现在可以正确测量小于 1 毫克的质量

现在可以正确测量小于 1 毫克的质量

2024/05/29

即使质量小于1毫克以便您能够正确测量微小重量，微小质量测量的标准开发出全球精度最高的自动校准系统

日本科学技术协会测量标准中心是日本的国家测量标准组织，我们正在进行研究和开发，以建立具有世界最高精确度的国家质量测量标准。此外，根据国家计量标准，各种校准砝码以确保质量测量和工业供应的可靠性这也是一项重要的任务。近年来，在大气颗粒分析等中需要精确测量小于1毫克的质量一直在增加。为了准确测量如此小的质量，我们使用 01 毫克以上且小于 1 毫克的砝码。使用新开发的自动微量校准系统进行世界上最高精度的校准该服务将于 2021 年启动。

1公斤重物的质量真的是1公斤吗？

许多人都记得在小学科学实验中使用精密天平和砝码来测量粉末的质量。测量物体的质量在工厂和实验室中很常见，并且在许多情况下使用电子天平，它比精密天平更容易测量。

　但是，如何检查电子天平的测量结果是否准确呢？例如，测量1公斤重物的质量时，显示值与1公斤的偏差是评估电子天平测量结果可靠性的线索。像这种作为测量基准的重量之类的东西称为“测量标准”，而澄清该“测量标准”所表示的值与测量仪器所表示的值或另一个“测量标准”所表示的值之间的关系的行为称为校准。

　那么，我们如何检查用于校准的1公斤重物是否真的有1公斤的质量呢？为了避免担心这个问题，使用更准确的重量作为参考来校准重量。更准确的重量是相对于更准确的重量进行校准的。经过这一连串的校准，我们得到了“标准重量组”，这是由国立先进工业科学技术研究所计量标准中心开发和维护的国家质量测量标准。通过使用基于这种校准链的砝码，可以实现具有保证计量可追溯性的精确质量测量。 （AIST杂志“什么是计量可追溯性？” ）

　“标准砝码组”是国家质量计量标准，由1毫克到20公斤的各种质量的砝码组成。目前，千克是由普朗克常数定义的，普朗克常数是一个物理常数，计量中心根据普朗克常数以世界最高的精度确定每个砝码的质量。此外，该组标准砝码用于校准计量溯源系统下校准公司持有的标准砝码。对于需要精确测量的用户，我们提供使用该标准重量校准的砝码和秤。

计量中心工程计量标准研究部首席研究员仓本直树对千克的定义解释如下。

　此前，千克被定义为“国际千克原型”的质量，这是法国巴黎郊区一家研究所管理的砝码。换句话说，世界上唯一的砝码的质量恰好是1千克。然而，考虑到由于表面污染、损坏或丢失而导致质量变化的风险，使用通用物理常数而不是人造物体来定义它是理想的，因此从 2019 年开始，千克已使用普朗克常数来定义，该常数与原子质量有关。

　创建实际上可用于测量不可见的普朗克常数的质量标准的过程称为“千克的实现”。原则上，各国国家计量院可以独立实现千克并为其质量制定国家标准。但目前，只有国家计量中心等少数国家计量机构具备高精度计量公斤的能力。因此，这些组织正在共同努力确定“千克的协议值”，这是基于普朗克常数的国际质量尺度的参考点。此外，国际公斤原型的质量就是根据这个商定值确定的。它的质量不再是 1 千克，而是 0999 999 993 千克（截至 2024 年 5 月）。世界各国的国家质量标准都是根据这个国际千克原器的质量进行校准的。

　计量标准中心使用质量约为1千克的硅单晶球来实现千克。单个硅原子的质量可以根据普朗克常数计算出来。此外，他们将使用仓本与计量中心的许多合作者共同开发的激光干涉仪来计算该球体中包含的硅原子的数量。将原子质量乘以原子数即可得到一千克。

6585_6757基于普朗克常数的千克新定义的说明页」）

在处理像睫毛一样小的重量时，校准 01 毫克的重量很困难

　标准砝码组中最小的砝码质量为 1 毫克，但最近对甚至小于 1 毫克的砝码（即亚毫克砝码）的需求不断增加，正在与仓本进行研究的质量标准研究小组高级研究员 Yuichi Ota 表示。

　例如，在分析空气污染时，使用过滤器收集PM25，即悬浮在大气中的直径为25微米以下的颗粒物，并使用分辨率为1微克的电子天平测量收集前后过滤器的质量变化。此外，在药物发现研究中，电子天平用于测量极少量药物的质量。当需要精确的质量测量时，需要使用具有保证计量溯源性的砝码来确认电子天平的可靠性。这就是需要亚毫克砝码的原因。

　在日本，市售有01毫克砝码、02毫克砝码和05毫克砝码。有两种类型：铝丝配重和钛片配重，丝配重非常细，肉眼可见。

　太田自己通过用镊子多次将这些亚毫克砝码和标准砝码组中的1毫克砝码搬到电子天平上并重复进行质量比较来校准亚毫克砝码。由于重量很轻，即使室温的微小变化或灰尘的存在与否也会极大地影响测量结果。还必须小心处理重物，以避免变形或丢失的风险。这是一项艰巨的任务，需要仔细注意测量环境和重物的处理。

　如果测量者靠近电子天平，温度和湿度会因体温、呼吸、出汗等而发生变化，从而无法进行准确测量。另外，由于是小质量的精密测量，请将重量放在电子天平的秤盘上。如果在处理重物时不小心接触到平板，将无法进行准确的测量。因此，承载这个重量需要非常集中注意力，我担心有一天会犯下大错误。”

　太田的想法是开发一种能够自动运输和测量重量的系统。如果模糊性是由人类手工劳动造成的，太田认为让机器人自动完成会更好，因此他着手开发一种在无人环境中自动校准亚毫克重量的系统。

开发自动输送小重量的自动校准系统

　Ota 研究了手动亚毫克重量校准的问题以及如何改进，并开发了自动校准系统。 Ota 在开发过程中面临的最大挑战是弄清楚如何运输 01 毫克的重量（只有睫毛那么小）。使用镊子实现运输机器人化是很困难的。经过多次尝试，我们终于得到了一张梳子形的桌子。传送臂和电子天平放置砝码的区域呈梳状，梳齿嵌入彼此之间的间隙，将砝码舀起并传送至电子天平。

　梳子的厚度为02毫米，梳子之间的间距为035毫米，所以梳子非常细，从远处看，就像一张没有间隙的桌子。然而，当你实际移动它时，你可以顺利地舀起01毫克的重物，而梳子不会相互碰撞，并进行精确的移动，将它们转移到远处。自动校准系统使用计算机控制自动重量传输系统和天平上重量质量的自动测量。

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在传统校准中，举起重物、将其运送到电子天平、记录测量值、然后从天平上取下重物的过程是手动重复执行的，但通过自动化所有操作，测量值的变化已减半。与手动校准相比，我们成功地显着降低了重量质量校准的不确定性。特别是，01 和 02 毫克砝码的校准不确定度降低了三分之一以上。该精度优于其他国家计量机构的校准。

　现在这一系列的校准任务都可以自动完成，建立了一个系统，可以长期稳定、高精度地连续进行亚毫克重量校准。因此，我们在2021年6月推出了根据一组标准砝码校准01毫克以上且小于1毫克的重量的服务，作为一项向需要精确质量测量的公众提供的服务。

亚毫克级微质量精密测量技术的普及

　Ota 认为，需要精确测量 1 毫克或更小质量的情况比以往任何时候都多。

　随着科学技术的发展，各个领域对精确测量较小质量的需求不断增加，例如化学分析和药物发现领域。当考虑精确测量微小质量时，请咨询我们。''

　太田前往质量测量仪器制造商和用户聚集的研讨会，传播有关他开发的亚毫克砝码自动校准系统和亚毫克砝码校准服务的信息。此外，通过与这些用户的直接互动，我们倾听哪些类型的领域有需求，并开始新的研发来满足这些需求。

　由于手动测量小于 1 毫克的质量很困难，因此亚毫克质量测量通常仍未得到充分利用。 “这种自动校准装置还可以用于自动测量重量以外的样品。如果通过技术转让，该装置变得更容易为用户使用，我们预计亚毫克重量的使用将会扩大，”Ota 展望该装置本身的应用时说道。

　研究人员在精确测量微小质量方面所做的努力以及支持这一点的计量标准将为未来工业的基础奠定基础。