NIST改进光学显微镜 实现微液滴体积精准测量
喷嚏、雨云、喷墨打印机：它们都产生或包含极微小的液滴，需要数十亿个才能装满一升瓶。
测量微观液滴的体积、运动和成分，对研究空气传播病毒扩散（包括COVID-19）、云反射阳光降温、喷墨打印精细图案、甚至汽水瓶碎解为纳米塑料污染海洋都至关重要。
美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员通过改进常规光学显微镜的校准，首次将单个微液滴体积测量不确定度降至1%以下，液滴体积小于100万亿分之一升（100 zeptoliters）。这比以往测量精度提高十倍。
光学显微镜可直接成像小物体的位置和尺寸，其测量可用于确定球形微液滴体积（与直径立方成正比）。但光学显微镜精度受限于多种因素，如图像分析定位液滴边缘与周围空间边界的能力。
为提高精度，NIST研究人员为仪器开发新标准和校准，并设计系统同时用显微镜和独立技术——重量法——测量飞行中微液滴体积。
重量法通过称量容器中累积的许多微液滴总质量来测量体积。若液滴数量受控且密度（单位体积质量）已知，天平读数可计算单个液滴平均体积。虽有价值，但因液滴大小可能不同，光学显微镜成像单个液滴能提供更直接、完整的测量。
为改进微液滴边缘定位精度，研究人员测试两个标准物体模拟微液滴并校准图像边界。每个标准物体边缘间精确测量的距离，允许校准对应的图像边界。
第一个标准物体由间隔校准距离的锋利金属边缘组成，代表微液滴直径。这种“刀刃”假设液滴边缘与周围空间间为平坦边界，常用于测试光学系统，但与微液滴仅略有相似。
另一个标准物体是经校准直径的塑料微球，在显微镜下产生的图像与微液滴非常相似。科学家发现，用塑料微球校准图像边界测量时，显微镜得出的微液滴体积与重量法结果精确吻合（刀刃法匹配较差）。科学家还校准了光学显微镜的其他方面，包括聚焦和畸变，全程保持与国际单位制（SI）的溯源性。
经这些改进，光学显微镜将微液滴体积分辨率提升至万亿分之一升。这些标准和校准实用，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，显微镜光学越不先进，其测量从标准和校准中获益越大，能改进图像分析精度。
主要实验中，研究人员用打印机喷射环戊醇（一种挥发缓慢的粘性醇）微液滴射流，精确控制产生已知数量的微液滴。微液滴从打印机飞入几厘米外的容器时，被背光照明并用光学显微镜成像。随后称量容器及累积的微液滴。
经光学显微镜校准并经重量法验证后，团队开展另一实验，将环戊醇替换为含聚苯乙烯纳米颗粒的水微液滴，这类颗粒是纳米塑料分析的常见但非官方标准。该系统更接近许多科学家感兴趣的样本类型（如研究塑料污染）。研究人员用打印机逐个在表面沉积排列的单个水微液滴。
落在表面后，水微液滴蒸发，留下纳米颗粒。团队计数标记有荧光染料的纳米颗粒，从而记录每个微液滴体积内悬浮颗粒数，提供浓度测量。这既是取样整体液体的方法，也可研究含少量纳米颗粒微液滴的性质。
研究人员表示，若使用比团队更快的照明系统，科学家将具备测量喷雾或微液滴云的体积、运动和成分的能力。此类测量可在未来流行病学、环境和工业应用研究中发挥关键作用。
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