации и терапии — растущая область в сообществах ультразвуковой (США) и фотоакустической (PA) визуализации ^1–4 . В США микропузырьки исследуются для визуализации сосудов, доставки лекарств, а также лечения на основе кавитации ^5–8 .Обычно размер микропузырьков составляет от 1 до 10 мкм в диаметре. Из-за растущего интереса к комбинированным терапевтическим и диагностическим (т.е. тераностическим) агентам, была проведена обширная работа по уменьшению размера пузырьков до субмикрометрового диапазона, чтобы улучшить проникновение агента в пораженную ткань и воспользоваться преимуществом эффекта повышенной проницаемости и удерживания (EPR) . Однако создание стабильных нанопузырьков в настоящее время представляет собой серьезную проблему из-за их низкой стабильности ^5,9–11 .

В последние годы контрастные вещества с фазовым переходом появились как альтернатива микропузырькам из-за их более длительного времени рециркуляции, стабильности и относительной простоты производства в качестве наноагента ^12–14 .Эти наноэмульсии могут быть синтезированы с использованием тех же перфторуглеродных газов (ПФУ) с низкой температурой кипения, что и в микропузырьках США, но с использованием большого давления Лапласа для подавления спонтанного кипения ^14,15 . Капли жидкой эмульсии акустически прозрачны. Однако при воздействии акустического импульса достаточно высокой интенсивности они претерпевают фазовый переход, приводящий к образованию микропузырьков ^16–18 . Образующиеся пузырьки обычно более чем в 100 раз больше по объему, чем исходные капли ^19–22 .Этот подход был придуман акустическим испарением капель (ADV). Само событие, а также образовавшиеся пузыри могут использоваться как для визуализации, так и для терапии. Несколько исследований продемонстрировали преимущества ADV в усилении контрастности, доставке лекарств и терапии ^22–25 .

Совсем недавно было синтезировано несколько составов капель ПФУ с фазовым переходом для включения оптически поглощающих наночастиц или красителей для оптического испарения капель (ODV) ^26–32 . Оптические поглотители, связанные с каплями, обеспечивают линейный фотоакустический отклик.Однако при воздействии оптического импульса достаточно высокой интенсивности капли испаряются из-за фототермического нагрева соответствующего оптического поглотителя для образования микропузырьков и усиления нелинейного PA-сигнала, обеспечивая значительно больший PA-сигнал, чем от обычных линейных PA-агентов. , даже в гораздо более низких концентрациях ^26,33 . В дополнение к диагностической визуализации, PA-агенты на основе капель показали многообещающие результаты в фототермической терапии и разрушении сгустков ^34,35 .

Хотя контрастные вещества на основе капель являются многообещающими, высокий порог испарения по-прежнему представляет собой серьезный барьер для многих приложений PA и US. Несколько исследований подтвердили, что пороговое значение ADV может достигать 5 МПа, в то время как несколько составов капель PA требуют для активации плотности энергии лазера до 400 мДж / см. Во многих случаях давления и оптическая плотность энергии, необходимые для инициирования процесса испарения капель, превышают пределы FDA и ANSI для диагностических целей.

Новая стратегия контрастных агентов на основе капель, названная соно-фотоакустикой (SPA), была разработана для значительного снижения интенсивности, необходимой для испарения капель нанометрового размера ^26,33 . Этот метод основан на передаче акустического импульса, за которым следует задержанный лазерный импульс, так что акустические и оптические импульсы перекрываются в интересующей области. Комбинация акустического отрицательного давления и нагрева фототермического агента приводит к нелинейному снижению порога испарения по сравнению с порогом испарения любого источника энергии независимо.В первой демонстрации SPA-визуализации использовалась эмульсия Пикеринга с ядром капли перфторгексана, украшенным оболочкой наночастиц золота ²⁶ . По сравнению с порогами ADV и ODV, пороги SPA были значительно снижены до 1,5 МПа на 1,24 МГц и 0,6 мДж / см ² при 750 нм ²⁶ . Кроме того, SPA-визуализация показала превосходное усиление контраста и специфичность при пикомолярных концентрациях агента, уровень, недостижимый с обычными фотоакустическими контрастными агентами на основе наночастиц ²⁶ .В дополнение к диагностической визуализации тот же контрастный агент SPA продемонстрировал потенциал в качестве терапевтического агента для лизиса сгустков в лабораторных экспериментах ³⁴ . Несмотря на то, что эти результаты являются многообещающими, клиническая трансляция потребует расширения спектров оптического поглощения до ближнего инфракрасного (NIR) диапазона (> 800 нм), чтобы еще больше снизить собственное оптическое затухание тканей и возможное связанное с ними повреждение.

В этом исследовании мы представляем новый тип оптически и акустически чувствительного контрастного вещества с фазовым переходом с широким оптическим поглощением, охватывающим как видимый, так и ближний ИК-диапазоны.Они имеют ядро ​​из жидкого PFC с низкой температурой кипения, стабилизированного оптически поглощающей полимерной оболочкой из полипиррола (PPy). Сначала представлены методы синтеза агентов, после чего дается обширная физическая характеристика контрастного агента. Порог активации контрастного вещества с покрытием PPy измеряется как функция акустического давления, плотности энергии лазерного излучения и материала сердцевины PFC. Наконец, SPA-визуализация с использованием контрастных агентов, покрытых PPy, продемонстрирована на фантоме трубки, а также на куриной грудке in vitro в качестве модели биологической ткани.

Размер контрастных веществ на основе эмульсии, покрытых полипропиленом, в значительной степени определяется начальным размером капель эмульсии, используемых в качестве темплатов. Синтез агента был адаптирован из предыдущих методов для наночастиц PPy, как показано в ^40,41 . Хотя механические подходы, такие как эмульгирование под высоким давлением и обработка ультразвуком, могут привести к распределению монодисперсных капель порядка ~ 350 нм в диаметре, метод узо дает капли значительно меньшего диаметра ().Распределение размеров капель в результате гомогенизации под высоким давлением привело к среднему диаметру 357 нм и индексу полидисперсности (PDI) 0,10. Хотя распределение капель может быть дополнительно уменьшено за счет последовательных стадий гомогенизации, ожидается, что потери от испаряющихся капель снизят выход. Измерения плотности до и после гомогенизации показали, что до 90% ПФУ может быть потеряно из-за нежелательного испарения. Напротив, использование подхода узо для спонтанного зарождения капель позволило получить эмульсии со средним диаметром 184 нм (PDI = 0.081). В эмульсиях, синтезированных с помощью спонтанного зародышеобразования, не наблюдались измеримые потери ПФУ. Более того, эффективное производство эмульсий ПФУ с низкой температурой кипения с использованием подхода узо было возможным, поскольку для образования этих капель не требовалось никаких механических сил, которые могли бы вызвать нагревание и нежелательное испарение ПФУ.

Блок-схема, иллюстрирующая метод синтеза частиц полипиррола (PPy) (нижний путь) и эмульсий, покрытых PPy (верхний путь). Поливиниловый спирт (PVA) добавляется к эмульсии перфторуглерода (PFC), и он адсорбируется на границе раздела масло-вода, что приводит к стабилизации.Последующее добавление хлорида железа (III) в раствор приводит к образованию комплексов железо-ПВС на границе раздела нефть-вода. При добавлении мономера пиррола ионы железа (III) вызывают локализованную окислительную полимеризацию полипиррола (PPy) и образование эмульсии PFC типа ядро-оболочка. В одновременном процессе (нижний путь) окислительная полимеризация PPy также может происходить, когда в растворе присутствует избыток комплексов железо-PVA, приводящий к образованию твердых частиц PPy (т.е.е. без сердечника PFC). Эмульсии легко отделяются от избыточных частиц PPy центрифугированием. На вставке (внизу слева) показаны образцы эмульсии до и после полимеризации покрытия PPy. Способ получения эмульсий с покрытием PPy был адаптирован из предыдущих для получения наночастиц PPy ^40,41 . Любой метод получения жидкой эмульсии PFC (например, обработка ультразвуком, гомогенизация и спонтанное зародышеобразование) может быть использован для создания SPA агентов.

(A) распределение частиц по размерам при динамическом рассеянии света (DLS), (B) спектры оптической экстинкции, (C) малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) и (D) изображение PPy- покрытые контрастными веществами.(A) Контрастные вещества эмульсии, покрытые полипропиленом, синтезированные с использованием гомогенизации под высоким давлением, дают наноэмульсии диаметром 300–400 нм. Самопроизвольное образование зародышей капель эмульсионных контрастных агентов с полипропиленовым покрытием может легко привести к образованию более мелких монодисперсных капель. Показанные гомогенизированные капли имеют размер 357 нм (индекс полидисперсности (PDI) = 0,102), тогда как капли, синтезированные узо, имеют диаметр 184 нм (PDI = 0,081). (B) Контрастные вещества на основе PPy демонстрируют оптическую экстинкцию на частицу, сравнимую с наночастицами золота, с дополнительным преимуществом более широкого спектра оптической экстинкции в ближнем ИК-диапазоне, закрывающего оптическое диагностическое окно для фотоакустической визуализации in vivo.(C) Профили SAXS показывают аналогичные картины рассеяния между эмульсиями с покрытием PPy, синтезированными с различными концентрациями пиррола, которые также заметно отличаются от рассеяния от твердых частиц PPy. Линия, показанная на панели C, подчеркивает перегиб, соответствующий толщине оболочки эмульсий с покрытием из полипропилена. Согласно аппроксимации данных МУРР, когда концентрация пиррола снижается с 43 мМ до 4,3 мМ, толщина оболочки уменьшается с 41,1 нм до 33,3 нм. Профили SAXS образца частиц были сдвинуты на два десятилетия вниз, в то время как профили 8.Профили 6, 22 и 43 мМ были сдвинуты на 1, 2 и 3 декады выше кривой 4,3 мМ для облегчения визуализации. Эмульсии отделяли от избыточных частиц центрифугированием, удаляя надосадочную жидкость, содержащую избыточные частицы, и ресуспендировали осажденную эмульсию в фильтрованной деионизированной воде.

Важно отметить, что спектрофотометрические измерения образцов PPy в ультрафиолетовой и видимой области (UV-Vis) также показывают широкое оптическое ослабление, охватывающее как видимый, так и ближний инфракрасный (NIR) диапазоны. Оптическая экстинкция агентов на основе PPy была нормализована в соответствии с концентрацией мономера пиррола, используемой для синтеза.После нормализации оптической экстинкции, экстинкция агентов на основе PPy была больше, чем экстинкция наночастиц золота в расчете на один ион в ближнем ИК-диапазоне (> 800 нм). Сходство в нормированных значениях оптической экстинкции между частицами PPy (без ядра PFC) и нефильтрованными эмульсиями, покрытыми PPy (с ядром PFC), указывает на то, что оптические свойства определяются присутствием PPy. Хотя ПЭМ-изображение показало, что были сформированы полностью покрытые эмульсии PPy PFC, одновременно было синтезировано значительное количество твердых частиц PPy ().Эти частицы не склонны к кавитации, но все же поглощают значительную часть падающего света, поэтому их следует удалить для повышения эффективности. К счастью, центрифугирование оказалось простым методом удаления избыточных частиц для получения дисперсий чистой эмульсии (см. Дополнительный рисунок S1). После очистки оптическое ослабление эмульсионных контрастных агентов, покрытых полипропиленом, все еще было сильным в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Небольшое увеличение экстинкции в УФ-диапазоне, вероятно, вызвано повышенным рассеянием от более крупных эмульсий.По мере уменьшения концентрации пиррола (пропорционально уменьшаются также ПВС и железо) пиковая оптическая экстинкция в ближнем ИК-диапазоне уменьшается. Не наблюдалось заметных различий в нормализованных УФ-видимых спектрах между образцами эмульсии PPy, полученными с использованием различных PFC, или между гомогенизированными и синтезированными узо каплями.

ПЭМ-изображения показывают, что PPy инкапсулирует каплю PFC в структуру ядро-оболочка (). Более того, изображения эмульсий с помощью просвечивающего электронного микроскопа позволяют предположить, что толщина стенок полипропилена, покрывающего капли, по размеру аналогична диаметру твердых частиц полипропилена.Профили рассеяния частиц PPy по сравнению с эмульсиями, покрытыми PPy, полученными с помощью SAXS, демонстрируют, что частицы и эмульсия имеют одинаковый размер (пунктирная красная линия). Эта особенность, выделенная в, подтверждает, что покрытие PPy вокруг капель сопоставимо по размеру с диаметром частицы PPy. Подбор модели профилей МУРР руководствовался результатами DLS (то есть диаметром частиц) и наблюдениями, сделанными на изображениях ПЭМ (то есть структурой ядро-оболочка). Модель твердой сферы использовалась для подбора твердой частицы PPy, в то время как модель ядро-оболочка использовалась для подбора профилей рассеяния образца эмульсии с покрытием PPy в диапазоне q, равном 0.4 — 0,35 Å ⁻¹⁴² . Плотность длины рассеяния (SLD) растворителя (воды) была зафиксирована на уровне 9,44 × 10 ⁻⁶ Å ⁻² , в то время как SLD полипиррольной частицы была зафиксирована на уровне 8,6 × 10 ⁻⁶ Å ^−2. . Подгонка предполагает средний диаметр частиц приблизительно 50,4 нм со средним PDI 0,13. Диаметры частиц, оцененные из файлов профилей SAXS, хорошо согласуются с ранее опубликованными измерениями частиц ^40,41 .

Для подгонки модели ядро-оболочка эмульсий с покрытием из полипропилена SLD растворителя (воды), жидкого ядра PFC и полипиррольной оболочки было зафиксировано на 9.44 × 10 ⁻⁶ Å ⁻² , 12,9 × 10 ⁻⁶ Å ⁻² и 8,6 × 10 ⁻⁶ Å ⁻² соответственно. Используя измерения DLS эмульсий (то есть известный диаметр), и SAXS частиц PPy подходит в качестве ориентира, диаметр ядра эмульсии, покрытого PPy, был ограничен 200-400 нм в диаметре, в то время как диаметр оболочки был ограничен 20-50 нм в диаметре. толщина. Хотя диаметр частиц, по-видимому, немного уменьшался с уменьшением концентрации PPy, диаметры эмульсионных агентов были почти постоянными при испытанных концентрациях PPy.Соответствие модели ядро-оболочка привело к постоянному среднему диаметру внутреннего ядра жидкого ПФУ в диапазоне от 226 нм до 244 нм в диаметре. Согласно модели, толщина оболочки PPy на каплях увеличивалась с 33,3 нм до 41,1 нм в соответствии с концентрацией пиррола, которая использовалась во время синтеза.

Соно-фотоакустические измерения порога кавитации для недавно предложенных эмульсий ПФУ с покрытием из полипропилена сравнивались с таковыми из дегазированной воды, твердых частиц полипропилена (т.е. без ядра ПФУ) и эмульсий полипропилена без покрытия (т.е.е. только жидкая эмульсия ПФУ). Все измерения проводились на установке, показанной на рис. Порог кавитации для частиц PPy и чистой дегазированной воды был измерен как около 10 МПа, при этом почти не зависит от плотности энергии лазерного излучения ниже 10 мДж / см ² ().

(A) Схема установки, используемой для акустико-фотоакустических (SPA) измерений порога кавитации. (B) Порог кавитации эмульсионных контрастных агентов, покрытых полипропиленом. (C) Средняя интенсивность кавитационного сигнала как функция отрицательного давления для плотности энергии лазера 9 мДж / см ² .События кавитации инициировали с помощью импульсного лазера с длиной волны 1064 нм и сферически сфокусированного ультразвукового преобразователя 1,24 МГц. Кавитация контрастных веществ эмульсии PPy создает временно колеблющиеся пузырьки перфторуглерода, которые можно использовать для визуализации с контрастным усилением или терапии. Порог кавитации (или активации) для контрастных агентов эмульсии PPy значительно ниже, чем у воды или частиц PPy (без ядра PFC). Порог кавитации для эмульсий PPy снижается, поскольку в качестве материала сердцевины используются PFC с более низкой температурой кипения.Никаких значительных различий в пороге и интенсивности кавитации не наблюдалось при использовании эмульсий PPy с одним и тем же ядром PFC, но с разными методами эмульгирования (т.е. гомогенизация по сравнению с зародышеобразованием узо).

Все контрастные вещества эмульсии, покрытые PPy, обеспечивали гораздо более низкие пороги кавитации (активации) с гораздо более сильной зависимостью от плотности энергии лазерного излучения, чем только частицы PPy. Как и ожидалось, порог активации снижался по мере того, как материал ядра PFC снижался от самой высокой точки кипения PFC (PFH, T _{, кипение} = 56 ° C) до самой низкой точки кипения PFC (PFB, T _{, кипящая} = -2 ° C) (См. Дополнительный рисунок S2).Конкретный метод синтеза эмульсии (то есть узо или гомогенизация под высоким давлением) не влиял на порог активации и интенсивность сигнала. Пороги активации эмульсий PFC без покрытия измеряли в качестве контроля для оценки вклада фототермического нагрева ядра эмульсии от оптического поглощения PPy. Хотя образцы эмульсии без покрытия обеспечивали более низкие пороги кавитации, чем вода и частицы PPy, аналоги эмульсии с покрытием PPy были гораздо более чувствительны к свету (см. Дополнительный рисунок S2).Важно отметить, что относительное усиление сигнала, генерируемого активацией капли SPA, значительно больше, чем у чистой воды или отдельных частиц, при большинстве давлений и плотностей лазерной энергии (). Интенсивность сигнала, генерируемого контрастными агентами с покрытием PPy, содержащими PFB и PFP, также была постоянно выше, чем у контрастных агентов с покрытием PPy, содержащих PFH, перфторуглерод с более высокой температурой кипения.

Интересно, что в зависимости от рабочих условий, капли без покрытия с ядром PFC с низкой точкой кипения имели более низкий порог, чем капли с покрытием PPy с перфторуглеродом с более высокой точкой кипения.Относительная важность точки кипения ПФУ по сравнению с оптическим поглощением оболочки из полипропилена зависит от условий эксплуатации. При экстремальном сценарии почти полного отсутствия оптической плотности энергии фототермический нагрев играет небольшую роль в пороге испарения, и перфторуглерод без покрытия с низкой температурой кипения может иметь более низкий порог, чем агенты с покрытием из PPy, из-за его очень нестабильной природы (например, PFB без покрытия по сравнению с покрытием PFH на дополнительном рисунке S2A). Это вызвано повышенной стабильностью, которую обеспечивает эластичная оболочка из полипропилена.Следовательно, при низкой интенсивности света природа перфторуглерода (летучесть) перевешивает абсорбционные свойства оболочки. Однако, если оптическая плотность энергии увеличивается, относительное давление, необходимое для инициирования активации SPA, уменьшается намного больше для капель с покрытием PPy, чем для капель без покрытия. При очень высокой плотности энергии лазерного излучения можно видеть, что даже перфторуглерод с покрытием из PPy с самой высокой точкой кипения будет иметь более низкий порог активации, чем капли без покрытия с низкой точкой кипения (самая высокая летучесть) (например.г. PFH с покрытием PPy по сравнению с PFB без покрытия выше 15 мДж / см ( ² ). Относительная важность оптического поглощения по сравнению с летучестью перфторуглеродного ядра, таким образом, представляет собой нелинейное сочетание двух свойств и будет варьироваться в зависимости от уровней оптической плотности энергии и акустического давления, которые подводятся к агентам.

Для проверки SPA-визуализации с использованием контрастных агентов на основе эмульсии с покрытием PPy, четыре образца в тонкостенных пластиковых трубках были визуализированы в тандеме (): целлюлоза, частицы PPy (8.1 нМ), эмульсии ПФП, покрытые полипропиленом (0,65 пМ), и вода. Образцы возбуждали двухцикловым акустическим импульсом и облучали при оптической плотности энергии 2 мДж / см ² в дегазированной водяной бане при комнатной температуре (20 ° C). Обычная УЗИ-визуализация, показывающая границу четырех образцов рядом с целлюлозой, имеющей наибольший УЗ-контраст из-за линейного акустического рассеяния (). Обычная визуализация PA показывает четкий сигнал PA от границ как частиц PPy, так и образцов эмульсии PFP, покрытых PPy ().Хотя PA-сигнал генерируется из всего объема образцов PPy-частиц и PFP-эмульсии, покрытых PPy, восстановленное изображение показывает только верхнюю и нижнюю границы из-за ограниченной апертуры преобразователя и ограниченной полосы частот ^43,44 . Отсутствие сигнала PA от образцов пробирок, заполненных целлюлозой и водой, подтверждает, что сигнал PA не является результатом поглощения света внутри трубки.

Панели изображений сравнивают изображения и увеличение контрастности от (A) фотоакустических (PA) изображений и соно-фотоакустических (SPA) изображений при (B) низком давлении по сравнению с (C) высоким давлением.Изображения были получены с использованием пакета 3 МГц от линейного массива (ATL L7-4) в паре с настраиваемым бифуркационным пучком оптических волокон размером 1 мм × 15 мм, используемым для доставки лазерных импульсов (см. Панель D). Время лазерного выстрела относительно получения ультразвука контролировалось с помощью программируемой ультразвуковой системы. Цветные изображения были нормализованы по максимальному сигналу на панели C и наложены на ультразвуковые изображения с серой шкалой (УЗИ). Четыре образца слева направо — целлюлоза, частицы PPy в воде (8.1 нМ), контрастное вещество эмульсии PFP PPy (0,65 пМ) и пробирка, содержащая деионизированную воду. Целлюлоза обеспечивала наибольшее рассеивание УЗ в пробирке (шкала серого). Хотя сигнал PA создавался как частицами PPy, так и эмульсиями, покрытыми PPy, только эмульсии, покрытые PPy, давали сигнал SPA. Традиционные изображения УЗИ и ПА обеспечивают линейный сигнал, который масштабируется с интенсивностью переданного сигнала и плотностью поглощенной энергии, соответственно, который удаляется из изображений SPA (видно при сравнении панелей A и B).Для эмульсий PPy, когда объединенная энергия от лазера и US превышает порог кавитации, контрастный агент испаряется, создавая нелинейный сигнал. Нелинейное усиление контраста SPA от эмульсий PFP, покрытых PPy, сравнивали с получением контрастного изображения PA частиц PPy (без ядра PFC) (см. Панель E). Повышение контрастности изображений PA не зависит от передаваемого акустического давления (R ² = 0,0009), в то время как SPA-изображения показывают почти линейное увеличение контрастности с увеличением давления (R ² = 0.94). Низкий контраст, полученный от контрастного агента SPA по сравнению с ПА-агентом при давлении ниже 0,4 МПа, обусловлен гораздо более низкой концентрацией SPA-агентов, чем ПА-агентов. Дополнительный сигнал, наблюдаемый на некоторых ультразвуковых изображениях, а также на контрастном изображении SPA (панель D), является результатом внутреннего акустического отражения от трубки.

При превышении порогового значения, SPA-изображение показывает четкий сигнал в образце пробирки с эмульсией PFP, покрытой PPy (). Кроме того, последовательность импульсов SPA (уравнение 1) отменяет все линейные сигналы PA и US (см. Дополнительный рисунок S3).Это линейное подавление всех сигналов PA и US удаляет фоновые сигналы, наблюдаемые на обычных изображениях US и PA. Известно, что обычная (линейная) визуализация PA дает сигнал, линейно пропорциональный плотности потока энергии лазера при интенсивности света, использованной в этих экспериментах. Однако визуализация SPA с использованием эмульсий PFP, покрытых PPy, дает нелинейное усиление сигнала из-за фазового перехода жидкого ядра PFC (). За счет увеличения акустического давления во время формирования изображений SPA достигается экспоненциальное увеличение амплитуды сигнала.Это проявляется в почти линейном увеличении увеличения контрастности изображения SPA (крутизна 35,2 дБ / МПа, R ² = 0,94). Напротив, обычная PA-визуализация не обеспечивала повышения контрастности изображения с увеличением акустического давления (крутизна 0,04 дБ / МПа, R ² = 0,0009). Более того, при самом высоком испытанном акустическом давлении (MI = 0,67, 1,16 МПа) наблюдалось увеличение амплитуды сигнала на 22,8 дБ по сравнению с традиционной визуализацией PA с использованием визуализации SPA в сочетании с недавно разработанным агентом на основе эмульсии.

Визуализация с усилением контраста в результате активации капли SPA с использованием контрастных агентов PFP с покрытием PPy была выполнена на куриной грудке для лучшего имитации свойств оптического и акустического рассеяния в клинических применениях (). Во всех экспериментах использовались преобразователь и оптическое волокно, идентичное тому, что использовалось в эксперименте с ламповым фантомом. Однако оптическая плотность энергии, воздействующая на поверхность куриной грудки, была увеличена до 45 мДж / см ² . Контрастное вещество эмульсии PFP, покрытое полипропиленом, содержалось внутри тонкостенной пластиковой трубки (т.е.е. желтая пунктирная линия в), проходящая через ткань. Затенение, наблюдаемое на изображениях в США, является результатом акустических отражений от трубки.

Последовательность изображений, полученных с использованием (A) PA-визуализации PA-агента по сравнению (B) SPA-визуализации PFP, покрытого PPy, в качестве контрастного агента в ткани куриной грудки при комнатной температуре (25 ° C). Изображения были получены с использованием поверхностного флюенса 45 мДж / см ² при λ = 1064 нм и MI 0,67 (1,16 МПа). Контрастные вещества содержались в тонкостенной пластиковой трубке диаметром 4 мм (желтая пунктирная линия), вставленной в ткань.Трубка создавала акустическую тень, видимую на ультразвуковых изображениях, из-за акустических отражений от стенки трубки. Локализация агента PA затруднена из-за контраста PA, создаваемого самой тканью. В дополнение к большему усилению контраста от SPA-агента во время SPA-визуализации, PA-контраст, создаваемый тканью, подавляется из-за линейного вычитания PA-сигнала в последовательности SPA.

SPA-визуализация контрастного вещества в ткани дает примерно 17 баллов.Усиление сигнала на 0 дБ по сравнению с обычной визуализацией PA при идентичных обстоятельствах (). Динамический диапазон изображения PA был масштабирован в соответствии с максимальным наблюдаемым сигналом SPA. Визуализация SPA обеспечила существенное улучшение специфичности по сравнению с визуализацией PA. Сигналы PA, наблюдаемые на поверхности куриной грудки (см.), Были полностью удалены при визуализации SPA (), что является прямым результатом подавления линейного фотоакустического сигнала из вычитания фона, встроенного в последовательность SPA (уравнение 1). Использование УЗИ (MI = 0.67) и одной только визуализации PA, не было заметного усиления сигнала от контрастного вещества ().

Новый контрастный агент PFP с полипропиленовым покрытием имеет широкую оптически поглощающую оболочку и жидкую сердцевину PFC с низкой температурой кипения. Сердечник можно использовать для нелинейного увеличения контраста за счет испарения капель. Кроме того, оболочка обеспечивает спектр экстинкции, покрывающий все оптическое окно, клинически значимое для визуализации PA (), обеспечивая передачу сигнала PA или SPA в диапазоне оптического окна ткани 600-1200 нм.Возможность использования Nd: YAG-лазеров с большим числом повторений, изготовленных в компактном и экономичном форм-факторе, может помочь быстро превратить SPA-визуализацию в клинический продукт.

Ранее наиболее распространенный подход к синтезу жидких наноэмульсий ПФБ начинался с создания микропузырьков ПФБ в воде с последующим применением высокого давления и ванны с охлажденным этанолом для конденсации микропузырьков в нанокапли ^13,23,45 . Хотя два представленных здесь метода позволяют создавать нанокапли с использованием легколетучих ПФУ, метод узо прост и исключает оборудование, необходимое для образования начальных микропузырьков.Традиционные подходы с использованием механических сил, таких как обработка ультразвуком или высокоскоростное встряхивание, для фракционирования капель часто дают полидисперсные распределения порядка 1–5 микрометров в диаметре ^14,22 . Другие механические подходы, требующие прохождения эмульсионной суспензии через отверстие для контроля размера, такие как гомогенизация под высоким давлением, могут легко уменьшить распределение капель до размеров всего 357 нм и дополнительно снизить PDI почти до 0,1.

Здесь мы представили новый подход, при котором легколетучие капли ПФУ сначала растворяются в этаноле, и капли спонтанно образуются (метод узо) путем добавления воды для получения монодисперсных стабильных дисперсий капель со средним диаметром 184 нм (PDI = 0.08). Традиционные подходы к механическому разрушению двухфазных систем для создания микро- / наноэмульсий неэффективны при эмульгировании легколетучих жидкостей, таких как PFB (T _{, кипящая} = -2 ° C) из-за нежелательного испарения. Летучесть жидкости не представляет проблемы для самопроизвольно зарождающихся нанокапель, поскольку система не требует механических усилий и может работать как при комнатной температуре, так и в ледяной бане. Узо-метод эмульгирования требует, чтобы растворенное вещество (например, ПФБ) имело очень низкую растворимость в среде (например,г. вода) и некоторая растворимость в смешивающемся сорастворителе (например, этаноле). Растворитель, первоначально растворенный в сорастворителе, теряет растворимость, когда к смеси добавляется смешивающийся нерастворитель (т.е. вода). Поскольку растворимость быстро снижается, растворенное вещество образует отдельную фазу за счет спонтанного зарождения монодисперсных капель.

Также известно, что размер капли в значительной степени определяется диффузионно-ограниченным ростом зародышей капли ⁴⁶ . Все растворенные вещества в пределах четко определенного конечного радиуса диффузии истощаются во время роста отдельных зародышей капель, что приводит к образованию монодисперсных капель нанометрового размера ^46–48 .Также считается, что с помощью метода узо можно получить капли размером 1–4 микрона, если нанокаплям дать возможность слиться ^47,48 . Коалесценция и созревание по Оствальду значительно уменьшаются за счет включения поверхностно-активного вещества во время процесса зародышеобразования.

Текущее распределение капель также находится на грани удовлетворения ограничений по размеру для диффузии через плотные стыки через эффект ЭПР ^5,8,46 . Агенты, достаточно малые, чтобы воспользоваться эффектом ЭПР, можно использовать для внесосудистой диагностической визуализации, а также для идентификации тромбов.Кроме того, эти агенты имеют потенциал для терапевтического применения, где они могут подвергаться сильной кавитации для удаления опухоли или лизиса сгустка ^5–8,12 . Согласно литературным данным, если отношение этанола к ПФУ увеличивается в препаратах узо, радиус диффузии должен оставаться прежним, но количество молекул ПФУ, доступных для зарождения новой капли, уменьшается ⁴⁶ . Возможно, что, построив фазовую диаграмму узо и дополнительно уменьшив концентрацию ПФУ во время синтеза узо, можно будет синтезировать стабильные капли размером менее 100 нм для приложений ЭПР ⁴⁶ .

Эмульсии с покрытием из полипропилена явно обеспечивают гораздо более низкие пороги активации SPA, чем твердые частицы полипропилена или одна вода. Более того, эти пороги, по-видимому, не зависят от метода синтеза активной эмульсии. В пределе чистого акустического испарения капель пороги испарения составляют приблизительно 2,3 (MI = 2,07), 3,1 (MI = 2,78) и 4,0 МПа (MI = 3,59) для PFB, PFP и PFH соответственно ^{13,18,20 , 39,49} . Как и ожидалось, порог акустического испарения увеличивается с увеличением температуры кипения ПФУ (уменьшением летучести).На сегодняшний день не было доказано четкого механизма испарения капель с использованием комбинации света и звука.

Было также определено, что небольшие изменения размера капель (т.е. от 200 до 350 нм) для узо и ультразвукового эмульсионного синтеза не вызывают заметных различий в порогах активации. Предыдущие исследования, изучающие механизм акустического испарения капель перфторуглерода, показали, что в крупных каплях (то есть микрометровых) капля сама ведет себя как акустическая линза.Этот эффект линзирования приводит к зависящему от размера капле фокальному усилению акустического давления внутри микрокапель перфторуглерода ^16–18 . Однако популяции капель, синтезированные с использованием гомогенизации под высоким давлением и нуклеации узо, на три порядка меньше по диаметру (D _Ouzo = 181 нм и D _Homogenized = 377 нм), чем длина акустической волны в жидком PFC (λ _PFC. = 327 мкм). Эти расхождения в масштабе длины делают маловероятным, что акустическая фокусировка обеспечивает дополнительное акустическое усиление, инициирующее ADV для этих наноразмерных агентов.

Пороги оптического испарения капель (ODV) для эмульсий с покрытием PPy составляют 11, 20 и 70 мДж / см ² для PB, PFP и PFH соответственно. Как обсуждалось ранее, пороги оптического испарения увеличиваются с увеличением температуры кипения ПФУ (уменьшением летучести). Эта тенденция, кажется, согласуется с ранее опубликованной работой по ODV, заключающейся в том, что фототермический нагрев приводит к испарению перфторуглеродного жидкого ядра ^{27,28,32,36–39} . Начало испарения капли SPA, когда оптическая плотность энергии ниже предела ODV, вероятно, связано с комбинацией фототермического нагрева сердцевины PFC из-за поглощения света в оболочке из PPy и гомогенной кавитации из фазы акустического разрежения.Эта гипотеза подтверждается предыдущими исследованиями, показавшими, что лазерное облучение оптически поглощающих наночастиц во время отрицательной фазы высокоинтенсивного ультразвукового импульса может снизить порог акустической кавитации. ^50–52 Из этих исследований был сделан вывод, что снижение порога акустической кавитации происходит из-за локального нагрева жидкости, окружающей частицы, в результате фототермических процессов. Однако не было очевидной корреляции между порогами испарения и различными распределениями по размерам, возникающими в результате использования двух разных методов синтеза капель.Следовательно, в относительных масштабах размеров, когда длина акустической волны намного больше диаметра капель, сходство порога испарения даже при несколько отличающихся размерах капель предполагает, что капли будут испаряться, когда сочетание отрицательного давления и фототермического нагрева превышает внутренний порог для ядро капли.

Оптическая плотность энергии, необходимая для активации капель, покрытых PPy, при акустическом пределе FDA на 1,24 МГц (MI _Limit = 1,9, P _Limit = 2.1 МПа) составляют примерно 0,02, 0,13 и 1,4 мДж / см ² , что делает эти агенты идеальными для клинической визуализации глубоких SPA. Кроме того, агент на основе PFH служит хорошим диагностическим зондом для получения изображений SPA, поскольку основная точка кипения PFH выше температуры тела, но ниже температуры воды (T _{PFH кипения} = 56 ° C). Поскольку PFH имеет точку кипения между этими пределами, капля снова конденсируется в жидкую фазу после активации ^{26,27,29,33,34} . Кроме того, поскольку эти агенты также могут быть синтезированы при диаметрах значительно меньше 200 нм с помощью метода узо, они должны быть способны при дополнительной функционализации накапливаться в опухолях.Комбинация небольшого начального размера и обратимого фазового перехода делает эмульсии, покрытые полипропиленом на основе PFH, хорошим потенциальным кандидатом для получения изображений сосудистой сети с контрастным усилением или выявления сгустков крови, повреждений тканей и опухолей.

Несмотря на то, что PFP имеет точку кипения ниже температуры тела (T _{PFP кипения} = 29 ° C), в каплях PFP с покрытием PPy также может происходить обратимый фазовый переход для повторяющихся событий активации SPA, если капли достаточно малы ⁵³ . Используя закон идеального газа и предполагая, что увеличение внутреннего давления пузырька от давления Лапласа диктует стабильный пузырь или газ для конденсации жидкости, мы находим, что существует критический диаметр для повторной конденсации капель PFP в зависимости от температуры ^53,54 .При температуре тела критический диаметр составляет 761 нм (см. Дополнительный рисунок S4). Если капля меньше критического диаметра, образующийся пузырь после испарения самопроизвольно снова конденсируется обратно в жидкую фазу. Если размер капли превышает критический диаметр, образующийся пузырь будет устойчивым и не будет конденсироваться повторно. Используя подход, основанный на узо, можно легко получить капли с обратимой фазой, диаметр которых намного меньше 400 нм. Использование эмульсий PFP, покрытых PPy, обеспечит те же функциональные возможности, что и PFH-агенты с более высокой точкой кипения.Однако более высокая летучесть PFP обеспечит улучшенный доступ к более глубоким диагностическим изображениям тканей (~ 6,6 см). Смеси PFP и PFH с покрытием из полипропилена могут использоваться для уравновешивания стабильности PFH с более высокой точкой кипения и более низких порогов активации SPA для PFP ^13,23,45 .

Используя закон Лапласа, закон идеального газа и фазовую диаграмму для PFB, мы находим, что критический диаметр PFB для обратимой повторной конденсации при температуре тела составляет всего 81 нм ⁵⁴ (см. Дополнительный рисунок S4).Хотя легколетучий агент на основе PFB (T _{PFP, кипящая} = −2 ° C) может быть использован для глубоких тканевых диагностических изображений опухолей, поражений мягких тканей, сгустков крови и т. Д. (~ 8,5 см), агент в представленном виде маловероятно повторное уплотнение после активации SPA. Следовательно, более летучие эмульсии, такие как PFB и PFP, могут лучше подходить для терапевтических применений, таких как HIFU-абляция, эрозия тромба, сонопорация и т. Д. ^5–8,12 .

В капельно-опосредованной SPA-терапии испарение всех капель в интересующей области и, возможно, вызывающее схлопывание внутреннего пузыря, может ускорить абляцию опухоли, лизис сгустка, доставку лекарства и т. Д.В этих применениях можно легко синтезировать покрытые PPy капли диаметром менее 200 нм с использованием метода узо для проникновения в сгустки крови, экстравазации в ткани с протекающей сосудистой сетью и эндоцитоза в клетки с соответствующей функционализацией агентов для биологического нацеливания. При испарении капель после того, как они проникли в сгусток крови или проникли в протекающие пораженные ткани, механические силы от расширения пузырьков или инерционного кавитационного коллапса могут быть использованы для терапии, опосредованной SPA.Для лизиса сгустка может быть необходимо сначала диагностировать и идентифицировать местоположение сгустка с помощью фазообратимого SPA-агента, такого как PFH или эмульсии PFP, покрытые PPy. Эта гипотеза будет проверена в будущих исследованиях.

При исследованиях изображений плоскость конечной ширины по глубине определялась двухцикловой плоской волной, передаваемой ультразвуковым преобразователем до генерации. Локальная активация капель особенно желательна в применениях, включая терапевтические применения на основе кавитации, где желательны высокоамплитудные колебания пузырьков и, возможно, инерционная кавитация активного контрастного агента SPA.Дальнейшая локализация активации агента может быть достигнута путем фокусировки акустического луча. Однако в некоторых случаях требуется большая плоскость изображения, например, для определения местоположения контрастного вещества. В этих сценариях комбинация более длинных акустических импульсов и качающейся задержки лазера для захвата нескольких изображений SPA на разной глубине может использоваться для удовлетворения больших требований к полю изображения SPA. И наоборот, как только интересующая область идентифицирована, можно использовать фиксированную временную задержку лазера и длительность акустического импульса для локализации возбуждения агента и увеличения частоты кадров.

Для получения изображений SPA требуется четыре ультразвуковых снимка (2 пары импульсов с инверсией) и два лазерных снимка. В этом исследовании SPA-изображения собирались, обрабатывались и отображались в реальном времени с частотой 10 Гц и чередовались с обычными ультразвуковыми изображениями. Фактором, ограничивающим частоту кадров, была максимальная частота следования лазерных импульсов 20 Гц. Мы ожидаем, что частоту кадров SPA можно легко увеличить до сотен герц и более, используя лазеры с более высокой частотой импульсов, доставляющие свет на длинах волн около 1064 нм, где доступны высокоэффективные, компактные и экономичные устройства с диодной накачкой.

При идентичных условиях визуализации одно контрастное изображение SPA с использованием эмульсионного контрастного агента, покрытого PPy, обеспечило увеличение контрастности изображения на 23 дБ по сравнению с однократной традиционной визуализацией PA (H _{, образец} = 2 мДж / см ² ). Более того, усиление контраста с использованием SPA-визуализации в сочетании с эмульсионными контрастными агентами, покрытыми PPy, также было получено с использованием концентрации агента 0,65 пМ по сравнению с 8,1 нМ частиц для традиционной PA-визуализации. Насколько нам известно, пикомолярная чувствительность в настоящее время недостижима с использованием обычных частиц и методов визуализации PA.Кроме того, в тестируемых условиях SPA-визуализации использовались плоские волны при MI ниже 0,67, что значительно ниже диагностических пределов FDA, равных 1,9.

Обнаруженный нелинейный сигнал SPA обусловлен испарением капель и колебаниями пузырьков. Ниже порога активации (или кавитации) СПА агент ведет себя как обычный линейный ПА-агент на основе красителя или частиц, создавая термоупругую волну давления. Согласно литературным данным, в режиме разбавления, когда взаимодействием капель с каплями можно пренебречь, порог испарения капель не должен зависеть от концентрации и длительности импульса ^20,39,55 .Хотя порог активации может не зависеть от концентрации, амплитуда сигнала от активированных агентов должна линейно возрастать с увеличением концентрации.

В заключение мы представили новый контрастный агент с фазовым переходом, разработанный для SPA-визуализации. Он имеет оболочку из оптически поглощающего полимера PPy, позволяющую активировать агент с использованием лазеров с длиной волны 1064 нм для повышения оптической глубины проникновения. Кроме того, эти агенты имеют ядро ​​PFC с низкой точкой кипения, обеспечивающее испарение капель с нелинейным усилением сигнала на основе пороговых значений.Наконец, все компоненты этих контрастных агентов на основе эмульсии одобрены FDA для других применений. Мы ожидаем, что они должны иметь улучшенную биосовместимость по сравнению с другими контрастными агентами PA, использующими металлические наночастицы. Хотя эти контрастные вещества можно использовать для обычных изображений УЗИ или ПА, резкое улучшение достигается при гораздо более низких давлениях и плотности энергии лазерного излучения с использованием одновременной активации посредством визуализации SPA. Наши эксперименты показали, что эти агенты обладают высокой пространственной селективностью с амплитудами сигналов, подобными микропузырькам на ультразвуковых изображениях, за счет испарения капель, обеспечивая при этом молекулярную специфичность изображений PA.Из-за нелинейного усиления сигнала от испарения капель они производят усиление контраста на порядки больше, чем обычные агенты для визуализации PA на сантиметровой глубине и пикомолярных концентрациях (0,65 пМ) в фантомных исследованиях. Из-за низкой оптической плотности энергии, необходимой для активации, мы ожидаем, что они могут использоваться на глубине до нескольких сантиметров в ткани. Наконец, из-за своего небольшого размера эти новые агенты также могут оказаться привлекательными для комбинированной диагностической визуализации и прицельной или локальной терапии УЗИ / ПА.

Экспериментальная часть

СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ

Наночастицы полипиррола (PPy) были синтезированы с использованием метода, адаптированного из Hong, et al. 2010 ^40,41 . Вкратце, исходный раствор поливинилового спирта (ПВС) 31 кДа (CAS: 9002-89-5, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) растворяли в деионизированной (ДИ) воде с концентрацией 8% по весу и фильтровали. через фильтр 0,45 мкм. Затем раствор ПВС переносили пипеткой в ​​стеклянный сосуд и разбавляли деионизированной водой до желаемого молярного количества.Готовили 0,8 М исходный раствор водного хлорида железа (III) (CAS: 7705-08-0, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США), фильтровали и добавляли к раствору ПВС. Раствор перемешивали в течение получаса при 4 ° C, обеспечивая образование комплексов железо-ПВС. Наконец, к раствору железо-ПВС добавляли мономер пиррола (CAS: 203-714-7, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США). Раствор перемешивали при 4 ° C в течение минимум 24 часов перед дальнейшим исследованием. Во всех образцах соотношение мономера пиррола к железу было фиксированным (молярная концентрация 1: 2), а также ионов железа к полимерным цепям ПВС (молярная концентрация 200: 1).Концентрация пиррола в конечном растворе также варьировалась от 4 мМ до 43 мМ.

СИНТЕЗ ЭМУЛЬСИИ

Для синтеза эмульсии использовались три ПФУ: перфторбутан (PFB, C ₄ F ₁₀ , T _Boiling = −2 ° C) (CAS: 355-25-9, Fluoromed, Round Rock , Техас, США), перфторпентан (PFP, C ₅ F ₁₂ , T _{Кипячение} = 29 ° C) (CAS: 678-26-2, SynQuest Laboratories, Алчуа, Флорида, США) и перфторгексан ( PFH, C ₆ F ₁₄ , T _{Кипячение} = 56 ° C) (CAS: 355-42-0, SynQuest Laboratories, Алчуа, Флорида, США).Эмульгирование с механическим (эмульгирование под высоким давлением) и химическим (спонтанное эмульгирование) путями было исследовано для синтеза агентов. Гомогенизация под высоким давлением могла быть выполнена только с ПФУ, имеющим точки кипения выше комнатной температуры, чтобы ограничить непреднамеренное испарение (т.е. ПФУ и ПФУ). Напротив, спонтанное зародышеобразование масляных капель (т.е. метод узо) можно успешно использовать для эмульгирования всех ПФУ, включая те, которые являются газами в условиях окружающей среды (например, ПФБ). Этот новый подход использует преимущества очень низкой растворимости ПФУ в воде и их частичной растворимости в этаноле и других спиртах.При первоначальном растворении ПФУ в этаноле с последующим добавлением воды растворимость ПФУ в смеси этанол-вода быстро снижается. В результате ПФУ термодинамически вытесняется из раствора, что приводит к самопроизвольному образованию капель нанометрового размера. Этот подход использовался веками для создания алкогольных напитков из ликеров, содержащих анисовое масло, таких как узо (из Греции) и пастис (из Франции), которые легко разделяются по фазе и превращаются в молочный раствор при смешивании с водой.В предыдущих исследованиях физико-химический механизм был подробно описан и также использовался для синтеза микро- / нанокапель, а также наночастиц ^46–48,56 .

Для эмульсий узо ПФП и ПФГ жидкости ПФУ переносили пипеткой непосредственно в этанол в количестве 2,5% по объему (измерено гравиметрически). Раствор PFC в этаноле перемешивали до полного растворения PFC. Для PFB газ барботировали в герметичный сосуд при давлении 1 фунт / кв. Дюйм, содержащий этанол, охлажденный на ледяной бане.Свободное пространство в сосуде трижды продували перед тем, как закрыть клапан сосуда и барботировать PFB через этанол в течение 2 минут для насыщения этанола PFB. Затем смесь ПФУ и этанола добавляли к раствору ПВС перед добавлением хлорида железа (III) и пиррола для завершения синтеза эмульсии ППу. Добавление воды к смеси ПФУ и этанола немедленно приводило к образованию наноэмульсии, стабилизированной растворенным ПВС.

Для создания исходной дисперсии эмульсии ПФУ с использованием гомогенизации под высоким давлением жидкость ПФУ переносили в воду в количестве 3% по объему (измерено гравиметрически).Грубая эмульсия сначала была сформирована в течение 20 секунд обработки ультразвуком (1 секунда включения, 1 секунда выключения, 10 секунд общего времени обработки ультразвуком) (Digital Sonifier 450, Брэнсон, Данбери, Коннектикут, США) в ледяной бане с амплитудой 30%. Затем эмульсию пропускали через гомогенизатор высокого давления (EmulsiFlex-B15, Avestin, Оттава, Онтарио, Канада) при 24000 фунтов на квадратный дюйм для создания относительно монодисперсной перфторуглеродной эмульсии (средний диаметр примерно 250 нм с PDI 0,15).

СИНТЕЗ КОНТРАСТНЫХ АГЕНТОВ, ПОКРЫТЫХ PPY

Эмульсии PFC, покрытые PPy, были синтезированы аналогично наночастицам PPy ().Исходный раствор ПВС 31 кДа сначала растворяли в деионизированной воде с концентрацией 8% по весу и фильтровали с образованием исходного раствора ПВС. Затем раствор ПВС переносили пипеткой в ​​стеклянный флакон и разбавляли водой до желаемого конечного количества и концентрации ПВС. В отдельном контейнере исходную эмульсию ПФУ готовили одним из двух методов: гомогенизацией под высоким давлением или спонтанной нуклеацией (метод узо) ^47,48 . Затем исходную эмульсию переносили пипеткой в ​​раствор ПВС и перемешивали в течение 15 минут при 4 ° C.

Затем готовили 0,8 М исходный раствор хлорида железа (III) в воде, фильтровали и добавляли к раствору эмульсии ПВС. Смесь эмульсии железо-ПВС-эмульсия перемешивали в течение 30 минут при 4 ° C, чтобы дать возможность комплексообразованию железо-ПВС происходить вдоль границы раздела капель масло-вода перед добавлением мономера пиррола. После добавления пиррола растворы перемешивали при 4 ° C в течение минимум 24 часов для завершения полимеризации перед тестированием и характеристикой.

Эмульсии центрифугировали при 1000 G в течение 20 мин для отделения эмульсий, покрытых PPy, от избыточных частиц PPy (т.е.е. те, у которых нет ядра PFC), которые также могли образоваться, а также удалить любой оставшийся этанол из синтеза эмульсии узо. Жидкий супернатант декантировали и концентрированный осадок (осадок), содержащий эмульсионные агенты, ресуспендировали в чистой деионизированной воде. Центрифугирование и ресуспендирование повторяли трижды. Конечная концентрация ПФУ в растворе во время синтеза была зафиксирована на уровне 0,75% по объему. Молярные отношения железа к ПВС (молярная концентрация 200: 1) и железа к пирролу (молярная концентрация 2: 1) были фиксированными.Для этого исследования общая концентрация пиррола, добавленного к конечному раствору, варьировалась от 4 мМ до 43 мМ.

ОПТИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Спектры оптической экстинкции для всех образцов были измерены с помощью спектрофотометрии в ультрафиолетовом и видимом (УФ-видимом) свете (Thermo Scientific Evolution 300, Thermo-Fisher Scientific Inc., Уолтем, Массачусетс, США) в диапазоне длин волн. от 300 до 1100 нм. Распределение образцов по размерам измеряли методом динамического рассеяния света (DLS) с использованием Malvern Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments Ltd., Вустершир, Великобритания). Структуру лиофилизированных образцов исследовали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) (Tecnai G2 F20, FEI Hillsboro, OR, USA), работающей при 200 кВ.

Более подробный структурный анализ образцов был проведен с использованием малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) на канале 12-ID-B в Advanced Photon Source (Национальная лаборатория Аргонна, Аргонн, Иллинойс, США) на Q- диапазон от 0,002 до 0,1 Å ^-1 в конфигурации точечного отверстия. Образцы для измерений МУРР диспергировали в водных растворах, выдержанных в 1.Кварцевые капиллярные трубки диаметром 5 мм (Hampton Research, Алисо Вьехо, Калифорния, США). Профили рассеяния образцов были нормализованы с использованием вычитания водного фона, и данные были подогнаны с использованием пакета SASView (SASView, http://www.sasview.org) для извлечения дополнительной структурной информации. Частицы PPy (без ядра PFC) были подогнаны с использованием модели сферы, в то время как эмульсии (эмульсии PFC с покрытием PPy) были подогнаны с использованием модели ядро-оболочка ⁴² . Размер частиц и плотности длины рассеяния (SLD) образцов были ограничены во время подбора с использованием известных составов и диаметров частиц из измерений DLS и ПЭМ.Известные преимущества измерений методом SAXS заключаются в том, что структурные параметры усредняются по многим частицам в освещаемом объеме и что образцы не требуют какой-либо специальной обработки. Напротив, другие методы рискуют изменить структуру из протоколов подготовки образцов (например, обезвоживание для ПЭМ-визуализации) или ограничивают анализ небольшим количеством визуализированных частиц.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОРОГОВ КАВИТАЦИИ

Установка и метод обработки кавитации подробно описаны в Arnal et al.2015 ²⁶ . Количественные измерения порога кавитации проводились с использованием изготовленного на заказ тонкостенного пластикового держателя образцов. Образец располагался в центре перекрывающихся акустических (профиль –6 дБ, длина 13,3 мм и ширина 1,6 мм) и оптических полей (ширина луча 1 / e 3,9 мм), расположенных ортогонально друг другу (см.). Акустический импульс длиной 10 циклов генерировался сферически сфокусированным ультразвуковым преобразователем (H-102, Sonic Concept, Woodinville, WA, USA, фокус на 63 мм, f-число = 0.98, 1,24 МГц) в соответствии с линейным РЧ-усилителем с усилением 55 дБ (ENI-A150, Electronics & Innovation Ltd., Рочестер, штат Нью-Йорк, США). Лазерный импульс длиной 5 нс с длиной волны 1064 нм генерировался от источника лазера Nd: YAG (Surelite, Continuum, Санта-Клара, Калифорния, США). Лазерный импульс был задержан на 44 микросекунды относительно ультразвукового импульса, чтобы обеспечить совпадение оптического импульса с 4 ^-м акустическим циклом разрежения в фокусе. Интенсивность лазера регулировали с помощью комбинации фильтров нейтральной плотности (ND) и дистанционно изменяли с помощью 6-позиционного колеса фильтров с электронным управлением (FW-103, Thorlabs, NJ, USA).Пропускаемое акустическое давление варьировалось от 0 МПа до 7,2 МПа, а прошедшие лазерные импульсы — от 0 до 88 мДж / см ² на образце.

Ультразвуковой преобразователь калибровали с помощью оптоволоконного гидрофона (FOPH 2000, RPI Acoustics, Германия). Энергия лазерного импульса калибровалась с помощью измерителя энергии (Nova II, Ophir, North Logan, UT, USA). Профиль оптического луча лазера определялся путем измерения интенсивности фотоакустического сигнала от графитовой мишени диаметром 0,3 мм, сканированной в воде.

Кавитационный шум был обнаружен с помощью несфокусированного сверхширокополосного преобразователя из поливинилидендифторида (ПВДФ) толщиной 28 мкм, работающего в режиме разомкнутой цепи, расположенного под держателем образца (на расстоянии 35 мм). Полоса пропускания преобразователя приближается к 40 МГц с почти постоянной чувствительностью (11,3 мкВ / Па). Преобразователь PVDF, используемый для обнаружения пассивной кавитации, был подключен к предусилителю (Precision Acoustics, Дорчестер, Великобритания), и сигналы были оцифрованы и записаны с помощью карты Gage (Razor 14, Dynamic Systems LLC, Локпорт, Иллинойс, США).200 сигналов, собранных с частотой 20 Гц, были записаны для каждой данной комбинации акустического давления и оптической плотности энергии лазера.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ О КАВИТАЦИИ

Сигнал кавитации был выделен путем вычитания усредненного фонового сигнала, содержащего линейные фотоакустические и акустические сигналы. Временное окно 10 мкс с центром в момент срабатывания лазерного импульса использовалось для сравнения средней интегрированной интенсивности кавитационного сигнала с уровнем фонового шума. События с интегральной интенсивностью, в девять раз превышающей усредненную по времени интегральную интенсивность фона, регистрировались как кавитационные события.Процесс повторяли для каждой комбинации акустического давления и плотности энергии лазера. Сигмовидная кривая соответствовала значениям вероятности кавитации для заданной плотности энергии лазера как функции увеличения давления. Затем порог кавитации был определен как 50% -ная вероятность кавитации вдоль сигмовидной аппроксимации ²⁶ .

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ ДЛЯ СОЗНО-ФОТОАКУСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

Все образцы были разбавлены дегазированной водой перед измерениями кавитации (активации). Все образцы, содержащие эмульсию, разбавляли до расчетной концентрации от 3.9 × 10 ^{8 от} до 6,2 × 10 ⁸ капель / мл (от 0,65 до 1,03 пМ). Образцы частиц PPy разбавляли до расчетной концентрации 4,9 × 10 ¹² частиц / мл (8,1 нМ). При этих концентрациях образцов было определено, что не было тепловой и акустической связи между полями от отдельных капель. Таким образом, измеренные пороги считались порогами, присущими изолированным одиночным каплям, и, следовательно, не будут изменяться при дальнейшем разбавлении раствора.

Предыдущие исследования с использованием наноэмульсий пришли к выводу, что активация капель с низкой точкой кипения может обратимо повторно конденсироваться обратно в жидкую фазу из-за высокого давления Лапласа.Наши первоначальные исследования подтвердили, что наши капли можно многократно активировать с помощью активации SPA. Однако интенсивность сигнала SPA от активации капли линейно снижалась до половины от максимума после примерно 12 тысяч событий активации. Для пороговых измерений образцы подвергались максимум шести тысячам оптических и / или акустических воздействий перед промывкой держателя образца дегазированной водой, повторным заполнением держателя образца свежим образцом и продолжением измерений порогового значения SPA (см. Дополнительный рисунок S5).Промывка и повторное заполнение держателя образца помогли минимизировать несоответствия в интенсивности сигнала из-за разрушения капель. Статический образец с периодической промывкой и повторным заполнением был выбран вместо непрерывной перфузии образца, чтобы минимизировать возможные артефакты движения, которые могут затруднить измерения.

SONO-PHOTOACOUSTIC IMAGING

Для имитации клинической ситуации датчик с линейной решеткой (ATL L7-4, 128 элементов, Philips, Bothell, WA, USA), управляемый программируемым ультразвуковым сканером (Vantage 128, Verasonics, Redmond, WA , США) использовался как для возбуждения контрастного вещества, так и для обнаружения соответствующих сигналов УЗИ.Была применена следующая заказная последовательность импульсов SPA-визуализации:

SPA = {PAU S ⁺ — U S ⁺ } — {PAU S ^— — U S ^— }

(

) где PAUS обозначает одновременное срабатывание плоской волны акустического и лазерного излучения, а U S обозначает акустические импульсы плоской волны. Верхние индексы +/- обозначают сначала положительную или отрицательную фазу передаваемого акустического импульса.Половинки последовательности SPA PAUS ^{+ / —} — US ^{+ / —} используются для удаления источников линейных сигналов US, например, из нативной ткани. Вычитание двух членов в скобках в формуле. (1) удаляет линейные фотоакустические сигналы, генерируемые такими источниками, как эндогенные хромофоры (см. Дополнительный рисунок S3). Обычные ультразвуковые изображения, используемые в наложениях изображений SPA, чередовались с получением изображений SPA.Методология, лежащая в основе импульсной последовательности SPA, подробно описана в Arnal, et al. 2015 ³³ .

Лазерное излучение, генерируемое на длине волны 1064 нм источником лазера Nd: YAG, доставлялось через изготовленный на заказ бифуркационный волоконно-оптический пучок (Fiberoptic, Швейцария). Каждое ответвление пучка волокон создавало расходящийся пучок размером 1 мм × 15 мм (NA = 0,2), который был ориентирован по оси в направлении распространения звука от линейной ультразвуковой матрицы (). Опять же, синхронизация лазера Nd: YAG была запрограммирована таким образом, чтобы и оптический, и акустический импульс совпадали в положении фокуса.

SONO-PHOTOACOUSTIC TUBE УСЛОВИЯ ФАНТОМИЗАЦИИ . Изображенные образцы содержали целлюлозу, частицы PPy (т.е. без ядра PFC), эмульсию PFP, покрытую PPy, и трубку, заполненную водой. Четыре образца были отобраны для сравнения рассеивателя ультразвука (целлюлоза) и линейного фотоакустического агента (частицы PPy) с нелинейным контрастным агентом SPA (т.е.е. Эмульсия ПФП, покрытая полипропиленом). Заполненная водой трубка использовалась в качестве контроля, чтобы подтвердить, что фотоакустические и SPA-сигналы генерируются не только стенкой трубки. Образец эмульсии был разбавлен до концентрации 3,9 × 10

изображений SPA были собраны с использованием двухциклового импульсного возбуждения УЗИ с частотой 3 МГц с механическим индексом (MI) до 0,67 (P _Negative = 1.16) и флюенс лазерного излучения 2 мДж / см ² на образцах. Четыре образца располагали бок о бок, примерно в 1 мм между каждым образцом, на расстоянии 18-20 мм от преобразователя. Их погружали в дегазированную водяную баню при комнатной температуре (25 ° C).

SONO-PHOTOACOUSTIC (SPA) УСЛОВИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ГРУДИ

SPA-визуализация с использованием преобразователя и конфигурации пучка волокон, показанных на рисунке, была выполнена на куриной грудке, чтобы подтвердить, что та же методология SPA-визуализации применима к сильно рассеивающей ткани.Свежую незамороженную куриную грудку купили у местного мясника. Цыпленок очищали и дегазировали в деионизированной воде для визуализации. Через ткань пропускали 4-миллиметровую тонкостенную пластиковую трубку, содержащую контрастный агент эмульсии PFP, покрытый полипропиленом. Изображения были получены с использованием того же преобразователя и конфигурации пучка оптических волокон, что и в экспериментах с фантомной визуализацией трубок SPA. Однако оптическая плотность энергии на поверхности курицы была увеличена до 45 мДж / см ² , что в два раза ниже максимально допустимых пределов воздействия на кожу для лазеров с длиной волны 1064 нм.Отключение выключателя

— Перевод на испанский — примеры английский

Эти примеры могут содержать грубые слова, основанные на вашем поиске.

Эти примеры могут содержать разговорные слова, основанные на вашем поиске.

Электрозащита: срабатывание главного выключателя

Насколько это возможно, выключатель тягового агрегата должен сработать, чтобы попытаться избежать срабатывания выключателя подстанции .