NIST verbessert optische Mikroskopie für präzise Mikrotröpfchen-Volumenmessung

Niesen, Regenwolken und Tintenstrahldrucker: Sie alle erzeugen oder enthalten Flüssigkeitströpfchen, so winzig, dass es mehrere Milliarden von ihnen bräuchte, um einen Literflasche zu füllen.

Die Messung von Volumen, Bewegung und Inhalt mikroskopischer Tröpfchen ist wichtig für die Untersuchung der Ausbreitung luftgetragener Viren (einschließlich jener, die COVID-19 verursachen), wie Wolken Sonnenlicht reflektieren und die Erde kühlen, wie Tintenstrahldrucker fein detaillierte Muster erzeugen und sogar, wie eine Sodaflasche in nanoskalige Plastikpartikel zerfällt, die die Ozeane verschmutzen.

Durch die Verbesserung der Kalibrierung eines herkömmlichen optischen Mikroskops haben Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) erstmals 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 Kubik des Durchmessers – kugelförmiger Mikrotröpfchen zu bestimmen. Die Genauigkeit der optischen Mikroskopie wird jedoch durch viele Faktoren begrenzt, wie beispielsweise, wie gut die Bildanalyse die Grenze zwischen dem Rand eines Tröpfchens und dem umgebenden Raum lokalisieren kann.

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

Gravimetrie misst 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 Gesamtmasse auf einer Waage zur Berechnung des durchschnittlichen Volumens eines Tröpfchens verwendet werden. Obwohl dies wertvolle Informationen liefert, können Tröpfchen in der Größe variieren, weshalb die Bildgebung einzelner Tröpfchen per optischer Mikroskopie eine direktere und vollständigere Messung ermöglicht.

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

Das erste Standardobjekt bestand aus scharfen Metallkanten, die durch einen kalibrierten Abstand 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 häufig zum Testen optischer Systeme verwendet, ähneln aber Mikrotröpfchen nur oberflächlich.

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 die Mikrotröpfchenvolumen, die aus der Mikroskopie abgeleitet wurden, bei Verwendung der Kunststoffkugeln zur Kalibrierung der Bildgrenzen genau mit denen aus der Gravimetrie übereinstimmten. (Die Forscher fanden, dass die Messerkanten eine schlechtere Übereinstimmung ergaben.) Die Wissenschaftler kalibrierten auch mehrere andere Aspekte des optischen Mikroskops, einschließlich Fokus und Verzeichnung, wobei die Verknüpfung zum SI-System gewahrt blieb.

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 optischer Mikroskope angewendet werden, die in Grundlagen- und angewandter Forschung eingesetzt werden, so die Forscher. Tatsächlich profitiert eine Mikroskopiemessung umso mehr von Standards und Kalibrierungen zur Verbesserung der Genauigkeit der Bildanalyse, je weniger fortgeschritten die Mikroskopoptik ist.

In ihrem Hauptexperiment nutzten die Forscher einen Drucker, um einen Strahl von Mikrotröpfchen aus Cyclopentanol, einem zähflüssigen Alkohol, der langsam verdampft, abzufeuern. Sie kontrollierten den Strahl präzise, um eine bekannte Anzahl von Mikrotröpfchen zu erzeugen. Während der Strahl aus Mikrotröpfchen vom Drucker in einen wenige Zentimeter entfernten Behälter flog, wurden sie hinterleuchtet und mit dem optischen Mikroskop abgebildet. Die Forscher wogen dann den Behälter und seine Ansammlung vieler Mikrotröpfchen.

Mit dem kalibrierten und durch Vergleich mit der Gravimetrie-Methode geprüften optischen Mikroskop startete das Team ein weiteres Experiment, bei dem Cyclopentanol durch Wasser-Mikrotröpfchen mit Nanopartikeln aus Polystyrol ersetzt wurde, die gängige, aber inoffizielle Standards für Nanoplastik-Analysen sind. Dieses System ähnelt eher der Art von Proben, an denen viele Wissenschaftler interessiert sind, beispielsweise bei der Untersuchung von Plastikverschmutzung. Die Forscher nutzten den Drucker, um Reihen einzelner Wasser-Mikrotröpfchen nacheinander auf einer Oberfläche abzulegen.

Nach dem Aufprall auf die Oberfläche verdampften die Wasser-Mikrotröpfchen und hinterließen die Nanopartikel. Das Team zählte dann die Nanopartikel, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert waren. Auf diese Weise erfasste das Team die Anzahl der Partikel, die im Volumen jedes Mikrotröpfchens suspendiert waren, was ein Maß für die Konzentration darstellt. Diese Messung ist sowohl eine Möglichkeit, die Bulk-Flüssigkeit zu beproben, als auch die Eigenschaften von Mikrotröpfchen mit kleinen Anzahlen von Nanopartikeln zu untersuchen.

Mit dieser Methode und einem Beleuchtungssystem, das schneller ist als das vom Team eingesetzte, würden Wissenschaftler die Fähigkeit haben, Volumen, Bewegung und Inhalt eines Sprays oder einer Wolke von Mikrotröpfchen zu messen, so die Forscher. Solche Messungen könnten eine Schlüsselrolle in zukünftigen Studien für epidemiologische, umweltbezogene und industrielle Anwendungen spielen.