提高了光学显微镜测量微滴体积的能力

科学家们提高了光学显微镜对飞行中微滴成像的准确性，并将其应用于分析塑料纳米颗粒的浓度

来源：NIST 新闻

打喷嚏、雨云和喷墨打印机：它们都会产生或含有微小的液滴，所以装满一升瓶需要数十亿滴液滴。

测量小液滴的体积、运动和含量对于研究空气传播病毒（包括导致新冠肺炎的病毒）、云反射阳光冷却地球、喷墨打印机创造精细图案的方式，甚至将汽水瓶碎片变成污染海洋的纳米塑料颗粒都非常重要。

显微镜检测图片显微滴体积和纳米塑料浓度。

(图片来源:K. Dill/NIST）

美国国家标准与技术研究院 通过改进对传统光学显微镜的校准(NIST) 的研究人员首次测量了不到1% 的不确定性小于100 万亿分之一升的单个液滴的体积。这是以前测量的十倍。

由于光学显微镜可以直接成像小物体的位置和大小，其测量值可以用来确定球形微滴的体积（与直径的立方形成正比）。然而，光学显微镜的准确性受到许多因素的限制，如图像分析是否能很好地定位液滴边缘与周围空间之间的边界。

为提高光学显微镜的准确性，NIST 的研究人员为这些仪器制定了新的标准和校准方法。他们还设计了一个系统，使用显微镜和称为重量测量的独立技术来测量飞行中微滴的体积。

重量测量是通过称重容器中积累的许多微滴的总质量来测量的。如果控制液滴的数量和密度（每个单位体积的质量），则可以根据记录的总质量计算一滴液滴的平均体积。虽然这是一个有价值的信息，但由于液滴的大小可能不同，通过光学显微镜成像单个液滴可以实现更直接、更完整的测量。

微滴重量测定、显微镜检测和沉积。(图片来源:K. Dill/NIST）

尽管如此，称量容器中的含量是一种有效的方法，重量测量很容易与国际单位相匹配(SI) 连接，可信度高。这种测量是更可靠的，因为这些单位是基于自然的基本常数 ，不会随着时间的推移而改变。因此，团队使用重量测量来检查显微镜确定液滴大小的可靠性。

为了提高定位微滴边缘的准确性，研究人员测试了两个标准对象来模拟和校准图像边界。对于每个标准对象，可以校准相应的图像边界，准确测量边缘之间的距离。

**个标准物体由锐利的金属边组成，这些金属边根据校准距离而分隔开，代表微滴的直径。这种“刀刃”假设微滴边缘和周围空间之间有一个平坦的边界，通常用于测试光学系统，但与微滴仅具有粗略的相似之处。

另一个标准物体由具有校准直径的塑料球组成，它们在显微镜下产生的图像与微滴图像非常相似。事实上，科学家们发现，当他们使用塑料球来校准图像边界时，显微镜下的微滴体积与重量测定的微滴体积准确匹配。（研究人员发现，刀片会导致匹配度恶化。）科学家们还校准了光学显微镜的其他方面，包括聚焦和扭曲，以保持与 SI 的联系。

通过这些改进，光学显微镜将微滴的体积分析为万亿分之一升。研究人员指出，这些标准和校准是实用的，可用于基础和应用研究中使用的各种类型的光学显微镜。事实上，显微镜的光学技术越不先进，显微镜测量就越能从标准和校准中受益，从而提高图像分析的准确性。

NIST 研究人员于12月20日与马里兰大学帕克分校合作，分析化学 （Analytical Chemistry )这一发现在网上发布。

在他们的主要实验中，研究人员使用打印机喷射环戊醇微滴，这是一种蒸发缓慢的粘性醇。它们准确地控制射流，产生已知的微滴。当微滴射流从打印机飞入几厘米外的容器时，它们被背光照亮，并用光学显微镜成像。然后，研究人员称重容器及其积累的许多微滴。

研究小组通过比较光学显微镜和重量测定方法进行校准和测试，然后开始了另一个实验，用含聚苯乙烯纳米颗粒的水滴代替环戊醇。聚苯乙烯纳米颗粒是纳米塑料分析的常见标准，但不是官方标准。该系统呈现的样本类型更接近许多科学家感兴趣的样本类型，如研究塑料污染。研究人员使用打印机将单个水滴沉积在表面。

水滴落在表面后，蒸发并留下纳米颗粒。然后，团队计算了用荧光染料标记的纳米颗粒。这样，团队记录了每滴微滴体积中悬浮的颗粒数量，提供了浓度测量标准。这种测量方法不仅是采样大量液体的一种方法，也是研究含有少量纳米颗粒的微滴特性的一种方法。

研究人员表示，有了这种方法和比以前更快的照明系统，科学家将能够测量喷雾或微滴云的体积、运动和含量。这些测量方法将在未来的流行病学、环境和工业应用研究中发挥关键作用。

——编译：曹歆

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