NIST科學(xué)家將顯微鏡校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性提高十倍
微滴體積和納米塑料濃度的顯微鏡檢查
NIST 科學(xué)家將顯微鏡校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性提高十倍
該技術(shù)可以更好地成像微滴；用于分析塑料納米顆粒和病毒檢測的方法。
測量微小液滴的體積、運(yùn)動和內(nèi)容對于研究空氣傳播病毒（包括導(dǎo)致 Covid-19 的病毒）的傳播方式、云層如何反射陽光以冷卻地球、噴墨打印機(jī)如何創(chuàng)建精細(xì)的圖案以及甚至汽水瓶破碎成納米級塑料顆粒，污染海洋。
通過改進(jìn)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的校準(zhǔn)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) 的研究人員首次測量了小于 100 萬億分之一升的單個液滴的體積，不確定度小于 1%。NIST 表示，這比以前的測量值提高了十倍。
光學(xué)顯微鏡的準(zhǔn)確性受到許多因素的限制，例如圖像分析能否很好地定位液滴邊緣與周圍空間之間的邊界。
為了提高這種準(zhǔn)確性，NIST 研究人員為儀器開發(fā)了新的標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)。他們還設(shè)計了一個系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，他們可以使用顯微鏡和一種獨(dú)立的技術(shù)（稱為重力測量法）同時測量飛行中微滴的體積。
重量法通過稱量容器中積累的許多微滴的總質(zhì)量來測量體積。如果控制了液滴的數(shù)量并測量了密度，則可以使用標(biāo)尺上記錄的總質(zhì)量來計算一個液滴的平均體積。通過光學(xué)顯微鏡對單個液滴進(jìn)行成像可以進(jìn)行更直接和完整的測量。
為了提高定位微滴邊緣的準(zhǔn)確性，研究人員測試了兩個標(biāo)準(zhǔn)物體來模擬微滴并校準(zhǔn)圖像邊界。對于每個標(biāo)準(zhǔn)對象，其邊緣之間的精確測量距離允許校準(zhǔn)相應(yīng)的圖像邊界。
這項工作在分析化學(xué)中進(jìn)行了報道。Quorum Technologies發(fā)布新款電子顯微鏡涂層
第一個標(biāo)準(zhǔn)物體由尖銳的金屬邊緣組成，它們之間有一個校準(zhǔn)距離，代表微滴的直徑。這種“刀刃”假設(shè)微滴邊緣和周圍空間之間有一個平坦的邊界，通常用于測試光學(xué)系統(tǒng)，但與微滴只有短暫的相似之處。
另一個標(biāo)準(zhǔn)物體由具有校準(zhǔn)直徑的塑料球組成，它們在顯微鏡下產(chǎn)生類似于微滴的圖像。事實(shí)上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們使用塑料球來校準(zhǔn)他們對圖像邊界的測量時，來自顯微鏡的微滴體積與來自重力測量的精確匹配。
通過這些改進(jìn)，光學(xué)顯微鏡將微滴的體積解析到萬億分之一升。研究人員指出，標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)是實(shí)用的，可應(yīng)用于基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中使用的多種光學(xué)顯微鏡。事實(shí)上，顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)越不先進(jìn)，顯微鏡測量就越能從標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)中受益，從而提高圖像分析的準(zhǔn)確性。
重力測量、微滴沉積和顯微鏡檢查
在他們的主要實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用打印機(jī)噴射出一股環(huán)戊醇微滴，這是一種緩慢蒸發(fā)的粘性酒精。當(dāng)微滴射流從打印機(jī)飛到幾厘米外的容器中時，它們被背光照明并用光學(xué)顯微鏡成像。然后，研究人員稱重了容器及其堆積的許多微滴。
通過將光學(xué)顯微鏡與重量法進(jìn)行比較來校準(zhǔn)和檢查光學(xué)顯微鏡，該團(tuán)隊開始了另一項實(shí)驗(yàn)，用含有聚苯乙烯納米粒子的水微滴代替環(huán)戊醇，這是納米塑料分析的常見但非官方標(biāo)準(zhǔn)。
該系統(tǒng)更類似于許多科學(xué)家感興趣的樣本類型，例如研究塑料污染。研究人員使用打印機(jī)一次將一排排單獨(dú)的水微滴沉積在表面上。
降落在表面后，水微滴蒸發(fā)，留下納米顆粒。然后，該團(tuán)隊計算了用熒光染料標(biāo)記的納米顆粒。通過這種方式，研究小組記錄了懸浮在每個微滴體積內(nèi)的顆粒數(shù)量，從而提供了濃度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。
研究人員說，使用這種方法和比團(tuán)隊使用的照明系統(tǒng)更快的照明系統(tǒng)，科學(xué)家們將能夠測量噴霧或微滴云的體積、運(yùn)動和內(nèi)容。這種測量可以在未來的流行病學(xué)、環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。