NIST улучшает способность оптических микроскопов измерять объем микрокапель

Чихание, дождевые облака и струйные принтеры:все они производят или содержат капельки жидкости, настолько крошечные, что их потребуется несколько миллиардов, чтобы заполнить литровую бутылку.

Измерение объема, движения и содержимого микроскопических капель важно для изучения того, как распространяются воздушно-капельные вирусы (включая те, которые вызывают COVID-19), как облака отражают солнечный свет для охлаждения Земли, как струйные принтеры создают детализированные узоры и даже как бутылки из-под газировки превращаются в наночастицы пластика, которые загрязняют океаны.

Улучшив калибровку обычного оптического микроскопа, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) впервые измерили объем отдельных капель размером менее 100 триллионных долей литра с погрешностью менее 1%. Это десятикратное улучшение по сравнению с предыдущими измерениями.

Поскольку оптические микроскопы могут напрямую отображать положение и размеры небольших объектов, их измерения можно использовать для определения объема — пропорционального диаметру в кубе — сферических микрокапель. Однако точность оптической микроскопии ограничена многими факторами, например тем, насколько хорошо анализ изображения может определить границу между краем капли и окружающим пространством.

Чтобы повысить точность оптических микроскопов, исследователи NIST разработали новые стандарты и калибровки для инструментов. Они также разработали систему, в которой они могли одновременно измерять объем микрокапель в полете, используя микроскопию и независимый метод, известный как гравиметрия.

Гравиметрия измеряет объем путем взвешивания общей массы множества микрокапель, которые накапливаются в контейнере. Если контролировать количество капель и измерять плотность — массу в единице объема, то общую массу, зарегистрированную на весах, можно использовать для расчета среднего объема одной капли. Хотя это ценная информация, поскольку размер капель может различаться, визуализация отдельных капель с помощью оптической микроскопии позволяет проводить более прямые и полные измерения.

Чтобы повысить точность определения краев микрокапель, исследователи протестировали два стандартных объекта, чтобы имитировать микрокапли и откалибровать границы изображения. Для каждого эталонного объекта точно и точно измеренное расстояние между его краями позволяет провести калибровку соответствующих границ изображения.

Первый стандартный объект состоял из острых металлических краев, разделенных калиброванным расстоянием, соответствующим диаметру микрокапли. Такие «лезвия ножа», которые предполагают плоскую границу между краем микрокапли и окружающим пространством, обычно используются для тестирования оптических систем, но имеют лишь поверхностное сходство с микрокаплями.

Другой стандартный объект состоит из пластиковых сфер с калиброванными диаметрами, которые создают в микроскоп изображения, очень похожие на изображения микрокапель. Действительно, ученые обнаружили, что когда они использовали пластиковые сферы для калибровки своих измерений границ изображения, объем микрокапель, полученный с помощью микроскопии, точно соответствовал объему микрокапель, полученному с помощью гравиметрии. (Исследователи обнаружили, что лезвия ножа привели к худшему совпадению.) Ученые также откалибровали несколько других аспектов оптического микроскопа, включая фокусировку и искажение, сохранив связь с SI на всем протяжении.

Благодаря этим усовершенствованиям оптическая микроскопия разрешила объем микрокапель до одной триллионной доли литра. Исследователи отметили, что стандарты и калибровки практичны и могут применяться ко многим типам оптических микроскопов, используемых в фундаментальных и прикладных исследованиях. На самом деле, чем менее совершенна оптика микроскопа, тем больше пользы от стандартов и калибровок для повышения точности анализа изображения можно получить при микроскопическом измерении.

В своем основном эксперименте исследователи использовали принтер для запуска струи микрокапель циклопентанола, вязкого спирта, который медленно испаряется. Они точно контролировали струю, чтобы произвести известное количество микрокапель. Когда струя микрокапель летела из принтера в контейнер на расстоянии нескольких сантиметров, они подсвечивались и отображались с помощью оптического микроскопа. Затем исследователи взвесили контейнер и скопление в нем множества микрокапель.

После калибровки и проверки оптического микроскопа путем сравнения его с методом гравиметрии команда приступила к другому эксперименту, заменив циклопентанол микрокаплями воды, содержащими наночастицы полистирола, которые являются общепринятыми, но неофициальными стандартами для анализа нанопластиков. Эта система больше напоминает тип образца, которым интересуются многие ученые, например, при изучении пластикового загрязнения. Исследователи использовали принтер для нанесения рядов отдельных микрокапель воды на поверхность по одной за раз.

После приземления на поверхность микрокапли воды испарялись, оставляя после себя наночастицы. Затем команда подсчитала наночастицы, которые были помечены флуоресцентным красителем. Таким образом, команда зафиксировала количество частиц, взвешенных в объеме каждой микрокапли, что обеспечивает меру концентрации. Это измерение позволяет одновременно брать пробу жидкости и изучать свойства микрокапель, содержащих небольшое количество наночастиц.

По словам исследователей, используя этот метод и более быструю систему освещения, чем та, которую использовала команда, ученые смогут измерять объем, движение и содержимое аэрозоля или облака микрокапель. Такие измерения могут сыграть ключевую роль в будущих исследованиях для эпидемиологических, экологических и промышленных приложений.