Измерение объема, движения и содержимого микроскопических капель важно для изучения того, как распространяются воздушно-капельные вирусы (в том числе те, которые вызывают COVID-19), как облака отражают солнечный свет, охлаждая Землю, как струйные принтеры создают тонко детализированные узоры и даже как бутылка из-под газировки распадается на наноразмерные пластиковые частицы, которые загрязняют окружающую среду. океаны.

Улучшив калибровку обычного оптического микроскопа, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) впервые измерили объем отдельных капель размером менее 100 триллионных долей литра с погрешностью менее 1%. Это десятикратное улучшение по сравнению с предыдущими измерениями.

Поскольку оптические микроскопы могут непосредственно отображать положение и размеры небольших объектов, их измерения могут быть использованы для определения объема - пропорционального диаметру в кубе - сферических микрокапель. Однако точность оптической микроскопии ограничена многими факторами, такими как то, насколько хорошо анализ изображения позволяет определить границу между краем капли и окружающим пространством.

Чтобы повысить точность оптических микроскопов, исследователи NIST разработали новые стандарты и калибровки для приборов. Они также разработали систему, в которой они могли одновременно измерять объем микрокапель в полете с помощью микроскопии и независимого метода, известного как гравиметрия.

Гравиметрия измеряет объем путем взвешивания общей массы множества микрокапель, которые накапливаются в контейнере. Если количество капель контролируется и измеряется плотность - масса на единицу объема, то общая масса, зарегистрированная на шкале, может быть использована для расчета среднего объема одной капли. Хотя это ценная информация, поскольку капли могут различаться по размеру, визуализация отдельных капель с помощью оптической микроскопии позволяет проводить более прямые и полные измерения.

Тем не менее, взвешивание содержимого контейнера является проверенным методом, и гравиметрические измерения легко привязываются к Международной системе единиц (СИ) с высокой степенью достоверности. Такие измерения являются наиболее надежными, поскольку единицы измерения основаны на фундаментальных константах природы, которые не меняются с течением времени. Поэтому команда использовала гравиметрию, чтобы проверить надежность микроскопии при определении размеров капель.

Чтобы повысить точность определения местоположения краев микрокапель, исследователи протестировали два стандартных объекта для имитации микрокапель и калибровки границ изображения. Для каждого стандартного объекта точно измеренное расстояние между его краями позволяет выполнить калибровку соответствующих границ изображения.

Первый стандартный объект состоял из острых металлических краев, разделенных калиброванным расстоянием, представляющим диаметр микрокапли. Такие "кромки ножа", которые предполагают плоскую границу между краем микрокапли и окружающим пространством, обычно используются для тестирования оптических систем, но имеют лишь мимолетное сходство с микрокаплями.

Другой стандартный объект состоял из пластиковых сфер с калиброванными диаметрами, которые дают изображения в микроскоп, очень похожие на изображения микрокапель. Действительно, ученые обнаружили, что когда они использовали пластиковые сферы для калибровки своих измерений границ изображения, объем микрокапель, полученный с помощью микроскопии, точно соответствовал объему гравиметрии. (Исследователи обнаружили, что края ножа хуже совпадают.) Ученые также откалибровали несколько других аспектов оптического микроскопа, включая фокусировку и искажение, поддерживая связь с SI во всем.

Благодаря этим усовершенствованиям оптическая микроскопия позволила уменьшить объем микрокапель до одной триллионной литра. Исследователи отметили, что стандарты и калибровки практичны и могут быть применены ко многим типам оптических микроскопов, используемых в фундаментальных и прикладных исследованиях. На самом деле, чем менее совершенная оптика микроскопа, тем больше пользы для микроскопических измерений могут принести стандарты и калибровки для повышения точности анализа изображений.

Исследователи NIST в сотрудничестве с Университетом Мэриленда в Колледж-Парке сообщили о результатах 20 декабря онлайн в Аналитическая химия.

В своем основном эксперименте исследователи использовали принтер для выпуска струи микрокапель циклопентанола, вязкого спирта, который медленно испаряется. Они точно управляли струей, чтобы получить известное количество микрокапель. Когда струя микрокапель вылетала из принтера в контейнер на расстоянии нескольких сантиметров, они подсвечивались и отображались с помощью оптического микроскопа. Затем исследователи взвесили контейнер и обнаружили в нем скопление множества микрокапель.

Откалибровав оптический микроскоп и проверив его путем сравнения с методом гравиметрии, команда приступила к другому эксперименту, заменив циклопентанол на микрокапли воды, содержащие наночастицы полистирола, которые являются распространенными, но неофициальными стандартами для анализа нанопластики. Эта система больше напоминает тип образца, который интересует многих ученых, например, при изучении загрязнения пластиком. Исследователи использовали принтер для нанесения рядов отдельных микрокапель воды на поверхность по одной за раз.

После приземления на поверхность микрокапли воды испарялись, оставляя после себя наночастицы. Затем команда подсчитала наночастицы, которые были помечены флуоресцентным красителем. Таким образом, команда записала количество частиц, взвешенных в объеме каждой микрокапли, что обеспечивает показатель концентрации. Это измерение является одновременно способом отбора проб объемной жидкости и изучения свойств микрокапель, содержащих небольшое количество наночастиц.

По словам исследователей, используя этот метод и систему освещения, которая работает быстрее, чем та, которую использует команда, ученые смогут измерять объем, движение и содержимое брызг или облака микрокапель. Такие измерения могли бы сыграть ключевую роль в будущих исследованиях для эпидемиологических, экологических и промышленных применений.