美国国家标准与技术研究所
重力测量、显微镜检查和微滴沉积
信用:K
迪尔/NIST 喷嚏、雨云和喷墨打印机:它们都产生或包含非常微小的液滴，以至于需要几十亿个液滴才能装满一升的瓶子
测量微小液滴的体积、运动和含量对于研究空气中的病毒如何传播(包括导致新冠肺炎的病毒)、云如何反射阳光来冷却地球、喷墨打印机如何创建精细的图案，甚至苏打水瓶如何破碎成污染海洋的纳米级塑料颗粒都很重要
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所(NIST)的研究人员首次测量了小于100万亿分之一升的单个液滴的体积，不确定度小于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成像小物体的位置和尺寸，它们的测量可以用来确定球形微滴的体积——与直径的立方成正比
然而，光学显微术的精度受到许多因素的限制，例如图像分析能够很好地定位液滴边缘和周围空间之间的边界
为了提高光学显微镜的精确度，NIST的研究人员为仪器开发了新的标准和校准
他们还设计了一种系统，在这种系统中，他们可以使用显微镜和一种独立的技术，即重力测量，同时测量飞行中的微滴体积
重量测定法通过称量堆积在容器中的许多微滴的总质量来测量体积
如果控制了液滴的数量，并测量了密度(单位体积的质量)，那么记录在标尺上的总质量可以用来计算一个液滴的平均体积
虽然这是有价值的信息，因为液滴的大小可能不同，但是通过光学显微镜对单个液滴进行成像能够实现更直接和完整的测量
尽管如此，称量容器中的内容物是一种屡试不爽的方法，重量测量很容易与国际单位制(SI)联系起来，具有很高的可信度
这样的测量是最可靠的，因为这些单位是基于自然的基本常数，这些常数不会随时间变化
因此，该团队使用重量法来检查显微镜在确定液滴尺寸方面的可靠性
为了提高定位微滴边缘的准确性，研究人员测试了两个标准物体来模拟微滴并校准图像边界
对于每个标准物体，其边缘之间的精确测量距离允许校准相应的图像边界
第一个标准物体由尖锐的金属边缘组成，它们之间相隔一段校准的距离，以表示微滴的直径
这种在微滴边缘和周围空间之间呈现平坦边界的“刀口”通常用于测试光学系统，但与微滴仅有短暂的相似性
另一个标准物体由校准直径的塑料球组成，在显微镜下产生的图像与微滴非常相似
事实上，科学家们发现，当他们使用塑料球来校准图像边界的测量值时，显微镜下得到的微滴体积与重力测量结果完全一致
(研究人员发现刀刃导致了较差的匹配
)科学家们还校准了光学显微镜的其他几个方面，包括聚焦和失真，始终保持与硅的联系
通过这些改进，光学显微镜将微滴的体积分解到万亿分之一升
研究人员指出，这些标准和校准是实用的，可以应用于基础和应用研究中使用的许多类型的光学显微镜
事实上，显微镜光学系统越不先进，显微镜测量就越能从标准和校准中受益，从而提高图像分析的准确性
NIST的研究人员与马里兰大学帕克分校合作，于12月20日在《分析化学》在线版上报道了这一发现
在他们的主要实验中，研究人员使用一台打印机来拍摄环戊醇的微滴喷射，这是一种粘稠的酒精，蒸发缓慢
他们精确地控制喷射，以产生已知数量的微滴
当微滴射流从打印机飞进几厘米外的容器时，它们被背光照明，并用光学显微镜成像
研究人员随后称了容器及其许多微滴的累积量
通过将光学显微镜与重量分析法进行比较来校准和检查光学显微镜，研究小组开始了另一项实验，用含有聚苯乙烯纳米颗粒的水微滴代替环戊醇，这是纳米塑料分析中常见但非官方的标准
这个系统更类似于许多科学家感兴趣的样本类型，例如研究塑料污染
研究人员使用打印机一次一个地在表面上沉积成排的单个水微滴
水微滴降落到表面后蒸发，留下纳米粒子
研究小组随后计算了用荧光染料标记的纳米粒子
通过这种方式，研究小组记录了悬浮在每个微滴体积内的颗粒数量，这提供了一种浓度的测量方法
这种测量既是对大量液体进行取样的一种方式，也是研究含有少量纳米颗粒的微滴特性的一种方式
研究人员说，使用这种方法和比该团队使用的照明系统更快的照明系统，科学家将有能力测量微滴喷雾或云的体积、运动和含量
这种测量可以在流行病学、环境和工业应用的未来研究中发挥关键作用
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