科學(xué)家們提高了光學(xué)顯微鏡對飛行中微滴成像的準(zhǔn)確性，并將其應(yīng)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(jī)：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(yùn)動(dòng)和含量對于研究空氣傳播病毒（包括導(dǎo)致新冠肺炎的病毒）、云反射陽光冷卻地球、噴墨打印機(jī)創(chuàng)造精細(xì)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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 通過改進(jìn)對傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的校準(zhǔn)(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(gè)液滴的體積。這是以前測量的十倍。

由于光學(xué)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(xué)顯微鏡的準(zhǔn)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(xué)顯微鏡的準(zhǔn)確性，NIST 的研究人員為這些儀器制定了新的標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)方法。他們還設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，使用顯微鏡和稱為重量測量的獨(dú)立技術(shù)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(zhì)量來測量的。如果控制液滴的數(shù)量和密度（每個(gè)單位體積的質(zhì)量），則可以根據(jù)記錄的總質(zhì)量計(jì)算一滴液滴的平均體積。雖然這是一個(gè)有價(jià)值的信息，但由于液滴的大小可能不同，通過光學(xué)顯微鏡成像單個(gè)液滴可以實(shí)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?yàn)檫@些單位是基于自然的基本常數(shù) ，不會隨著時(shí)間的推移而改變。因此，團(tuán)隊(duì)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(zhǔn)確性，研究人員測試了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對象來模擬和校準(zhǔn)圖像邊界。對于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對象，可以校準(zhǔn)相應(yīng)的圖像邊界，準(zhǔn)確測量邊緣之間的距離。

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

另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物體由具有校準(zhǔn)直徑的塑料球組成，它們在顯微鏡下產(chǎn)生的圖像與微滴圖像非常相似。事實(shí)上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們使用塑料球來校準(zhǔn)圖像邊界時(shí)，顯微鏡下的微滴體積與重量測定的微滴體積準(zhǔn)確匹配。（研究人員發(fā)現(xiàn)，刀片會導(dǎo)致匹配度惡化。）科學(xué)家們還校準(zhǔn)了光學(xué)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(jìn)，光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)是實(shí)用的，可用于基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中使用的各種類型的光學(xué)顯微鏡。事實(shí)上，顯微鏡的光學(xué)技術(shù)越不先進(jìn)，顯微鏡測量就越能從標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)中受益，從而提高圖像分析的準(zhǔn)確性。

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

在他們的主要實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用打印機(jī)噴射環(huán)戊醇微滴，這是一種蒸發(fā)緩慢的粘性醇。它們準(zhǔn)確地控制射流，產(chǎn)生已知的微滴。當(dāng)微滴射流從打印機(jī)飛入幾厘米外的容器時(shí)，它們被背光照亮，并用光學(xué)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(xué)顯微鏡和重量測定方法進(jìn)行校準(zhǔn)和測試，然后開始了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(biāo)準(zhǔn)，但不是官方標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)呈現(xiàn)的樣本類型更接近許多科學(xué)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(jī)將單個(gè)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(tuán)隊(duì)計(jì)算了用熒光染料標(biāo)記的納米顆粒。這樣，團(tuán)隊(duì)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(biāo)準(zhǔn)。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(xué)家將能夠測量噴霧或微滴云的體積、運(yùn)動(dòng)和含量。這些測量方法將在未來的流行病學(xué)、環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

——編譯：曹歆

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