NIST улучшает оптическую микроскопию для точных измерений объема микрокапель

Чихание, дождевые облака и струйные принтеры: все они производят или содержат жидкие капли настолько крошечные, что для заполнения литровой бутылки потребовалось бы несколько миллиардов из них.

Измерение объема, движения и содержимого микроскопических капель важно для изучения того, как распространяются воздушно-капельные вирусы (включая те, что вызывают COVID-19), как облака отражают солнечный свет для охлаждения Земли, как струйные принтеры создают детализированные узоры и даже как бутылка с газировкой фрагментируется на наночастицы пластика, загрязняющие океаны.

Улучшая калибровку обычного оптического микроскопа, исследователи Национального института стандартов и технологий (NIST) впервые измерили объем отдельных капель меньше 100 триллионных доли литра с неопределенностью менее 1%. Это десятикратное улучшение по сравнению с предыдущими измерениями.

Поскольку оптические микроскопы могут напрямую изображать позиции и размеры малых объектов, их измерения могут использоваться для определения объема — пропорционального кубу диаметра — сферических микрокапель. Однако точность оптической микроскопии ограничена множеством факторов, таких как то, насколько хорошо анализ изображения может определить границу между краем капли и окружающим пространством.

Для повышения точности оптических микроскопов исследователи NIST разработали новые стандарты и калибровки для инструментов. Они также придумали систему, в которой они могли одновременно измерять объем микрокапель в полете с помощью микроскопии и независимой техники, известной как гравиметрия.

Гравиметрия измеряет объем путем взвешивания общей массы многих микрокапель, накапливающихся в контейнере. Если количество капель контролируется, а плотность — масса на единицу объема — измеряется, то общая масса, зарегистрированная на весах, может быть использована для расчета среднего объема одной капли. Хотя это ценная информация, поскольку капли могут варьироваться в размере, визуализация отдельных капель оптической микроскопией обеспечивает более прямой и полный измерения.

Для улучшения точности определения краев микрокапель исследователи протестировали два стандартных объекта для имитации микрокапли и калибровки границ изображения. Для каждого стандартного объекта точно и точно измеренное расстояние между его краями позволяет калибровать соответствующие границы изображения.

Первый стандартный объект состоял из острых металлических краев, разделенных откалиброванным расстоянием для представления диаметра микрокапли. Такие «ножевые края», 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 откалиброванными диаметрами, которые создают изображения в микроскопе, очень похожие на изображения микрокапель. Действительно, ученые обнаружили, что когда они использовали пластиковые сферы для калибровки своих измерений границ изображения, объем микрокапли, полученный микроскопией, точно соответствовал тому, что получен гравиметрией. (Исследователи обнаружили, что ножевые края дали худшее соответствие.) Ученые также откалибровали несколько других аспектов оптического микроскопа, включая фокус и дисторсию, сохраняя связи с СИ через весь процесс.

С этими улучшениями оптическая микроскопия определила объем микрокапель до одной триллионной доли литра. Стандарты и калибровки практичны и могут быть применены к многим типам оптических микроскопов, используемым в фундаментальном и прикладном исследовании, отметили исследователи. Фактически, чем менее продвинута оптика микроскопа, тем больше измерение микроскопией может выиграть от стандартов и калибровок для повышения точности анализа изображения.

В своем основном эксперименте исследователи использовали принтер для выстрела струей микрокапель цикопентанола, вязкого спирта, который медленно испаряется. Они точно контролировали струю для производства известного количества микрокапель. Пока струя микрокапель летела из принтера в контейнер в нескольких сантиметрах, она была засвечена сзади и изображена с помощью оптического микроскопа. Затем исследователи взвесили контейнер и его накопление множества микрокапель.

С откалиброванным и проверенным путем сравнения с гравиметрическим методом оптическим микроскопом, команда приступила к другому эксперименту, заменив цикспентанол на водяные микрокапли, содержащие наночастицы полистирола, которые являются распространенными, но неофициальными стандартами для анализа нанопластика. Эта система более точно воспроизводит тип образца, который интересует многих ученых, например, для изучения загрязнения пластиком. Исследователи использовали принтер для осаждения рядов отдельных водяных микрокапель на поверхность по одной за раз.

После приземления на поверхность водяные микрокапли испарялись, оставляя наночастицы. Команда затем подсчитала наночастицы, которые были помечены флуоресцентным красителем. Таким образом, команда зафиксировала количество частиц, взвешенных в объеме каждой микрокапли, что обеспечивает меру концентрации. Это измерение — и способ пробовки объемной жидкости, и изучение свойств микрокапель, содержащих небольшие количества наночастиц.

Используя этот метод и систему освещения, которая быстрее, чем та, которую использовала команда, ученые бы имели возможность измерять объем, движение и содержимое распыления или облака микрокапель, сказали исследователи. Такие измерения могли бы играть ключевую роль в будущих исследованиях для эпидемиологических, экологических и промышленных приложений.