NIST Mejora la Microscopía Óptica para Medidas Precisas de Volumen de Microgotas

Estornudos, nubes de lluvia e impresoras de inyección de tinta: todos producen o contienen gotas líquidas 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 gotas microscópicas es importante para estudiar cómo se propagan los virus transmitidos por el aire (incluidos los que causan 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 una botella de refresco se fragmenta en partículas de plástico a nanoescala que contaminan los océanos.

Al mejorar la calibración de un microscopio óptico convencional, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han medido por primera vez el volumen de gotas individuales menores a 100 billonésimas de litro con una incertidumbre inferior al 1%. Eso es una mejora de diez veces respecto a mediciones anteriores.

Dado que los microscopios ópticos pueden obtener imágenes directas de las posiciones y dimensiones de objetos pequeños, sus mediciones pueden usarse para determinar el volumen —proporcional al diámetro al cubo— de microgotas esféricas. Sin embargo, la precisión de la microscopía óptica está limitada por muchos factores, como la capacidad del análisis de imagen para localizar 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 balanza puede usarse para calcular el volumen promedio de una gota. Aunque esta es información valiosa, dado 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 en la localización 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 exactitud entre sus bordes permite la calibración de los límites de imagen correspondientes.

El primer objeto estándar consistía en bordes metálicos afilados separados por una distancia calibrada para representar el diámetro de una microgota. Estos "bordes de cuchilla", que asumen un límite plano entre el borde de una microgota y el espacio circundante, se usan comúnmente para probar sistemas ópticos pero tienen solo 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 usaban las esferas de plástico para calibrar sus mediciones de límites de imagen, el volumen de microgotas derivado de la microscopía coincidía precisamente con el de la gravimetría. (Los investigadores encontraron que los bordes de cuchilla resultaban en una concordancia peor). Los científicos también calibraron varios otros aspectos del microscopio óptico, incluyendo enfoque y distorsión, manteniendo los vínculos con el SI en todo momento.

Con estas mejoras, la microscopía óptica resolvió el volumen de microgotas a una billonésima de litro. Los estándares y calibraciones son prácticos y pueden aplicarse 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 puede beneficiarse una medición de microscopía de estándares y calibraciones para mejorar la precisión del análisis de imagen.

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. Mientras el chorro de microgotas volaba desde la impresora hacia un recipiente a pocos centímetros de distancia, eran retroiluminadas e imagenadas 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 gravimétrico, el equipo emprendió 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 asemeja más al tipo de muestra que interesa a muchos científicos, por ejemplo, en el estudio de la contaminación plástica. Los investigadores usaron la impresora para depositar filas de microgotas de agua individuales sobre una superficie una a la vez.

Tras aterrizar en la superficie, las microgotas de agua se evaporaron, dejando atrás las nanopartículas. El equipo contó entonces las nanopartículas, que estaban marcadas con un tinte fluorescente. De esta manera, el equipo registró el número de partículas suspendidas dentro del volumen de cada microgota, lo que proporciona una medida de concentración. Esta medición es tanto una forma de muestrear el líquido a granel como de estudiar las propiedades de microgotas que contienen pequeños números de nanopartículas.

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