NIST Meningkatkan Kemampuan Mikroskop Optik untuk Mengukur Volume Mikrodroplet
Bersin, awan hujan, dan printer ink jet:Semuanya menghasilkan atau mengandung tetesan cairan yang sangat kecil sehingga dibutuhkan beberapa miliar untuk mengisi satu liter botol.
Mengukur volume, gerakan, dan isi tetesan mikroskopis penting untuk mempelajari bagaimana virus di udara menyebar (termasuk yang menyebabkan COVID-19), bagaimana awan memantulkan sinar matahari untuk mendinginkan Bumi, bagaimana printer ink jet membuat pola yang sangat detail, dan bahkan bagaimana pecahan botol soda menjadi partikel plastik berskala nano yang mencemari lautan.
Dengan meningkatkan kalibrasi mikroskop optik konvensional, para peneliti di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) untuk pertama kalinya mengukur volume tetesan individu yang lebih kecil dari 100 triliun liter dengan ketidakpastian kurang dari 1%. Itu adalah peningkatan sepuluh kali lipat dari pengukuran sebelumnya.
Karena mikroskop optik dapat secara langsung menggambarkan posisi dan dimensi benda kecil, pengukurannya dapat digunakan untuk menentukan volume — sebanding dengan diameter kubik — dari mikrodroplet bulat. Namun, keakuratan mikroskop optik dibatasi oleh banyak faktor, seperti seberapa baik analisis citra dapat menemukan batas antara tepi tetesan dan ruang sekitarnya.
Untuk meningkatkan akurasi mikroskop optik, peneliti NIST mengembangkan standar dan kalibrasi baru untuk instrumen. Mereka juga merancang sistem di mana mereka dapat secara bersamaan mengukur volume mikrodroplet dalam penerbangan menggunakan mikroskop dan teknik independen, yang dikenal sebagai gravimetri.
Gravimetri mengukur volume dengan menimbang massa total banyak mikrodroplet yang terakumulasi dalam wadah. Jika jumlah tetesan dikendalikan dan densitas — massa per satuan volume — diukur, maka massa total yang terdaftar pada skala dapat digunakan untuk menghitung volume rata-rata satu tetesan. Meskipun ini adalah informasi yang berharga, karena ukuran tetesan dapat bervariasi, pencitraan tetesan tunggal dengan mikroskop optik memungkinkan pengukuran yang lebih langsung dan lengkap.
Untuk meningkatkan akurasi lokasi tepi mikrodroplet, para peneliti menguji dua objek standar untuk meniru mikrodroplet dan mengkalibrasi batas gambar. Untuk setiap objek standar, jarak yang diukur dengan tepat dan akurat antara tepinya memungkinkan kalibrasi batas gambar yang sesuai.
Objek standar pertama terdiri dari tepi logam tajam yang dipisahkan oleh jarak yang dikalibrasi untuk mewakili diameter mikrodroplet. “Tepi pisau” seperti itu, yang mengasumsikan batas datar antara tepi mikrodroplet dan ruang sekitarnya, biasanya digunakan untuk menguji sistem optik tetapi hanya memiliki kemiripan yang lewat dengan mikrodroplet.
Objek standar lainnya terdiri dari bola plastik dengan diameter yang dikalibrasi, yang menghasilkan gambar di mikroskop yang sangat mirip dengan mikrodroplet. Memang, para ilmuwan menemukan bahwa ketika mereka menggunakan bola plastik untuk mengkalibrasi pengukuran batas gambar mereka, volume mikrodroplet yang berasal dari mikroskop persis sama dengan yang dari gravimetri. (Para peneliti menemukan bahwa ujung pisau menghasilkan kecocokan yang lebih buruk.) Para ilmuwan juga mengkalibrasi beberapa aspek lain dari mikroskop optik, termasuk fokus dan distorsi, mempertahankan tautan ke SI secara keseluruhan.
Dengan perbaikan ini, mikroskop optik menyelesaikan volume mikrodroplet menjadi sepertriliun liter. Standar dan kalibrasinya praktis dan dapat diterapkan pada banyak jenis mikroskop optik yang digunakan dalam penelitian dasar dan terapan, catat para peneliti. Faktanya, semakin canggih optik mikroskop, semakin banyak manfaat pengukuran mikroskopi dari standar dan kalibrasi untuk meningkatkan akurasi analisis gambar.
Dalam percobaan utama mereka, para peneliti menggunakan printer untuk menembakkan jet mikrodroplet siklopentanol, alkohol kental yang menguap perlahan. Mereka secara tepat mengendalikan jet untuk menghasilkan sejumlah mikrodroplet yang diketahui. Saat semburan mikrodroplet terbang dari printer ke dalam wadah beberapa sentimeter jauhnya, mereka disinari dari belakang dan dicitrakan dengan mikroskop optik. Para peneliti kemudian menimbang wadah dan akumulasi banyak mikrodropletnya.
Dengan mikroskop optik yang dikalibrasi dan diperiksa dengan membandingkannya dengan metode gravimetri, tim memulai eksperimen lain, mengganti siklopentanol dengan mikrodroplet air yang mengandung nanopartikel polistirena, yang merupakan standar umum tetapi tidak resmi untuk analisis nanoplastik. Sistem ini lebih mirip dengan jenis sampel yang diminati banyak ilmuwan, misalnya dalam mempelajari polusi plastik. Para peneliti menggunakan printer untuk menyimpan deretan mikrodroplet air individu di permukaan satu per satu.
Setelah mendarat di permukaan, mikrodroplet air menguap, meninggalkan nanopartikel. Tim kemudian menghitung partikel nano, yang diberi label dengan pewarna fluoresen. Dengan cara ini, tim mencatat jumlah partikel yang tersuspensi dalam volume setiap mikrodroplet, yang memberikan ukuran konsentrasi. Pengukuran ini merupakan cara untuk mengambil sampel cairan curah dan mempelajari sifat-sifat mikrodroplet yang mengandung sejumlah kecil nanopartikel.
Dengan menggunakan metode ini dan sistem iluminasi yang lebih cepat daripada yang digunakan oleh tim, para ilmuwan akan memiliki kemampuan mengukur volume, gerakan, dan isi semprotan atau awan mikrodroplet, kata para peneliti. Pengukuran tersebut dapat memainkan peran kunci dalam studi masa depan untuk aplikasi epidemiologi, lingkungan, dan industri.
