科學家們提高了光學顯微鏡對飛行中微滴成像的準確性，并將其應用于分析塑料納米顆粒的濃度

來源：NIST 新聞

打噴嚏、雨云和噴墨打印機：它們都會產(chǎn)生或含有微小的液滴，所以裝滿一升瓶需要數(shù)十億滴液滴。

測量小液滴的體積、運動和含量對于研究空氣傳播病毒（包括導致新冠肺炎的病毒）、云反射陽光冷卻地球、噴墨打印機創(chuàng)造精細圖案的方式，甚至將汽水瓶碎片變成污染海洋的納米塑料顆粒都非常重要。

顯微鏡檢測圖片顯微滴體積和納米塑料濃度。

(圖片來源:K. Dill/NIST）

美國國家標準與技術研究院 通過改進對傳統(tǒng)光學顯微鏡的校準(NIST) 的研究人員首次測量了不到1% 的不確定性小于100 萬億分之一升的單個液滴的體積。這是以前測量的十倍。

由于光學顯微鏡可以直接成像小物體的位置和大小，其測量值可以用來確定球形微滴的體積（與直徑的立方形成正比）。然而，光學顯微鏡的準確性受到許多因素的限制，如圖像分析是否能很好地定位液滴邊緣與周圍空間之間的邊界。

為提高光學顯微鏡的準確性，NIST 的研究人員為這些儀器制定了新的標準和校準方法。他們還設計了一個系統(tǒng)，使用顯微鏡和稱為重量測量的獨立技術來測量飛行中微滴的體積。

重量測量是通過稱重容器中積累的許多微滴的總質量來測量的。如果控制液滴的數(shù)量和密度（每個單位體積的質量），則可以根據(jù)記錄的總質量計算一滴液滴的平均體積。雖然這是一個有價值的信息，但由于液滴的大小可能不同，通過光學顯微鏡成像單個液滴可以實現(xiàn)更直接、更完整的測量。

微滴重量測定、顯微鏡檢測和沉積。(圖片來源:K. Dill/NIST）

盡管如此，稱量容器中的含量是一種有效的方法，重量測量很容易與國際單位相匹配(SI) 連接，可信度高。這種測量是更可靠的，因為這些單位是基于自然的基本常數(shù) ，不會隨著時間的推移而改變。因此，團隊使用重量測量來檢查顯微鏡確定液滴大小的可靠性。

為了提高定位微滴邊緣的準確性，研究人員測試了兩個標準對象來模擬和校準圖像邊界。對于每個標準對象，可以校準相應的圖像邊界，準確測量邊緣之間的距離。

**個標準物體由銳利的金屬邊組成，這些金屬邊根據(jù)校準距離而分隔開，代表微滴的直徑。這種“刀刃”假設微滴邊緣和周圍空間之間有一個平坦的邊界，通常用于測試光學系統(tǒng)，但與微滴僅具有粗略的相似之處。

另一個標準物體由具有校準直徑的塑料球組成，它們在顯微鏡下產(chǎn)生的圖像與微滴圖像非常相似。事實上，科學家們發(fā)現(xiàn)，當他們使用塑料球來校準圖像邊界時，顯微鏡下的微滴體積與重量測定的微滴體積準確匹配。（研究人員發(fā)現(xiàn)，刀片會導致匹配度惡化。）科學家們還校準了光學顯微鏡的其他方面，包括聚焦和扭曲，以保持與 SI 的聯(lián)系。

通過這些改進，光學顯微鏡將微滴的體積分析為萬億分之一升。研究人員指出，這些標準和校準是實用的，可用于基礎和應用研究中使用的各種類型的光學顯微鏡。事實上，顯微鏡的光學技術越不先進，顯微鏡測量就越能從標準和校準中受益，從而提高圖像分析的準確性。

NIST 研究人員于12月20日與馬里蘭大學帕克分校合作，分析化學 （Analytical Chemistry )這一發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)上發(fā)布。

在他們的主要實驗中，研究人員使用打印機噴射環(huán)戊醇微滴，這是一種蒸發(fā)緩慢的粘性醇。它們準確地控制射流，產(chǎn)生已知的微滴。當微滴射流從打印機飛入幾厘米外的容器時，它們被背光照亮，并用光學顯微鏡成像。然后，研究人員稱重容器及其積累的許多微滴。

研究小組通過比較光學顯微鏡和重量測定方法進行校準和測試，然后開始了另一個實驗，用含聚苯乙烯納米顆粒的水滴代替環(huán)戊醇。聚苯乙烯納米顆粒是納米塑料分析的常見標準，但不是官方標準。該系統(tǒng)呈現(xiàn)的樣本類型更接近許多科學家感興趣的樣本類型，如研究塑料污染。研究人員使用打印機將單個水滴沉積在表面。

水滴落在表面后，蒸發(fā)并留下納米顆粒。然后，團隊計算了用熒光染料標記的納米顆粒。這樣，團隊記錄了每滴微滴體積中懸浮的顆粒數(shù)量，提供了濃度測量標準。這種測量方法不僅是采樣大量液體的一種方法，也是研究含有少量納米顆粒的微滴特性的一種方法。

研究人員表示，有了這種方法和比以前更快的照明系統(tǒng)，科學家將能夠測量噴霧或微滴云的體積、運動和含量。這些測量方法將在未來的流行病學、環(huán)境和工業(yè)應用研究中發(fā)揮關鍵作用。

——編譯：曹歆

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