NIST mejora la capacidad de los microscopios ópticos para medir el volumen de microgotas

Estornudos, nubes de lluvia e impresoras de inyección de tinta:todas producen o contienen gotas de líquido tan diminutas que se necesitarían varios miles de millones para llenar una botella de un litro.

Medir el volumen, el movimiento y el contenido de las gotas microscópicas es importante para estudiar cómo se propagan los virus en el aire (incluidos los que causan el COVID-19), cómo las nubes reflejan la luz solar para enfriar la Tierra, cómo las impresoras de inyección de tinta crean patrones finamente detallados e incluso cómo un la botella de refresco se fragmenta en partículas de plástico a nanoescala que contaminan los océanos.

Al mejorar la calibración de un microscopio óptico convencional, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) midieron por primera vez el volumen de gotas individuales de menos de 100 billonésimas de litro con una incertidumbre de menos del 1%. Esa es una mejora diez veces superior a las mediciones anteriores.

Debido a que los microscopios ópticos pueden obtener imágenes directamente de las posiciones y dimensiones de objetos pequeños, sus medidas se pueden usar para determinar el volumen (proporcional al cubo del diámetro) de las microgotas esféricas. Sin embargo, la precisión de la microscopía óptica está limitada por muchos factores, como qué tan bien el análisis de imágenes puede ubicar el límite entre el borde de una gota y el espacio circundante.

Para mejorar la precisión de los microscopios ópticos, los investigadores del NIST desarrollaron nuevos estándares y calibraciones para los instrumentos. También idearon un sistema en el que podían medir simultáneamente el volumen de microgotas en vuelo usando microscopía y una técnica independiente, conocida como gravimetría.

La gravimetría mide el volumen pesando la masa total de muchas microgotas que se acumulan en un recipiente. Si se controla el número de gotas y se mide la densidad (masa por unidad de volumen), entonces la masa total registrada en una escala se puede usar para calcular el volumen promedio de una gota. Aunque esta es información valiosa, debido a que las gotas pueden variar en tamaño, la obtención de imágenes de gotas individuales mediante microscopía óptica permite una medición más directa y completa.

Para mejorar la precisión de la ubicación de los bordes de las microgotas, los investigadores probaron dos objetos estándar para imitar una microgota y calibrar los límites de la imagen. Para cada objeto estándar, una distancia medida con precisión y precisión entre sus bordes permite la calibración de los límites de la imagen correspondiente.

El primer objeto estándar consistía en bordes metálicos afilados separados por una distancia calibrada para representar el diámetro de una microgota. Dichos "bordes de cuchillo", que asumen un límite plano entre el borde de una microgota y el espacio circundante, se usan comúnmente para probar sistemas ópticos, pero solo tienen un parecido pasajero con las microgotas.

El otro objeto estándar consiste en esferas de plástico con diámetros calibrados, que producen imágenes en el microscopio muy similares a las de las microgotas. De hecho, los científicos descubrieron que cuando utilizaron las esferas de plástico para calibrar sus mediciones de los límites de la imagen, el volumen de microgotas derivado de la microscopía coincidía con precisión con el de la gravimetría. (Los investigadores descubrieron que los filos de los cuchillos resultaron en una coincidencia más pobre). Los científicos también calibraron varios otros aspectos del microscopio óptico, incluido el enfoque y la distorsión, manteniendo los enlaces con el SI en todo momento.

Con estas mejoras, la microscopía óptica resolvió el volumen de microgotas a una billonésima parte de un litro. Los estándares y las calibraciones son prácticos y se pueden aplicar a muchos tipos de microscopios ópticos empleados en investigación básica y aplicada, señalaron los investigadores. De hecho, cuanto menos avanzada sea la óptica del microscopio, más se beneficiará una medición microscópica de los estándares y calibraciones para mejorar la precisión del análisis de imágenes.

En su experimento principal, los investigadores usaron una impresora para disparar un chorro de microgotas de ciclopentanol, un alcohol viscoso que se evapora lentamente. Controlaron con precisión el chorro para producir un número conocido de microgotas. A medida que el chorro de microgotas volaba desde la impresora hacia un contenedor a unos pocos centímetros de distancia, se retroiluminaron y se tomaron imágenes con el microscopio óptico. Luego, los investigadores pesaron el recipiente y su acumulación de muchas microgotas.

Con el microscopio óptico calibrado y verificado comparándolo con el método de gravimetría, el equipo se embarcó en otro experimento, reemplazando el ciclopentanol con microgotas de agua que contenían nanopartículas de poliestireno, que son estándares comunes pero no oficiales para el análisis de nanoplásticos. Este sistema se parece más al tipo de muestra en el que muchos científicos están interesados, por ejemplo, en el estudio de la contaminación plástica. Los investigadores utilizaron la impresora para depositar filas de microgotas de agua individuales sobre una superficie, una a la vez.

Después de aterrizar en la superficie, las microgotas de agua se evaporaron, dejando atrás las nanopartículas. Luego, el equipo contó las nanopartículas, que se marcaron con un tinte fluorescente. De esta forma, el equipo registró la cantidad de partículas suspendidas dentro del volumen de cada microgota, lo que proporciona una medida de concentración. Esta medición es tanto una forma de tomar muestras del líquido a granel como de estudiar las propiedades de las microgotas que contienen pequeñas cantidades de nanopartículas.

Usando este método y un sistema de iluminación que es más rápido que el empleado por el equipo, los científicos tendrían la capacidad de medir el volumen, el movimiento y el contenido de un rocío o nube de microgotas, dijeron los investigadores. Tales mediciones podrían desempeñar un papel clave en futuros estudios para aplicaciones epidemiológicas, ambientales e industriales.