Un microscopio óptico para capturar microgotas en vuelo

Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han mejorado la calibración de un microscopio óptico convencional para medir el volumen de gotas en vuelo de menos de 100 billonésimas de litro, con una incertidumbre de menos del 1%.

Rocío Snyder

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) está mejorando la precisión de los microscopios ópticos.
El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) está mejorando la precisión de los microscopios ópticos.

Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) están mejorando la precisión de los microscopios ópticos para obtener imágenes de microgotas en vuelo a través de nuevos estándares y calibraciones.

No es fácil medir el volumen, el movimiento y el contenido de las gotas microscópicas, lo cual es importante para estudiar cómo se propagan los virus en el aire como la Covid-19, la forma en que las nubes reflejan la luz solar para enfriar la Tierra o cómo las botellas de plástico se fragmentan en partículas de plástico a nanoescala que contaminan los océanos.

Los investigadores también crearon un sistema para medir simultáneamente el volumen de microgotas en vuelo mediante microscopía y gravimetría

Los microscopios ópticos pueden obtener imágenes directamente de las posiciones y dimensiones de objetos pequeños, por lo que sus medidas pueden usarse para determinar el volumen (proporcional al cubo del diámetro) de las microgotas esféricas. Pero, los investigadores señalan que la precisión de la microscopía óptica está limitada por muchos factores, como qué tan bien el análisis de imágenes puede ubicar el límite entre el borde de la gota y el espacio circundante.

Más allá de los nuevos estándares y calibraciones, también crearon un sistema para medir simultáneamente el volumen de microgotas en vuelo mediante microscopía y gravimetría. La gravimetría mide el volumen pesando la masa total de microgotas recolectadas dentro de un recipiente.

Si se controla el número de gotas y se mide la densidad (masa por unidad de volumen), según los científicos, "entonces la masa total registrada en una escala puede variar en tamaño, la imagen de gotas individuales por microscopía óptica permite una más directa y completa medición". Confiaron en la gravimetría para verificar la confiabilidad de la microscopía, para determinar las dimensiones de las gotas.

Los microscopios ópticos pueden obtener imágenes directamente de las posiciones y dimensiones de objetos pequeños.
Los microscopios ópticos pueden obtener imágenes directamente de las posiciones y dimensiones de objetos pequeños.

El equipo quería mejorar la precisión de la ubicación de los bordes de las microgotas, por lo que probaron dos objetos estándar para imitar una microgota y calibrar los límites de la imagen. Para cada objeto estándar, una distancia medida con precisión entre sus bordes permitió la calibración de los límites de la imagen correspondiente.

Los investigadores calibraron varios aspectos del microscopio óptico, incluido el enfoque y la distorsión

En una de estas pruebas, el objeto estándar fueron esferas de plástico con diámetros calibrados que producen imágenes en el microscopio electrónico muy similares a las de las microgotas. Y, cuando usaron éstas, encontraron que el volumen de microgotas derivado de la microscopía coincidía con precisión con el de la gravimetría.

Luego, los investigadores calibraron varios aspectos del microscopio óptico, incluido el enfoque y la distorsión, mientras mantenían los vínculos con el Estándar Internacional de Unidades (SI) en todo momento.

Después de estas mejoras, la microscopía óptica resolvió el volumen de las microgotas en una billonésima parte de un litro. Los investigadores señalan que cuanto menos avanzada es la óptica del microscopio, más se puede beneficiar una medición de microscopía de los estándares y calibraciones para mejorar la precisión del análisis de imágenes.

Para su experimento principal, el equipo usó una impresora para disparar un chorro de microgotas de un alcohol viscoso que se evapora lentamente. A medida que las microgotas volaban hacia un contenedor ubicado a unos pocos centímetros de distancia, se retroiluminaron y se tomaron imágenes con el microscopio óptico. Luego, el equipo pesó el contenedor de microgotas y confirmó que el microscopio óptico estaba calibrado.

Gel sérico líquido sobre una pantalla de mesa para observar por el microscopio.
Gel sérico líquido sobre una pantalla de mesa para observar por el microscopio. Foto: IStock.

Experimento con microgota con nanopartículas de poliestireno

Los investigadores realizaron otro experimento con microgotas de agua que contenían nanopartículas de poliestireno, que se usan comúnmente para el análisis de nanoplásticos. Esta vez, la impresora depositó filas de microgotas de agua individuales sobre una superficie, una a la vez.

“La microscopía óptica más allá del límite de resolución presenta muchas oportunidades, con diversas aplicaciones que involucran análisis de localización”

Después de aterrizar en la superficie, el agua se evaporó, dejando nanopartículas marcadas con tinte fluorescente. Y el equipo registró la cantidad de partículas suspendidas dentro del volumen de cada microgota, lo que proporciona una medida de concentración. Esta medida, dicen, es tanto una forma de tomar muestras del líquido a granel, como de estudiar las propiedades de las microgotas que contienen pequeñas cantidades de nanopartículas.

“La microscopía óptica más allá del límite de resolución presenta muchas oportunidades, con diversas aplicaciones que involucran análisis de localización”, asegura el investigador del NIST, Samuel Stavis.”. Sin embargo, “la localización precisa es un desafío para lograr en un campo de imágenes de extensión apreciable. Los estándares trazables para las calibraciones de microscopios son importantes para obtener no solo datos de posición precisos sino también exactos. De esta manera, nuestras mediciones de localización de diámetros de microgotas y volúmenes esféricos alcanzan el límite de la precisión”, concluye.