NIST verbetert optische microscopie voor nauwkeurige microdruppel volume metingen

Niezen, regenwolken en inktjetprinters: ze produceren allemaal of bevatten vloeistofdruppels zo klein dat er meerdere miljarden nodig zijn om een literfles te vullen.

Het meten van het volume, de beweging en de inhoud van microscopische druppels is belangrijk voor het bestuderen hoe luchtgetragene virussen zich verspreiden (waaronder die die COVID-19 veroorzaken), hoe wolken zonlicht reflecteren om de aarde af te koelen, hoe inktjetprinters fijn gedetailleerde patronen creëren, en zelfs hoe een frisdrankfles fragmenteren 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 druppels kleiner dan 100 biljardste van een liter gemeten met een onzekerheid van minder dan 1%. Dat is een tienvoudige verbetering ten opzichte van eerdere metingen.

Omdat optische microscopen direct de posities en dimensies van kleine objecten kunnen visualiseren, kunnen hun metingen gebruikt worden om het volume — evenredig met de diameter tot de macht drie — van sferische microdruppels te bepalen. Echter, de nauwkeurigheid van optische microscopie wordt beperkt door veel 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 het volume van microdruppels in vlucht konden meten met microscopie en een onafhankelijke techniek, bekend als gravimetrie.

Gravimetrie meet volume door de totale massa van veel microdruppels die zich in een container verzamelen te wegen. Als het aantal druppels gecontroleerd is en de dichtheid — massa per eenheid volume — gemeten wordt, dan kan de totale massa geregistreerd op een weegschaal gebruikt worden om het gemiddelde volume van één druppel te berekenen. Hoewel dit waardevolle informatie is, omdat druppels in grootte kunnen variëren, stelt het visualiseren van individuele druppels door optische microscopie een meer directe en complete meting mogelijk.

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

Het eerste standaardobject bestond uit scherpe metaalranden gescheiden door een gekalibreerde afstand om de diameter van een microdruppel voor te stellen. Zulke "mesranden", die een platte grens aannemen tussen de rand van een microdruppel en de omringende ruimte, worden veel gebruikt om optische systemen te testen, maar lijken maar superficial op microdruppels.

Het andere standaardobject bestaat uit plastic bollen met gekalibreerde diameters, die beelden in de microscoop produceren die erg lijken op die van microdruppels. Integendeed, de wetenschappers vonden dat toen 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 vonden dat de mesranden resulteerden in een slechtere match.) De wetenschappers kalibreerden ook diverse andere aspecten van de optische microscoop, inclusief focus en vervorming, met behoud van de koppelingen aan het SI.

Met deze verbeteringen loste optische microscopie het volume van microdruppels op tot één biljardste van een liter. De standaarden en kalibraties zijn praktisch en kunnen toegepast worden op veel typen optische microscopen die in basisonderzoek en toegepast onderzoek worden gebruikt, merkten de onderzoekers op. Integendeed, hoe minder geavanceerd de microscoopoptica, hoe meer een microscopiemeting kan profiteren van standaarden en kalibraties om de nauwkeurigheid van de beeldanalyse te verbeteren.

In hun hoofdproef gebruikten de onderzoekers een printer om een straal microdruppels van cyclopentanol, een viskeuze alcohol die langzaam verdampt, af te vuren. Ze controleerden de straal precies om een bekend aantal microdruppels te produceren. Terwijl de straal microdruppels van de printer in een container op een paar centimeters afstand vloog, werden ze achterverlicht en gebeeld met de optische microscoop. De onderzoekers wogen vervolgens de container en de accumulatie van veel microdruppels.

Met de optische microscoop gekalibreerd en gecontroleerd door het vergelijken met de gravimetriemethode, startte het team een ander experiment, waarbij ze de cyclopentanol vervingen door water microdruppels bevattende nanodeeltjes van polystyreen, die veelvoorkomende maar onofficiële standaarden zijn voor nanoplastic analyse. Dit systeem lijkt meer op het type monster waar veel wetenschappers geïnteresseerd in zijn, bijvoorbeeld bij het bestuderen van plasticvervuiling. De onderzoekers gebruikten de printer om rijen individuele water microdruppels op een oppervlak één voor één neer te zetten.

Na het landen op het oppervlak verdampten de water microdruppels, achterlatend de nanodeeltjes. Het team telde vervolgens de nanodeeltjes, die gelabeld waren met een fluorescentie kleurstof. Op deze manier noteerde het team het aantal deeltjes opgeschort in het volume van elke microdruppel, wat een maat voor concentratie oplevert. Deze meting is zowel een manier om de bulkvloeistof te bemonsteren als de eigenschappen van microdruppels met kleine aantallen nanodeeltjes te bestuderen.

Met deze methode en een verlichtingssysteem dat sneller is dan dat door het team gebruikt, zouden wetenschappers de capaciteit hebben om het volume, de beweging en de inhoud van een spuit of wolk van microdruppels te meten, zeiden de onderzoekers. Zulke metingen kunnen een sleutelrol spelen in toekomstige studies voor epidemiologische, milieu- en industriële toepassingen.