NIST 提高了光学显微镜测量微滴体积的能力

打喷嚏、雨云和喷墨打印机：它们都会产生或包含如此微小的液滴，足以装满一升瓶子。

测量微小液滴的体积、运动和内容对于研究空气传播病毒（包括导致 COVID-19 的病毒）的传播方式、云层如何反射阳光以冷却地球、喷墨打印机如何创建精细的图案以及甚至汽水瓶破碎成纳米级塑料颗粒，污染海洋。

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%。这比以前的测量值提高了十倍。

由于光学显微镜可以直接成像小物体的位置和尺寸，因此它们的测量值可用于确定球形微滴的体积（与直径的立方成正比）。然而，光学显微镜的准确性受到许多因素的限制，例如图像分析能否很好地定位液滴边缘与周围空间之间的边界。

为了提高光学显微镜的准确性，NIST 研究人员为仪器开发了新的标准和校准。他们还设计了一个系统，在该系统中，他们可以使用显微镜和一种独立的技术（称为重力测量法）同时测量飞行中微滴的体积。

重量法通过称量容器中积累的许多微滴的总质量来测量体积。如果控制液滴的数量并测量密度（每单位体积的质量），则可以使用标尺上记录的总质量来计算一个液滴的平均体积。虽然这是有价值的信息，但由于液滴的大小可能不同，通过光学显微镜对单个液滴进行成像可以实现更直接和完整的测量。

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，精确测量其边缘之间的距离可以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，这些边缘由一个校准距离隔开，以表示微滴的直径。这种“刀刃”假设微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，但与微滴仅具有暂时的相似性。

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图像与微滴的图像非常相似。事实上，科学家们发现，当他们使用塑料球来校准他们对图像边界的测量时，来自显微镜的微滴体积与来自重力测量的精确匹配。 （研究人员发现刀刃导致匹配较差。）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 SI 的链接。

通过这些改进，光学显微镜将微滴的体积解析到万亿分之一升。研究人员指出，标准和校准是实用的，可应用于基础和应用研究中使用的多种光学显微镜。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。

在他们的主要实验中，研究人员使用打印机喷射出一股环戊醇微滴，这是一种缓慢蒸发的粘性酒精。他们精确控制射流以产生已知数量的微滴。当微滴射流从打印机飞到几厘米外的容器中时，它们被背光照明并用光学显微镜成像。研究人员随后称重了容器及其堆积的许多微滴。

通过将光学显微镜与重量法进行比较来校准和检查光学显微镜，该团队开始了另一项实验，用含有聚苯乙烯纳米粒子的水微滴代替环戊醇，这是纳米塑料分析的常见但非官方标准。该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将一排排单独的水微滴一次一个地沉积在表面上。

降落在表面后，水微滴蒸发，留下纳米颗粒。然后，研究小组计算了用荧光染料标记的纳米颗粒。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，从而提供了浓度的衡量标准。这种测量既是一种对散装液体进行采样的方法，也是研究含有少量纳米粒子的微滴性质的一种方法。

研究人员说，使用这种方法和比团队使用的照明系统更快的照明系统，科学家们将能够测量喷雾或微滴云的体积、运动和内容。这样的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。