美国NIST提高了光学显微镜测量微液滴体积的能力

2021年12月20日消息，科学家们提高了光学显微镜对飞行状态中的微液滴进行成像的准确度，并将该方法用于分析塑料纳米颗粒的浓度。这种测量可以在未来的流行病学、环境和工业应用研究中发挥关键作用。

由于打喷嚏、雨云和喷墨打印机都会产生或包含液滴，其微小到以致需要几十亿个液滴才能装满一升瓶子。测量微液滴的体积、运动和成分，对于研究经空气传播的病毒（包括那些引起COVID-19的病毒）如何扩散蔓延、云层如何反射太阳光以冷却地球、喷墨打印机如何创造出精细的图案，甚至一个汽水瓶如何碎裂成污染海洋的纳米级塑料颗粒，都非常重要。

通过改进传统光学显微镜的校准，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员首次测量出小于100万亿分之一升的单个液滴的体积，其不确定性小于1%。这比以前的测量结果提高了10倍。

因为光学显微镜可以直接使小物件的位置和尺寸成像，它们的测量可以用来确定球形微液滴的体积——与直径的立方成比例。然而，光学显微镜的准确度受多种因素的限制，比如说，成像分析能清晰地定位液滴边缘和周围空间之间的边界到哪种地步。

为了提高光学显微镜的准确度，NIST的研究人员为仪器研发了新标准和校准。他们还设计了一个可以使用显微镜和一种独立技术（即“重量测定法”）来同时测量飞行中的微液滴体积的系统。

重量测定法通过称量积聚在一个容器中的许多微液滴的总质量来测量体积。如果控制液滴的数量并测量其密度——每单位体积的质量，那么在秤上登记的总质量可以用来计算一个液滴的平均体积。尽管这个信息很有价值，但由于液滴的尺寸不一，通过光学显微镜对单个液滴进行成像可以使测量更加直接和完整。

尽管如此，称量容器中的内容物是一种行之有效的方法，而且重量测定法很容易与可信度高的国际单位制（SI）联系起来。这种测量法是最为可靠的，因为单位是基于自然界的基本常数，不会随时间变化。因此，该团队使用重量测定法来检查显微镜在确定液滴尺寸方面的可靠性。

为了提高微液滴边缘定位的准确度，研究人员测试了两个标准物体来模仿微液滴并校准其成像边界。对于每个标准物体，精确并准确测量其边缘之间的距离可以校准其相应的成像边界。

第一个标准物体由尖锐的金属边缘组成，被校准距离所分开，代表微液滴的直径。这种“锐边”，假定微液滴边缘和周围空间之间的边界是平坦的，通常用于测试光学系统，但与微液滴仅有一线之差。

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成像与微液滴的成像非常相似。事实上，科学家们发现，当他们用塑料球来校准他们对成像边界的测量时，从显微镜得出的微液滴体积与从重量测定法得出的微液滴体积精确匹配（研究人员发现，“锐边”的匹配度较低）。科学家们还校准了光学显微镜的其他几个方面，包括聚焦和畸变，以维系与SI自始至终的联系。

本新闻由广东省WTO/TBT通报咨询研究中心摘录/编辑/整理并翻译，转载请注明来源。

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