打噴嚏、雨雲和噴墨打印機，它們都會產生或包含液滴，其微小程度足以需要幾十億個液滴才能裝滿一升的瓶子。測量微觀液滴的體積、運動和內容對於研究空氣中的病毒如何傳播（包括那些導致COVID-19的病毒）、雲層如何反射陽光以冷卻地球、噴墨打印機如何創造出精細的圖案乃至一個汽水瓶如何破碎成納米級的塑料顆粒以污染海洋都非常重要。
美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員通過改進傳統光學顯微鏡的校準首次測量了小於100萬億分之一升的單個液滴的體積，其不確定性小於1%，這一測量結果是以前的10倍。
由於光學顯微鏡可以直接成像小物體的位置和尺寸，它們的測量可以用來確定球形微滴的體積–與直徑的立方成比例。然而，光學顯微鏡的準確性受到許多因素的限制，例如圖像分析能多好地定位液滴邊緣和周圍空間的邊界。
為了提高光學顯微鏡的準確性，NIST的研究人員為儀器開發了新的標準和校準。他們還設計了一個系統，在這個系統中，他們可以同時使用顯微鏡和一種獨立的技術–被稱為重力測量法–來測量飛行中的微滴的體積。
重力測量法通過稱量積聚在一個容器中的許多微滴的總質量來測量體積。如果控制液滴的數量並測量其密度–每單位體積的質量，那麼在秤上登記的總質量可以用來計算一個液滴的平均體積。儘管這是很有價值的信息，但由於液滴的大小不一，通過光學顯微鏡對單個液滴進行成像可以進行更直接和完整的測量。
儘管如此，稱量容器中的物品是一種久經考驗的方法，並且重力測量很容易跟國際單位制(SI)聯繫起來且具有很高的可信度。這種測量是最可靠的，因為單位是基於自然界的基本常數且不會隨時間變化。因此，該團隊使用重力測量法來檢查顯微鏡在確定液滴尺寸方面的可靠性。
為了提高定位微液滴邊緣的準確性，研究人員測試了兩個標準物體來模仿微液滴並校準圖像邊界。對於每個標準物體，精確和準確測量其邊緣之間的距離可以校準相應的圖像邊界。
第一個標準物體由尖銳的金屬邊緣組成，中間隔着一個校準的距離，代表微滴的直徑。這種“刀刃”假定微滴邊緣和周圍空間之間的邊界是平坦的，通常用於測試光學系統，但跟微滴只有一線之差。
另一個標準物體則包括具有校準直徑的塑料球，它們在顯微鏡下產生的圖像跟微液滴的圖像非常相似。事實上，科學家們發現，當他們用塑料球來校準他們對圖像邊界的測量時，從顯微鏡得出的微液滴體積跟從重力測量得出的微液滴體積精確匹配。科學家們還校準了光學顯微鏡的其他幾個方面，其中包括聚焦和失真並自始至終保持跟SI的聯繫。
通過這些改進，光學顯微鏡將微滴的體積解析到了一萬億分之一升。研究人員指出，這些標準和校準是實用的，它們可以應用於基礎和應用研究中使用的許多類型的光學顯微鏡。事實上，顯微鏡的光學系統越不先進，顯微鏡的測量就越能從標準和校準中受益，進而提高圖像分析的準確性。
NIST的研究人員跟位於College Park的馬里蘭大學合作，並於2021年12月20日在《Analytical Chemistry》上在線報告了這些發現。
在他們的主要實驗中，研究人員用一台打印機噴射環戊醇的微滴，環戊醇是一種緩慢蒸發的粘性酒精。他們通過精確控制噴射來產生已知數量的微液滴。當微滴的噴射從打印機飛到幾厘米外的一個容器中時，它們被逆光照射並用光學顯微鏡進行成像。然後，研究人員對容器及其積聚的許多微滴進行稱重。
隨着光學顯微鏡的校準以及通過跟重力測量法的比較進行檢查，該團隊開始了另一項實驗，其使用含有聚苯乙烯納米顆粒的水微滴代替環戊醇，這是納米塑料分析的常見但非官方的標準。這個系統更接近於許多科學家感興趣的樣品類型，如在研究塑料污染方面。研究人員用打印機將一排排獨立的水微滴一次次沉積在一個表面上。
水微滴在降落在表面后蒸發，隨後留下納米顆粒。研究小組對納米顆粒進行了計數，這些顆粒會被標記為一種熒光染料。通過這種方式，研究小組得以記錄懸浮在每個微滴體積內的顆粒數量，這提供了一個濃度的測量。這種測量既是一種對散裝液體進行取樣的方法也是研究含有少量納米顆粒的微滴的特性的方法。
研究人員稱，使用這種方法和一個比該團隊採用的方法更快的照明系統，科學家們將有能力測量噴霧或微滴雲的體積、運動和內容。這種測量可以在未來的流行病學、環境和工業應用研究中發揮關鍵作用。