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提高了光学显微镜测量微滴体积的能力

返回列表 来源: 发布日期:2022-05-15 08:26:12【

                                               

科学家们提高了光学显微镜对飞行中微滴成像的准确性,并将其应用于分析塑料纳米颗粒的浓度

   

来源:NIST 新闻

   

打喷嚏、雨云和喷墨打印机:它们都会产生或含有微小的液滴,所以装满一升瓶需要数十亿滴液滴。

   

测量小液滴的体积、运动和含量对于研究空气传播病毒(包括导致新冠肺炎的病毒)、云反射阳光冷却地球、喷墨打印机创造精细图案的方式,甚至将汽水瓶碎片变成污染海洋的纳米塑料颗粒都非常重要。

   


   

显微镜检测图片显微滴体积和纳米塑料浓度。

   

(图片来源:K. Dill/NIST)

   

美国国家标准与技术研究院 通过改进对传统光学显微镜的校准(NIST) 的研究人员首次测量了不到1% 的不确定性小于100 万亿分之一升的单个液滴的体积。这是以前测量的十倍。

   

由于光学显微镜可以直接成像小物体的位置和大小,其测量值可以用来确定球形微滴的体积(与直径的立方形成正比)。然而,光学显微镜的准确性受到许多因素的限制,如图像分析是否能很好地定位液滴边缘与周围空间之间的边界。

   

为提高光学显微镜的准确性,NIST 的研究人员为这些仪器制定了新的标准和校准方法。他们还设计了一个系统,使用显微镜和称为重量测量的独立技术来测量飞行中微滴的体积。

   

重量测量是通过称重容器中积累的许多微滴的总质量来测量的。如果控制液滴的数量和密度(每个单位体积的质量),则可以根据记录的总质量计算一滴液滴的平均体积。虽然这是一个有价值的信息,但由于液滴的大小可能不同,通过光学显微镜成像单个液滴可以实现更直接、更完整的测量。

   


   

微滴重量测定、显微镜检测和沉积。(图片来源:K. Dill/NIST)

   

尽管如此,称量容器中的含量是一种有效的方法,重量测量很容易与国际单位相匹配(SI) 连接,可信度高。这种测量是更可靠的,因为这些单位是基于自然的基本常数 ,不会随着时间的推移而改变。因此,团队使用重量测量来检查显微镜确定液滴大小的可靠性。

   

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对象来模拟和校准图像边界。对于每个标准对象,可以校准相应的图像边界,准确测量边缘之间的距离。

   

**个标准物体由锐利的金属边组成,这些金属边根据校准距离而分隔开,代表微滴的直径。这种“刀刃”假设微滴边缘和周围空间之间有一个平坦的边界,通常用于测试光学系统,但与微滴仅具有粗略的相似之处。

   

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图像边界时,显微镜下的微滴体积与重量测定的微滴体积准确匹配。(研究人员发现,刀片会导致匹配度恶化。)科学家们还校准了光学显微镜的其他方面,包括聚焦和扭曲,以保持与 SI 的联系。

   

通过这些改进,光学显微镜将微滴的体积分析为万亿分之一升。研究人员指出,这些标准和校准是实用的,可用于基础和应用研究中使用的各种类型的光学显微镜。事实上,显微镜的光学技术越不先进,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。

   

NIST 研究人员于12月20日与马里兰大学帕克分校合作,分析化学 (Analytical Chemistry )这一发现在网上发布。

   

在他们的主要实验中,研究人员使用打印机喷射环戊醇微滴,这是一种蒸发缓慢的粘性醇。它们准确地控制射流,产生已知的微滴。当微滴射流从打印机飞入几厘米外的容器时,它们被背光照亮,并用光学显微镜成像。然后,研究人员称重容器及其积累的许多微滴。

   

研究小组通过比较光学显微镜和重量测定方法进行校准和测试,然后开始了另一个实验,用含聚苯乙烯纳米颗粒的水滴代替环戊醇。聚苯乙烯纳米颗粒是纳米塑料分析的常见标准,但不是官方标准。该系统呈现的样本类型更接近许多科学家感兴趣的样本类型,如研究塑料污染。研究人员使用打印机将单个水滴沉积在表面。

   

水滴落在表面后,蒸发并留下纳米颗粒。然后,团队计算了用荧光染料标记的纳米颗粒。这样,团队记录了每滴微滴体积中悬浮的颗粒数量,提供了浓度测量标准。这种测量方法不仅是采样大量液体的一种方法,也是研究含有少量纳米颗粒的微滴特性的一种方法。

   

研究人员表示,有了这种方法和比以前更快的照明系统,科学家将能够测量喷雾或微滴云的体积、运动和含量。这些测量方法将在未来的流行病学、环境和工业应用研究中发挥关键作用。

   

——编译:曹歆

   

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