qCMOS®相机的针尖增强拉曼散射检测能力评估

2025年8月19日发布

qCMOS相机具有极低的暗噪声等优异特性,弱信号检出能力出色。本实验结合使用qCMOS相机与光栅光谱仪,并开发了新的软件同时控制这两种装置,用于检测针尖增强拉曼散射 (TERS)。为此,该团队测试了qCMOS相机对于拉曼或弱信号拉曼的检测能力,并探索了其他应用可能性。

 

背景

扫描隧道显微镜 (STM) 不仅能以原子级分辨率观察和处理纳米级物质,其隧道电流还可用作局部激发源,在隧道结发光。这就是所谓的STM诱导发光 (STML),能够提供有关各种激发衰减的局部电磁特性的附加信息。另一方面,利用金属针尖顶端产生的强信号增强效应,可通过针尖增强拉曼散射 (TERS) 实现空间分辨拉曼光谱,从而在真实空间提供高空间分辨率化学识别能力。此外,针尖增强光致发光 (TEPL) 技术可用于探索分子光物理现象、光与物质相互作用,以及亚分子范围的纳米级能量转移。

图1针尖增强拉曼散射实验原理图

对于本实验,将样本 (MoS2) 放入 STM,使用 532 nm 二极管泵浦固体 (DPSS) 激光器激发光谱,然后再用自制带光路的立方体采集拉曼信号(如图1所示)。qCMOS相机ORCA-Quest安装在焦距为550 mm的光谱仪上,用于采集拉曼光谱信号。

实验

如上所述,将样本 (MoS2) 放入STM中,使用532 nm DPSS激光器进行激发。如图2所示,我们用光纤和聚焦立方体采集MoS2的拉曼光谱。经过180秒的曝光时间后,通过ORCA-Quest相机采集到了微弱的拉曼光谱信号。读出噪声较低的SNR优于深冷CCD相机。而且,凭借4.6 μm ×4.6 μm的像素尺寸,该相机的分辨率(半宽度)优于像素尺寸为13 μm、20 μm或 26 μm的普通CCD相机。

图2光学设置图

结果与讨论

作为对比,我们另外采用了一个由液氮冷却CCD+300 mm焦距光栅光谱仪组成的光谱仪采集系统,与ORCA-Quest+550 mm焦距光谱仪系统进行比较。设置结构在采集光纤之前完全相同,仅在光纤及光谱采集部分作了更换。

图3(a) 采用qCMOS相机ORCA-Quest+550 mm焦距光栅光谱仪 (f/6.4) 系统,以200 μm光纤、300 g/mm光栅和180秒曝光时间采集的MoS2拉曼信号

图3(b) 采用液氮冷却CCD+300 mm焦距光栅光谱仪 (f/3.9) 系统,以400 μm光纤、600 g/mm光栅和180秒曝光时间采集的MoS2拉曼信号

从对比结果来看,ORCA-Quest+ 550 mm焦距光栅光谱仪系统具有三大亮点:

1) 与通常用于短曝光用途的传统sCMOS相机不同,qCMOS相机在180s曝光时间内整体噪声水平可与液氮冷却CCD相媲美,从而获得优异的拉曼信噪比。即使排除光纤和光谱仪对光采集效率的影响,qCMOS相机的信噪比仍与液氮冷却CCD相媲美。

2) CCD探测器在长时间曝光时,难以排除宇宙射线的干扰。而qCMOS相机在长积分时间下对抗宇宙射线干扰的能力优于液氮冷却CCD。

3) qCMOS相机的暗噪声抑制水平在长积分时间内也得到了验证,同样与液氮冷却CCD相媲美。

About Dr. Han Tao

Doctor Han Tao graduated from Fudan University in Shanghai in 2005. After many years of technical work in HORIBA Company, he founded Shanghai UPU Optoelectronic Technology Co., Ltd. as a co-founder in 2018,who has accumulated nearly 20 years of experience in the field of spectroscopy and spectral measurement.

Shanghai UPU Optoelectronic Technology Co., Ltd. is a high-tech enterprise specializing in the field of optoelectronic technology. The company's business direction is mainly imaging and spectrum. Meanwhile, in recent years, the company have focused on the development and production of confocal Raman spectroscopy and Fluorescence spectroscopy systems. According to the demand of scientific research market, we adopt standardized product ideas, to provide users with a variety of high-performance standardized product modules and customized overall system.

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ORCA-Quest 2是一款新的qCMOS相机,也是ORCA-Quest的后续产品,具有多项深化进步,例如在极低噪声扫描模式下读出速度更快,紫外区域灵敏度更高。

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