NIST melhora a capacidade de microscópios ópticos para medir o volume de microgotículas

Espirros, nuvens de chuva e impressoras a jato de tinta:todos eles produzem ou contêm gotículas líquidas tão pequenas que seriam necessários vários bilhões para encher uma garrafa de litro.

Medir o volume, movimento e conteúdo de gotículas microscópicas é importante para estudar como os vírus transportados pelo ar se espalham (incluindo aqueles que causam COVID-19), como as nuvens refletem a luz solar para resfriar a Terra, como as impressoras a jato de tinta criam padrões detalhados e até mesmo como um garrafas de refrigerante fragmentam-se em partículas de plástico em nanoescala que poluem os oceanos.

Ao melhorar a calibração de um microscópio óptico convencional, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) mediram pela primeira vez o volume de gotículas individuais menores que 100 trilionésimos de litro com uma incerteza de menos de 1%. Isso é uma melhoria de dez vezes em relação às medições anteriores.

Como os microscópios ópticos podem visualizar diretamente as posições e dimensões de pequenos objetos, suas medições podem ser usadas para determinar o volume - proporcional ao diâmetro ao cubo - de microgotas esféricas. No entanto, a precisão da microscopia óptica é limitada por muitos fatores, como quão bem a análise da imagem pode localizar o limite entre a borda de uma gota e o espaço circundante.

Para melhorar a precisão dos microscópios ópticos, os pesquisadores do NIST desenvolveram novos padrões e calibrações para os instrumentos. Eles também criaram um sistema no qual poderiam medir simultaneamente o volume de microgotas em voo usando microscopia e uma técnica independente, conhecida como gravimetria.

A gravimetria mede o volume pesando a massa total de muitas microgotas que se acumulam em um recipiente. Se o número de gotículas for controlado e a densidade – massa por unidade de volume – for medida, então a massa total registrada em uma balança pode ser usada para calcular o volume médio de uma gota. Embora esta seja uma informação valiosa, porque as gotas podem variar em tamanho, a imagem de gotas únicas por microscopia óptica permite uma medição mais direta e completa.

Para melhorar a precisão da localização das bordas das microgotas, os pesquisadores testaram dois objetos padrão para imitar uma microgota e calibrar os limites da imagem. Para cada objeto padrão, uma distância medida com precisão e precisão entre suas bordas permite a calibração dos limites de imagem correspondentes.

O primeiro objeto padrão consistia em bordas metálicas afiadas separadas por uma distância calibrada para representar o diâmetro de uma microgota. Essas “bordas de faca”, que assumem um limite plano entre a borda de uma microgota e o espaço circundante, são comumente usadas para testar sistemas ópticos, mas apresentam apenas uma semelhança passageira com as microgotas.

O outro objeto padrão consiste em esferas plásticas com diâmetros calibrados, que produzem imagens no microscópio muito semelhantes às das microgotas. De fato, os cientistas descobriram que, quando usaram as esferas de plástico para calibrar suas medidas dos limites da imagem, o volume de microgotas derivado da microscopia correspondeu precisamente ao da gravimetria. (Os pesquisadores descobriram que as bordas das facas resultaram em uma correspondência mais fraca.) Os cientistas também calibraram vários outros aspectos do microscópio óptico, incluindo foco e distorção, mantendo os links para o SI por toda parte.

Com essas melhorias, a microscopia óptica resolveu o volume de microgotículas para um trilionésimo de litro. Os padrões e calibrações são práticos e podem ser aplicados a muitos tipos de microscópios ópticos empregados em pesquisa básica e aplicada, observaram os pesquisadores. Na verdade, quanto menos avançada a óptica do microscópio, mais uma medição de microscopia pode se beneficiar de padrões e calibrações para melhorar a precisão da análise de imagem.

Em seu experimento principal, os pesquisadores usaram uma impressora para disparar um jato de microgotas de ciclopentanol, um álcool viscoso que evapora lentamente. Eles controlaram com precisão o jato para produzir um número conhecido de microgotas. Quando o jato de microgotículas voou da impressora para um recipiente a alguns centímetros de distância, elas foram iluminadas e fotografadas com o microscópio óptico. Os pesquisadores então pesaram o recipiente e seu acúmulo de muitas microgotas.

Com o microscópio óptico calibrado e verificado comparando-o com o método de gravimetria, a equipe embarcou em outro experimento, substituindo o ciclopentanol por microgotas de água contendo nanopartículas de poliestireno, que são padrões comuns, mas não oficiais, para análise de nanoplásticos. Esse sistema se assemelha mais ao tipo de amostra que muitos cientistas estão interessados, por exemplo, no estudo da poluição plástica. Os pesquisadores usaram a impressora para depositar fileiras de microgotas de água individuais em uma superfície, uma de cada vez.

Depois de pousar na superfície, as microgotas de água evaporaram, deixando para trás as nanopartículas. A equipe então contou as nanopartículas, que foram marcadas com um corante fluorescente. Dessa forma, a equipe registrou o número de partículas suspensas dentro do volume de cada microgota, o que fornece uma medida de concentração. Essa medição é uma maneira de amostrar o líquido a granel e estudar as propriedades de microgotas contendo um pequeno número de nanopartículas.

Usando esse método e um sistema de iluminação mais rápido que o empregado pela equipe, os cientistas teriam a capacidade de medir o volume, o movimento e o conteúdo de um spray ou nuvem de microgotas, disseram os pesquisadores. Tais medições podem desempenhar um papel fundamental em estudos futuros para aplicações epidemiológicas, ambientais e industriais.