NIST、光学顕微鏡を改良し微小液滴の体積測定を高精度化

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、1リットル瓶を満たすのに数十億個必要なほど微小な液滴を生成または含んでいます。

微小液滴の体積、運動、内容物を測定することは、COVID-19の原因となるものを含む空気感染ウイルスの拡散メカニズムの解明、雲による太陽光反射と地球冷却、インクジェットプリンターの微細パターン形成、さらにはペットボトルがナノスケールプラスチック粒子に破砕され海洋を汚染する過程の理解などに重要です。

従来の光学顕微鏡の校正を改良することで、国立標準技術研究所（NIST）の研究者たちは、100兆分の1リットル未満の個々の液滴の体積を、不確実性1%未満で測定することに初めて成功しました。これは従来の測定より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撮像できるため、その測定値から球形微小液滴の体積——直径の3乗に比例——を決定できます。しかし、光学顕微鏡の精度は、画像解析が液滴の端と周囲の空間の境界をどれだけ正確に特定できるかなど、多くの要因によって制限されます。

光学顕微鏡の精度を高めるため、NISTの研究者たちは装置の新しい標準と校正を開発しました。また、顕微鏡と独立した技術である重量法を用いて、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。

重量法は、容器に蓄積した多数の微小液滴の総質量を計量することで体積を測定します。液滴の数が制御され、密度——単位体積あたりの質量——が測定されていれば、秤に表示される総質量から1滴あたりの平均体積を計算できます。これは貴重な情報ですが、液滴のサイズにはばらつきがあるため、光学顕微鏡で個々の液滴を撮像することで、より直接的で完全な測定が可能になります。

微小液滴の端の特定精度を向上させるため、研究者たちは微小液滴を模倣し画像境界を校正する2つの標準物体をテストしました。それぞれの標準物体について、端の間の正確に測定された距離により、対応する画像境界を校正できます。

最初の標準物体は、校正された距離で離れた鋭利な金属エッジで、微小液滴の直径を表します。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用いられますが、微小液滴とはわずかな類似性しかありません。

もう一方の標準物体は、校正された直径を持つプラスチック球で、顕微鏡での像が微小液滴と非常に似ています。実際、科学者たちはプラスチック球で画像境界を校正したとき、顕微鏡から導かれる微小液滴体積が重量法の結果と正確に一致することを発見しました（ナイフエッジではより悪い一致でした）。科学者たちはまた、光学顕微鏡の焦点や歪みなど、他のいくつかの側面も校正し、SI単位系との繋がりを維持しました。

これらの改良により、光学顕微鏡は微小液滴の体積を1兆分の1リットルの精度で分解能できました。これらの標準と校正は実用的で、基礎研究と応用研究で用いられる多くの種類の光学顕微鏡に適用可能だと研究者たちは述べています。実際、顕微鏡の光学性能が低いほど、標準と校正によって画像解析の精度を改善するメリットが大きくなります。

主実験では、研究者たちはプリンターを用いてシクロペンタノール（ゆっくり蒸発する粘性アルコール）の微小液滴ジェットを噴射しました。既知の数の微小液滴が生成されるようジェットを精密に制御しました。微小液滴ジェットがプリンターから数センチ離れた容器へ飛ぶ間、バックライトで照明し光学顕微鏡で撮像しました。その後、容器と蓄積した多数の微小液滴を計量しました。

光学顕微鏡を校正し、重量法と比較検証した後、チームは別の実験に着手し、シクロペンタノールをポリスチレンナノ粒子を含む水微小液滴に置き換えました。これはナノプラスチック分析の一般的だが非公式な標準です。このシステムは、プラスチック汚染の研究など、多くの科学者が関心を持つサンプルタイプにより近いものです。研究者たちはプリンターを用いて、個々の水微小液滴を表面に一列に、一滴ずつ堆積させました。

表面に着いた水微小液滴は蒸発し、ナノ粒子を残しました。チームは蛍光染料で標識されたナノ粒子を計数しました。これにより、各微小液滴の体積内に浮遊する粒子数を記録し、濃度の測定が可能になりました。この測定は、バルク液体のサンプリングと、少数のナノ粒子を含む微小液滴の特性研究の両方の手段となります。

この手法と、チームが用いたものより高速な照明システムを用いれば、科学者たちは微小液滴のスプレーや雲の体積、運動、内容物を測定できるようになると研究者たちは述べています。このような測定は、疫学、環境、産業用途の将来的研究で重要な役割を果たす可能性があります。