2021年12月20日消息，科學(xué)家們提高了光學(xué)顯微鏡對(duì)飛行狀態(tài)中的微液滴進(jìn)行成像的準(zhǔn)確度，并將該方法用于分析塑料納米顆粒的濃度。這種測(cè)量可以在未來的流行病學(xué)、環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

由于打噴嚏、雨云和噴墨打印機(jī)都會(huì)產(chǎn)生或包含液滴，其微小到以致需要幾十億個(gè)液滴才能裝滿一升瓶子。測(cè)量微液滴的體積、運(yùn)動(dòng)和成分，對(duì)于研究經(jīng)空氣傳播的病毒（包括那些引起COVID-19的病毒）如何擴(kuò)散蔓延、云層如何反射太陽光以冷卻地球、噴墨打印機(jī)如何創(chuàng)造出精細(xì)的圖案，甚至一個(gè)汽水瓶如何碎裂成污染海洋的納米級(jí)塑料顆粒，都非常重要。

通過改進(jìn)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的校準(zhǔn)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員首次測(cè)量出小于100萬億分之一升的單個(gè)液滴的體積，其不確定性小于1%。這比以前的測(cè)量結(jié)果提高了10倍。

因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡可以直接使小物件的位置和尺寸成像，它們的測(cè)量可以用來確定球形微液滴的體積——與直徑的立方成比例。然而，光學(xué)顯微鏡的準(zhǔn)確度受多種因素的限制，比如說，成像分析能清晰地定位液滴邊緣和周圍空間之間的邊界到哪種地步。

為了提高光學(xué)顯微鏡的準(zhǔn)確度，NIST的研究人員為儀器研發(fā)了新標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)。他們還設(shè)計(jì)了一個(gè)可以使用顯微鏡和一種獨(dú)立技術(shù)（即“重量測(cè)定法”）來同時(shí)測(cè)量飛行中的微液滴體積的系統(tǒng)。

重量測(cè)定法通過稱量積聚在一個(gè)容器中的許多微液滴的總質(zhì)量來測(cè)量體積。如果控制液滴的數(shù)量并測(cè)量其密度——每單位體積的質(zhì)量，那么在秤上登記的總質(zhì)量可以用來計(jì)算一個(gè)液滴的平均體積。盡管這個(gè)信息很有價(jià)值，但由于液滴的尺寸不一，通過光學(xué)顯微鏡對(duì)單個(gè)液滴進(jìn)行成像可以使測(cè)量更加直接和完整。

盡管如此，稱量容器中的內(nèi)容物是一種行之有效的方法，而且重量測(cè)定法很容易與可信度高的國際單位制（SI）聯(lián)系起來。這種測(cè)量法是最為可靠的，因?yàn)閱挝皇腔谧匀唤绲幕境?shù)，不會(huì)隨時(shí)間變化。因此，該團(tuán)隊(duì)使用重量測(cè)定法來檢查顯微鏡在確定液滴尺寸方面的可靠性。

為了提高微液滴邊緣定位的準(zhǔn)確度，研究人員測(cè)試了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物體來模仿微液滴并校準(zhǔn)其成像邊界。對(duì)于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物體，精確并準(zhǔn)確測(cè)量其邊緣之間的距離可以校準(zhǔn)其相應(yīng)的成像邊界。

第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物體由尖銳的金屬邊緣組成，被校準(zhǔn)距離所分開，代表微液滴的直徑。這種“銳邊”，假定微液滴邊緣和周圍空間之間的邊界是平坦的，通常用于測(cè)試光學(xué)系統(tǒng)，但與微液滴僅有一線之差。

另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物體由具有校準(zhǔn)直徑的塑料球組成，它們?cè)陲@微鏡下產(chǎn)生的成像與微液滴的成像非常相似。事實(shí)上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們用塑料球來校準(zhǔn)他們對(duì)成像邊界的測(cè)量時(shí)，從顯微鏡得出的微液滴體積與從重量測(cè)定法得出的微液滴體積精確匹配（研究人員發(fā)現(xiàn)，“銳邊”的匹配度較低）?？茖W(xué)家們還校準(zhǔn)了光學(xué)顯微鏡的其他幾個(gè)方面，包括聚焦和畸變，以維系與SI自始至終的聯(lián)系。

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