科学探索|光学显微镜新标准与校准大幅提高了液滴测量的准确性光学显微镜新标准与校准大幅

打喷嚏、雨云和喷墨打印机，它们都会产生或包含液滴，其微小程度足以需要几十亿个液滴才能装满一升的瓶子。测量微观液滴的体积、运动和内容对于研究空气中的病毒如何传播（包括那些导致COVID-19的病毒）、云层如何反射阳光以冷却地球、喷墨打印机如何创造出精细的图案乃至一个汽水瓶如何破碎成纳米级的塑料颗粒以污染海洋都非常重要。

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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。

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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。