NIST verbetert het vermogen van optische microscopen om het volume van microdruppels te meten

Niezen, regenwolken en inkjetprinters:ze produceren of bevatten allemaal vloeistofdruppeltjes die zo klein zijn dat er enkele miljarden nodig zijn om een ​​literfles te vullen.

Het meten van het volume, de beweging en de inhoud van microscopisch kleine druppeltjes is belangrijk om te bestuderen hoe virussen in de lucht zich verspreiden (inclusief die welke COVID-19 veroorzaken), hoe wolken zonlicht weerkaatsen om de aarde af te koelen, hoe inkjetprinters fijn gedetailleerde patronen creëren en zelfs hoe een frisdrankfles fragmenten in nanoschaal plastic deeltjes die de oceanen vervuilen.

Door de kalibratie van een conventionele optische microscoop te verbeteren, hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) voor het eerst het volume van individuele druppeltjes kleiner dan 100 biljoenste van een liter gemeten met een onzekerheid van minder dan 1%. Dat is een tienvoudige verbetering ten opzichte van eerdere metingen.

Omdat optische microscopen de posities en afmetingen van kleine objecten direct kunnen afbeelden, kunnen hun metingen worden gebruikt om het volume te bepalen - evenredig met de in blokjes gesneden diameter - van bolvormige microdruppeltjes. De nauwkeurigheid van optische microscopie wordt echter beperkt door vele factoren, zoals hoe goed de beeldanalyse de grens tussen de rand van een druppel en de omringende ruimte kan lokaliseren.

Om de nauwkeurigheid van optische microscopen te verbeteren, ontwikkelden NIST-onderzoekers nieuwe standaarden en kalibraties voor de instrumenten. Ze bedachten ook een systeem waarin ze tegelijkertijd het volume van microdruppels tijdens de vlucht konden meten met behulp van microscopie en een onafhankelijke techniek, bekend als gravimetrie.

Gravimetrie meet het volume door de totale massa van vele microdruppels te wegen die zich in een container ophopen. Als het aantal druppels wordt gecontroleerd en de dichtheid - massa per volume-eenheid - wordt gemeten, kan de totale massa die op een schaal wordt geregistreerd, worden gebruikt om het gemiddelde volume van één druppel te berekenen. Hoewel dit waardevolle informatie is, omdat druppels in grootte kunnen variëren, maakt het afbeelden van enkele druppels met optische microscopie een directere en completere meting mogelijk.

Om de nauwkeurigheid van het lokaliseren van de randen van de microdruppels te verbeteren, testten de onderzoekers twee standaardobjecten om een ​​microdruppel na te bootsen en de beeldgrenzen te kalibreren. Voor elk standaardobject maakt een nauwkeurig en nauwkeurig gemeten afstand tussen de randen kalibratie van de overeenkomstige beeldgrenzen mogelijk.

Het eerste standaardobject bestond uit scherpe metalen randen gescheiden door een gekalibreerde afstand om de diameter van een microdruppel weer te geven. Dergelijke 'mesranden', die een vlakke grens aannemen tussen de rand van een microdruppel en de omringende ruimte, worden vaak gebruikt om optische systemen te testen, maar vertonen slechts een vluchtige gelijkenis met microdruppeltjes.

Het andere standaardobject bestaat uit plastic bollen met gekalibreerde diameters, die in de microscoop beelden produceren die sterk lijken op die van microdruppels. De wetenschappers ontdekten inderdaad dat wanneer ze de plastic bollen gebruikten om hun metingen van beeldgrenzen te kalibreren, het microdruppelvolume afgeleid van microscopie precies overeenkwam met dat van gravimetrie. (De onderzoekers ontdekten dat de mesranden resulteerden in een slechtere match.) De wetenschappers kalibreerden ook verschillende andere aspecten van de optische microscoop, inclusief focus en vervorming, waarbij de links naar de SI overal werden behouden.

Met deze verbeteringen loste optische microscopie het volume van microdruppels op tot een biljoenste van een liter. De standaarden en kalibraties zijn praktisch en kunnen worden toegepast op vele soorten optische microscopen die worden gebruikt in fundamenteel en toegepast onderzoek, merkten de onderzoekers op. Hoe minder geavanceerd de microscoopoptiek is, hoe meer een microscopiemeting kan profiteren van standaarden en kalibraties om de nauwkeurigheid van beeldanalyse te verbeteren.

In hun hoofdexperiment schoten de onderzoekers met een printer een straal microdruppeltjes cyclopentanol af, een stroperige alcohol die langzaam verdampt. Ze bestuurden de straal nauwkeurig om een ​​bekend aantal microdruppeltjes te produceren. Terwijl de straal microdruppels van de printer in een container een paar centimeter verderop vloog, werden ze van achteren verlicht en afgebeeld met de optische microscoop. De onderzoekers wogen vervolgens de container en de opeenhoping van vele microdruppeltjes.

Met de optische microscoop gekalibreerd en gecontroleerd door deze te vergelijken met de gravimetriemethode, begon het team aan een ander experiment, waarbij de cyclopentanol werd vervangen door watermicrodruppeltjes die nanodeeltjes van polystyreen bevatten, wat gebruikelijke maar onofficiële normen zijn voor nanoplastische analyse. Dit systeem lijkt meer op het type monster waar veel wetenschappers in geïnteresseerd zijn, bijvoorbeeld bij het bestuderen van plasticvervuiling. De onderzoekers gebruikten de printer om rijen individuele watermicrodruppeltjes één voor één op een oppervlak neer te zetten.

Nadat ze op het oppervlak waren geland, verdampten de watermicrodruppels, waardoor de nanodeeltjes achterbleven. Het team telde vervolgens de nanodeeltjes, die waren gelabeld met een fluorescerende kleurstof. Op deze manier registreerde het team het aantal deeltjes dat in het volume van elke microdruppel was gesuspendeerd, wat een maatstaf voor de concentratie geeft. Deze meting is zowel een manier om de bulkvloeistof te bemonsteren als om de eigenschappen te bestuderen van microdruppels die kleine aantallen nanodeeltjes bevatten.

Met behulp van deze methode en een verlichtingssysteem dat sneller is dan het systeem dat door het team wordt gebruikt, zouden wetenschappers het volume, de beweging en de inhoud van een spray of wolk van microdruppels kunnen meten, aldus de onderzoekers. Dergelijke metingen zouden een sleutelrol kunnen spelen in toekomstige studies voor epidemiologische, milieu- en industriële toepassingen.