2021年12月20日消息，科學(xué)家們提高了光學(xué)顯微鏡對飛行狀態(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)都會產(chǎn)生或包含液滴，其微小到以致需要幾十億個液滴才能裝滿一升瓶子。測量微液滴的體積、運(yùn)動和成分，對于研究經(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，甚至一個汽水瓶如何碎裂成污染海洋的納米級塑料顆粒，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）的研究人員首次測量出小于100萬億分之一升的單個液滴的體積，其不確定性小于1%。這比以前的測量結(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)了一個可以使用顯微鏡和一種獨(dú)立技術(shù)（即“重量測定法”）來同時測量飛行中的微液滴體積的系統(tǒng)。

重量測定法通過稱量積聚在一個容器中的許多微液滴的總質(zhì)量來測量體積。如果控制液滴的數(shù)量并測量其密度——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)算一個液滴的平均體積。盡管這個信息很有價(jià)值，但由于液滴的尺寸不一，通過光學(xué)顯微鏡對單個液滴進(jìn)行成像可以使測量更加直接和完整。

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。這種測量法是最為可靠的，因?yàn)閱挝皇腔谧匀唤绲幕境?shù)，不會隨時間變化。因此，該團(tuán)隊(duì)使用重量測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，研究人員測試了兩個標(biāo)準(zhǔn)物體來模仿微液滴并校準(zhǔn)其成像邊界。對于每個標(biāo)準(zhǔn)物體，精確并準(zhǔn)確測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，通常用于測試光學(xué)系統(tǒng)，但與微液滴僅有一線之差。

另一個標(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)他們對成像邊界的測量時，從顯微鏡得出的微液滴體積與從重量測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）。科學(xué)家們還校準(zhǔn)了光學(xué)顯微鏡的其他幾個方面，包括聚焦和畸變，以維系與SI自始至終的聯(lián)系。

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