光学显微镜新标准与校准大幅提高了液滴测量的准确性

美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员通过改进传统光学显微镜的校准首次测量了小于100万亿分之一升的单个液滴的体积，其不确定性小于1%，这一测量结果是以前的10倍。

由于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--与直径的立方成比例。然而，光学显微镜的准确性受到许多因素的限制，例如图像分析能多好地定位液滴边缘和周围空间的边界。

为了提高光学显微镜的准确性，NIST的研究人员为仪器开发了新的标准和校准。他们还设计了一个系统，在这个系统中，他们可以同时使用显微镜和一种独立的技术--被称为重力测量法--来测量飞行中的微滴的体积。

重力测量法通过称量积聚在一个容器中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其密度--每单位体积的质量，那么在秤上登记的总质量可以用来计算一个液滴的平均体积。尽管这是很有价值的信息，但由于液滴的大小不一，通过光学显微镜对单个液滴进行成像可以进行更直接和完整的测量。

尽管如此，称量容器中的物品是一种久经考验的方法，并且重力测量很容易跟国际单位制(SI)联系起来且具有很高的可信度。这种测量是最可靠的，因为单位是基于自然界的基本常数且不会随时间变化。因此，该团队使用重力测量法来检查显微镜在确定液滴尺寸方面的可靠性。

为了提高定位微液滴边缘的准确性，研究人员测试了两个标准物体来模仿微液滴并校准图像边界。对于每个标准物体，精确和准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，中间隔着一个校准的距离，代表微滴的直径。这种“刀刃”假定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，但跟微滴只有一线之差。

另一个标准物体则包括具有校准直径的塑料球，它们在显微镜下产生的图像跟微液滴的图像非常相似。事实上，科学家们发现，当他们用塑料球来校准他们对图像边界的测量时，从显微镜得出的微液滴体积跟从重力测量得出的微液滴体积精确匹配。科学家们还校准了光学显微镜的其他几个方面，其中包括聚焦和失真并自始至终保持跟SI的联系。

通过这些改进，光学显微镜将微滴的体积解析到了一万亿分之一升。研究人员指出，这些标准和校准是实用的，它们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，显微镜的光学系统越不先进，显微镜的测量就越能从标准和校准中受益，进而提高图像分析的准确性。

NIST的研究人员跟位于College Park的马里兰大学合作，并于2021年12月20日在《Analytical Chemistry》上在线报告了这些发现。

在他们的主要实验中，研究人员用一台打印机喷射环戊醇的微滴，环戊醇是一种缓慢蒸发的粘性酒精。他们通过精确控制喷射来产生已知数量的微液滴。当微滴的喷射从打印机飞到几厘米外的一个容器中时，它们被逆光照射并用光学显微镜进行成像。然后，研究人员对容器及其积聚的许多微滴进行称重。

随着光学显微镜的校准以及通过跟重力测量法的比较进行检查，该团队开始了另一项实验，其使用含有聚苯乙烯纳米颗粒的水微滴代替环戊醇，这是纳米塑料分析的常见但非官方的标准。这个系统更接近于许多科学家感兴趣的样品类型，如在研究塑料污染方面。研究人员用打印机将一排排独立的水微滴一次次沉积在一个表面上。

水微滴在降落在表面后蒸发，随后留下纳米颗粒。研究小组对纳米颗粒进行了计数，这些颗粒会被标记为一种荧光染料。通过这种方式，研究小组得以记录悬浮在每个微滴体积内的颗粒数量，这提供了一个浓度的测量。这种测量既是一种对散装液体进行取样的方法也是研究含有少量纳米颗粒的微滴的特性的方法。

研究人员称，使用这种方法和一个比该团队采用的方法更快的照明系统，科学家们将有能力测量喷雾或微滴云的体积、运动和内容。这种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。