NISTは、光学顕微鏡が微小液滴の体積を測定する能力を向上させます

くしゃみ、雨雲、インクジェットプリンター：これらはすべて液滴を生成または含むため、1リットルのボトルを満たすのに数十億個かかるほど小さいです。

微細な液滴の体積、動き、内容を測定することは、空中のウイルスがどのように広がるか（COVID-19を引き起こすものを含む）、雲が太陽光を反射して地球を冷却する方法、インクジェットプリンターがどのように詳細なパターンを作成するか、さらにはソーダボトルは、海を汚染するナノスケールのプラスチック粒子に断片化します。

米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者は、従来の光学顕微鏡のキャリブレーションを改善することにより、1％未満の不確かさで100兆分の1リットル未満の個々の液滴の体積を初めて測定しました。これは、以前の測定値の10倍の改善です。

光学顕微鏡は小さな物体の位置と寸法を直接画像化できるため、それらの測定値を使用して、球形の微小液滴の体積（3乗された直径に比例）を決定できます。ただし、光学顕微鏡の精度は、画像分析で液滴のエッジと周囲の空間との境界をどれだけうまく特定できるかなど、多くの要因によって制限されます。

光学顕微鏡の精度を向上させるために、NISTの研究者は機器の新しい標準と校正を開発しました。彼らはまた、顕微鏡法と重力法として知られる独立した技術を使用して、飛行中の微小液滴の体積を同時に測定できるシステムを考案しました。

重力法は、容器に蓄積する多くの微小液滴の総質量を計量することによって体積を測定します。液滴の数を制御し、密度（単位体積あたりの質量）を測定すると、スケールに登録された総質量を使用して、1つの液滴の平均体積を計算できます。これは貴重な情報ですが、液滴のサイズはさまざまであるため、光学顕微鏡で単一の液滴を画像化することで、より直接的で完全な測定が可能になります。

微小液滴のエッジの位置を特定する精度を向上させるために、研究者は2つの標準オブジェクトをテストして、微小液滴を模倣し、画像の境界を調整しました。標準オブジェクトごとに、そのエッジ間の距離を正確かつ正確に測定することで、対応する画像境界のキャリブレーションが可能になります。

最初の標準オブジェクトは、微小液滴の直径を表すために較正された距離で分離された鋭い金属エッジで構成されていました。微小液滴のエッジと周囲の空間との間に平坦な境界を想定するこのような「ナイフエッジ」は、光学システムのテストに一般的に使用されますが、微小液滴との類似点しかありません。

もう1つの標準オブジェクトは、直径が較正されたプラスチック球で構成されており、顕微鏡で微小液滴の画像と非常によく似た画像を生成します。実際、科学者たちは、プラスチック球を使用して画像境界の測定値を較正すると、顕微鏡法から得られた微小液滴の体積が重力法から得られたものと正確に一致することを発見しました。 （研究者は、ナイフのエッジの一致が悪くなることを発見しました。）科学者は、焦点や歪みなど、光学顕微鏡の他のいくつかの側面も調整し、SIへのリンクを維持しました。

これらの改善により、光学顕微鏡は微小液滴の体積を1兆分の1リットルに分解しました。標準と校正は実用的であり、基礎研究と応用研究で使用される多くの種類の光学顕微鏡に適用できると研究者らは述べています。実際、顕微鏡の光学系が進歩していないほど、顕微鏡測定は画像分析の精度を向上させるための標準とキャリブレーションの恩恵を受けることができます。

彼らの主な実験では、研究者たちはプリンターを使用して、ゆっくりと蒸発する粘性のあるアルコールであるシクロペンタノールの微小液滴のジェットを発射しました。彼らはジェットを正確に制御して、既知の数の微小液滴を生成しました。微小液滴のジェットがプリンターから数センチメートル離れた容器に飛んだとき、それらはバックライトを当てられ、光学顕微鏡で画像化されました。次に、研究者は容器とその多くの微小液滴の蓄積を計量しました。

光学顕微鏡を重力測定法と比較して校正およびチェックした後、チームは別の実験に着手し、シクロペンタノールを、ナノプラスチック分析の一般的で非公式な標準であるポリスチレンのナノ粒子を含む水微小液滴に置き換えました。このシステムは、たとえばプラスチック汚染の研究など、多くの科学者が関心を持っているタイプのサンプルに、よりよく似ています。研究者たちは、プリンターを使用して、個々の水の微小液滴の列を一度に1つずつ表面に堆積させました。

表面に着地した後、水の微小液滴が蒸発し、ナノ粒子が残りました。次に、チームは、蛍光色素で標識されたナノ粒子を数えました。このようにして、チームは各微小液滴の体積内に浮遊している粒子の数を記録しました。これは濃度の尺度を提供します。この測定は、バルク液体をサンプリングする方法と、少数のナノ粒子を含む微小液滴の特性を研究する方法の両方です。

この方法と、チームが採用しているものよりも高速な照明システムを使用すると、科学者は、微小液滴のスプレーまたは雲の体積、動き、および内容を測定することができます。このような測定は、疫学、環境、および産業用途の将来の研究で重要な役割を果たす可能性があります。