Microscopie du volume de microgouttelettes et de la concentration de nanoparticules. Crédit : K. Dill/NIST
Les scientifiques stimulent la précision des microscopes optiques pour imager les microgouttelettes en vol et appliquent la méthode pour analyser la concentration des nanoparticules de plastique.
Les éternuements, les nuages de pluie et les imprimantes à jet d’encre : Ils produisent ou contiennent tous des gouttelettes de liquide si minuscules qu’il en faudrait plusieurs milliards pour remplir une bouteille d’un litre.
La mesure du volume, du mouvement et du contenu des gouttelettes microscopiques est importante pour l’étude de la propagation des virus en suspension dans l’air (y compris ceux qui causent la maladie d’Alzheimer). COVID-19), comment les nuages reflètent la lumière du soleil pour refroidir la Terre, comment les imprimantes à jet d’encre créent des motifs finement détaillés, et même comment une bouteille de soda se fragmente en particules de plastique de taille nanométrique qui polluent les océans.
En améliorant l’étalonnage d’un microscope optique classique, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont pour la première fois mesuré le volume de gouttelettes individuelles inférieures à 100 trillionièmes de litre avec une incertitude inférieure à 1 %. Il s’agit d’une amélioration décuplée par rapport aux mesures précédentes.
Les microscopes optiques étant capables d’imager directement la position et les dimensions de petits objets, leurs mesures peuvent être utilisées pour déterminer le volume – proportionnel au cube du diamètre – de microgouttelettes sphériques. Cependant, la précision de la microscopie optique est limitée par de nombreux facteurs, tels que la capacité de l’analyse d’image à localiser la limite entre le bord d’une gouttelette et l’espace environnant.
Pour améliorer la précision des microscopes optiques, les chercheurs du NIST ont développé de nouvelles normes et de nouveaux calibrages pour les instruments. Ils ont également conçu un système permettant de mesurer simultanément le volume des microgouttelettes en vol à l’aide de la microscopie et d’une technique indépendante, connue sous le nom de gravimétrie.
La gravimétrie mesure le volume en pesant la masse totale de nombreuses microgouttelettes qui s’accumulent dans un récipient. Si le nombre de gouttelettes est contrôlé et que leur densité (masse par unité de volume) est mesurée, la masse totale enregistrée sur une balance peut être utilisée pour calculer le volume moyen d’une gouttelette. Bien que cette information soit précieuse, la taille des gouttelettes pouvant varier, l’imagerie de gouttelettes individuelles par microscopie optique permet une mesure plus directe et plus complète.
Gravimétrie, microscopie et dépôt de microgouttelettes. Crédit : K. Dill/NIST
Néanmoins, la pesée du contenu d’un récipient est une méthode éprouvée, et les mesures gravimétriques sont facilement reliées au Système international d’unités (SI) avec une grande confiance. Ces mesures sont les plus fiables car les unités sont basées sur les éléments suivants constantes fondamentales de la naturequi ne changent pas avec le temps. L’équipe a donc utilisé la gravimétrie pour vérifier la fiabilité de la microscopie dans la détermination des dimensions des gouttelettes.
Pour améliorer la précision de la localisation des bords des microgouttelettes, les chercheurs ont testé deux objets standard pour imiter une microgouttelette et calibrer les limites de l’image. Pour chaque objet standard, une distance mesurée avec précision et exactitude entre ses bords permet de calibrer les limites de l’image correspondante.
Le premier objet standard consistait en des bords métalliques tranchants séparés par une distance calibrée pour représenter le diamètre d’une microgouttelette. De telles “arêtes de couteau”, qui supposent une frontière plate entre le bord d’une microgouttelette et l’espace environnant, sont couramment utilisées pour tester les systèmes optiques mais ne ressemblent que vaguement aux microgouttes.
L’autre objet standard était constitué de sphères en plastique de diamètre calibré, qui produisent des images au microscope très similaires à celles des microgouttelettes. En effet, les scientifiques ont constaté que lorsqu’ils utilisaient les sphères en plastique pour calibrer leurs mesures des limites de l’image, le volume des microgouttelettes obtenu par microscopie correspondait précisément à celui obtenu par gravimétrie. (Les chercheurs ont également étalonné plusieurs autres aspects du microscope optique, notamment la mise au point et la distorsion, tout en maintenant les liens avec le SI.
Grâce à ces améliorations, la microscopie optique a permis de résoudre le volume des microgouttelettes à un trillionième de litre près. Les normes et les calibrations sont pratiques et peuvent être appliquées à de nombreux types de microscopes optiques utilisés dans la recherche fondamentale et appliquée, ont noté les chercheurs. En fait, moins l’optique du microscope est avancée, plus une mesure microscopique peut bénéficier de normes et d’étalonnages pour améliorer la précision de la mesure.précision de l’analyse d’image.
Les chercheurs du NIST, en collaboration avec l’Université du Maryland à College Park, ont fait part de leurs découvertes le 20 décembre 2021, en ligne dans Analytical Chemistry.
Dans leur expérience principale, les chercheurs ont utilisé une imprimante pour projeter un jet de microgouttelettes de cyclopentanol, un alcool visqueux qui s’évapore lentement. Ils ont contrôlé avec précision le jet pour produire un nombre connu de microgouttelettes. Lorsque le jet de microgouttelettes s’est envolé de l’imprimante vers un récipient situé à quelques centimètres de là, il a été rétroéclairé et imagé avec le microscope optique. Les chercheurs ont ensuite pesé le récipient et son accumulation de nombreuses microgouttelettes.
Le microscope optique étant calibré et vérifié par comparaison avec la méthode de gravimétrie, l’équipe s’est lancée dans une autre expérience, remplaçant le cyclopentanol par des microgouttelettes d’eau contenant des nanoparticules de polystyrènequi sont des normes communes mais non officielles pour l’analyse des nanoplastiques. Ce système ressemble davantage au type d’échantillon qui intéresse de nombreux scientifiques, par exemple pour étudier la pollution plastique. Les chercheurs ont utilisé l’imprimante pour déposer des rangées de microgouttelettes d’eau individuelles sur une surface, une par une.
Après avoir atterri sur la surface, les microgouttelettes d’eau se sont évaporées, laissant derrière elles des nanoparticules. L’équipe a ensuite compté les nanoparticules, qui étaient marquées avec un colorant fluorescent. De cette façon, l’équipe a enregistré le nombre de particules en suspension dans le volume de chaque microgouttelette, ce qui fournit une mesure de la concentration. Cette mesure permet à la fois d’échantillonner le liquide en vrac et d’étudier les propriétés des microgouttelettes contenant un petit nombre de nanoparticules.
En utilisant cette méthode et un système d’illumination plus rapide que celui employé par l’équipe, les scientifiques auraient la capacité de mesurer le volume, le mouvement et le contenu d’un spray ou d’un nuage de microgouttelettes, ont déclaré les chercheurs. De telles mesures pourraient jouer un rôle clé dans de futures études pour des applications épidémiologiques, environnementales et industrielles.
Référence : “Sub-picoliter Traceability of Microdroplet Gravimetry and Microscopy” par Lindsay C. C. Elliott, Adam L. Pintar, Craig R. Copeland, Thomas B. Renegar, Ronald G. Dixson, B. Robert Ilic, R. Michael Verkouteren et Samuel M. Stavis, 20 décembre 2021, Chimie analytique.
DOI: 10.1021/acs.analchem.1c02640
