NIST verbessert die Fähigkeit optischer Mikroskope, das Volumen von Mikrotröpfchen zu messen

Nieser, Regenwolken und Tintenstrahldrucker:Sie alle produzieren oder enthalten Flüssigkeitströpfchen, die so winzig sind, dass mehrere Milliarden davon benötigt würden, um eine Literflasche zu füllen.

Das Messen des Volumens, der Bewegung und des Inhalts mikroskopisch kleiner Tröpfchen ist wichtig, um zu untersuchen, wie sich Viren in der Luft ausbreiten (einschließlich derer, die COVID-19 verursachen), wie Wolken Sonnenlicht reflektieren, um die Erde zu kühlen, wie Tintenstrahldrucker fein detaillierte Muster erzeugen und sogar wie a Sodaflaschenfragmente in nanoskalige Plastikpartikel, die die Ozeane verschmutzen.

Durch die Verbesserung der Kalibrierung eines herkömmlichen optischen Mikroskops haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) zum ersten Mal das Volumen einzelner Tröpfchen kleiner als 100 Billionstel Liter mit einer Unsicherheit von weniger als 1 % gemessen. Das ist eine zehnfache Verbesserung gegenüber früheren Messungen.

Da optische Mikroskope die Positionen und Abmessungen kleiner Objekte direkt abbilden können, können ihre Messungen verwendet werden, um das Volumen – proportional zum Kubikdurchmesser – kugelförmiger Mikrotröpfchen zu bestimmen. Die Genauigkeit der optischen Mikroskopie wird jedoch durch viele Faktoren begrenzt, z. B. wie gut die Bildanalyse die Grenze zwischen dem Rand eines Tropfens und dem umgebenden Raum lokalisieren kann.

Um die Genauigkeit optischer Mikroskope zu verbessern, entwickelten NIST-Forscher neue Standards und Kalibrierungen für die Instrumente. Sie entwickelten auch ein System, mit dem sie gleichzeitig das Volumen von Mikrotröpfchen im Flug mithilfe von Mikroskopie und einer unabhängigen Technik, bekannt als Gravimetrie, messen konnten.

Die Gravimetrie misst das Volumen durch Wiegen der Gesamtmasse vieler Mikrotröpfchen, die sich in einem Behälter ansammeln. Wenn die Anzahl der Tröpfchen kontrolliert und die Dichte – Masse pro Volumeneinheit – gemessen wird, kann die auf einer Waage erfasste Gesamtmasse verwendet werden, um das durchschnittliche Volumen eines Tröpfchens zu berechnen. Obwohl dies wertvolle Informationen sind, da Tröpfchen in der Größe variieren können, ermöglicht die Abbildung einzelner Tröpfchen durch optische Mikroskopie eine direktere und vollständigere Messung.

Um die Genauigkeit der Lokalisierung der Mikrotröpfchenränder zu verbessern, testeten die Forscher zwei Standardobjekte, um ein Mikrotröpfchen nachzuahmen und die Bildgrenzen zu kalibrieren. Für jedes Standardobjekt ermöglicht ein genau und genau gemessener Abstand zwischen seinen Rändern die Kalibrierung der entsprechenden Bildgrenzen.

Das erste Standardobjekt bestand aus scharfen Metallkanten, die durch einen kalibrierten Abstand voneinander getrennt waren, um den Durchmesser eines Mikrotröpfchens darzustellen. Solche „Messerkanten“, die eine flache Grenze zwischen dem Rand eines Mikrotröpfchens und dem umgebenden Raum annehmen, werden üblicherweise zum Testen optischer Systeme verwendet, haben aber nur eine flüchtige Ähnlichkeit mit Mikrotröpfchen.

Das andere Standardobjekt besteht aus Kunststoffkugeln mit kalibrierten Durchmessern, die im Mikroskop Bilder erzeugen, die denen von Mikrotröpfchen sehr ähnlich sind. Tatsächlich stellten die Wissenschaftler fest, dass bei der Verwendung der Kunststoffkugeln zur Kalibrierung ihrer Messungen der Bildgrenzen das aus der Mikroskopie abgeleitete Mikrotröpfchenvolumen genau mit dem aus der Gravimetrie übereinstimmte. (Die Forscher fanden heraus, dass die Messerkanten zu einer schlechteren Übereinstimmung führten.) Die Wissenschaftler kalibrierten auch mehrere andere Aspekte des optischen Mikroskops, einschließlich Fokus und Verzerrung, wobei die Verbindungen zum SI durchgehend beibehalten wurden.

Mit diesen Verbesserungen löste die optische Mikroskopie das Volumen von Mikrotröpfchen auf ein Billionstel Liter auf. Die Standards und Kalibrierungen sind praktisch und können auf viele Arten von optischen Mikroskopen angewendet werden, die in der Grundlagen- und angewandten Forschung eingesetzt werden, stellten die Forscher fest. Je weniger fortschrittlich die Mikroskopoptik ist, desto mehr kann eine Mikroskopiemessung von Standards und Kalibrierungen profitieren, um die Genauigkeit der Bildanalyse zu verbessern.

In ihrem Hauptexperiment verwendeten die Forscher einen Drucker, um einen Strahl aus Mikrotröpfchen von Cyclopentanol, einem viskosen Alkohol, der langsam verdunstet, zu schießen. Sie steuerten den Strahl präzise, ​​um eine bekannte Anzahl von Mikrotröpfchen zu erzeugen. Als der Strahl aus Mikrotröpfchen vom Drucker in einen wenige Zentimeter entfernten Behälter flog, wurden sie von hinten beleuchtet und mit dem optischen Mikroskop abgebildet. Anschließend wogen die Forscher den Behälter und die Ansammlung vieler Mikrotröpfchen.

Nachdem das optische Mikroskop kalibriert und durch Vergleich mit der Gravimetriemethode überprüft worden war, begann das Team mit einem weiteren Experiment, bei dem das Cyclopentanol durch Wassermikrotröpfchen ersetzt wurde, die Polystyrol-Nanopartikel enthielten, die übliche, aber inoffizielle Standards für die Analyse von Nanokunststoffen sind. Dieses System ähnelt eher der Art von Probe, an der viele Wissenschaftler interessiert sind, beispielsweise um die Verschmutzung durch Plastik zu untersuchen. Die Forscher setzten den Drucker ein, um Reihen einzelner Wassermikrotröpfchen nacheinander auf einer Oberfläche aufzubringen.

Nach der Landung auf der Oberfläche verdampften die Wassermikrotröpfchen und hinterließen die Nanopartikel. Anschließend zählte das Team die Nanopartikel, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert waren. Auf diese Weise zeichnete das Team die Anzahl der im Volumen jedes Mikrotröpfchens suspendierten Partikel auf, was ein Maß für die Konzentration darstellt. Diese Messung ist sowohl eine Möglichkeit, die Flüssigkeitsmasse zu beproben als auch die Eigenschaften von Mikrotröpfchen zu untersuchen, die eine kleine Anzahl von Nanopartikeln enthalten.

Mit dieser Methode und einem Beleuchtungssystem, das schneller ist als das vom Team verwendete, könnten Wissenschaftler das Volumen, die Bewegung und den Inhalt eines Sprays oder einer Wolke aus Mikrotröpfchen messen, sagten die Forscher. Solche Messungen könnten eine Schlüsselrolle in zukünftigen Studien für epidemiologische, umweltbezogene und industrielle Anwendungen spielen.