一個(gè)好的工具，能讓我們聽清以前聽不見的聲音，看清以前看不到的細(xì)節(jié)。在科學(xué)探索的最前沿，這一點(diǎn)尤為關(guān)鍵。因?yàn)?a target="_blank">探測(cè)器的每一次微小進(jìn)步，都可能讓科學(xué)家對(duì)世界的認(rèn)知，向前邁進(jìn)一大步。

當(dāng)人們開始嘗試用新的工具去觀測(cè)時(shí)，一些曾經(jīng)模糊的圖景，正變得清晰起來。在納米尺度的光譜探測(cè)與活細(xì)胞的單分子追蹤中，研究者借助qCMOS相機(jī)的獨(dú)特性能，獲得了意想不到的觀測(cè)清晰度。下面的兩個(gè)案例，便將揭示qCMOS相機(jī)如何成為探索者的“第二雙眼睛”，讓真實(shí)的信號(hào)前所未有地凸顯出來。

案例一：極限挑戰(zhàn)：qCMOS如何“看見”納米世界的分子振動(dòng)

在納米科學(xué)的深處，針尖增強(qiáng)拉曼光譜(TERS)技術(shù)如同一個(gè)超級(jí)顯微鏡，試圖“窺見”分子與原子的振動(dòng)。然而，它捕捉到的信號(hào)微弱如絲，幾乎被探測(cè)器自身的噪聲所淹沒。如何從紛雜的噪聲中分辨出真實(shí)的光子信號(hào)，一直是橫亙?cè)谘芯空呙媲暗木薮筇魬?zhàn)。

韓濤博士在此領(lǐng)域深耕近二十載。他于2005年畢業(yè)于上海復(fù)旦大學(xué)，在光譜與光譜測(cè)量領(lǐng)域積累了近20年的豐富經(jīng)驗(yàn)。面對(duì)TERS信噪比瓶頸，他領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)對(duì)濱松新一代qCMOS相機(jī)進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)鍵評(píng)測(cè)。

技術(shù)突破：逼近理論極限的極低噪聲

測(cè)評(píng)結(jié)果超出了預(yù)期。qCMOS相機(jī)將讀出噪聲成功壓制至驚人的0.27 electrons RMS，幾乎觸及理論極限。如此極致的低噪聲意味著什么?它直接轉(zhuǎn)化為了觀測(cè)效果的飛躍。

這項(xiàng)突破意味著，在采集單光子級(jí)別的信號(hào)時(shí)，相機(jī)能實(shí)現(xiàn)極高的定量的準(zhǔn)確性和信噪比。對(duì)比圖像清晰顯示，qCMOS所獲光譜的質(zhì)量顯著提升，那些曾經(jīng)被噪聲掩蓋的、代表分子“指紋”的微弱拉曼信號(hào)，終于得以清晰、穩(wěn)定地顯現(xiàn)。

圖1 針尖增強(qiáng)拉曼散射實(shí)驗(yàn)原理圖 對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，將樣本 (MoS2) 放入 STM，使用 532 nm 二極管泵浦固體 (DPSS) 激光器激發(fā)光譜，然后再用自制帶光路的立方體采集拉曼信號(hào)(如圖1所示)。qCMOS相機(jī)ORCA?-Quest安裝在焦距為550 mm的光譜儀上，用于采集拉曼光譜信號(hào)。

效果驗(yàn)證：從模糊到清晰的飛躍

這項(xiàng)研究不僅用扎實(shí)的數(shù)據(jù)證明了qCMOS的卓越性能，更重要的是，它為TERS技術(shù)提供了一條行之有效的升級(jí)路徑。憑借其光子計(jì)數(shù)級(jí)別的分辨能力，qCMOS能為高端科研實(shí)驗(yàn)提供更為可靠的數(shù)據(jù)基石，推動(dòng)材料科學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域向更微觀、更精確的維度邁進(jìn)。

圖2 效果對(duì)比：和傳統(tǒng)的sCMOS不適合長(zhǎng)曝光應(yīng)用不同的是，qCMOS相機(jī)在180s曝光時(shí)間下的整體噪音水平可以和液氮制冷CCD媲美，獲取了優(yōu)異的拉曼信號(hào)信噪比。

案例二：看見“不可見”：qCMOS為活細(xì)胞單分子成像注入清晰度

如果說韓濤博士的工作，展現(xiàn)了qCMOS在提取極端微弱光譜信號(hào)上的極限能力;那么，在生命科學(xué)領(lǐng)域，研究者則更關(guān)注其在動(dòng)態(tài)、活體環(huán)境中捕捉瞬時(shí)熒光信號(hào)的表現(xiàn)。

在生命科學(xué)的最前沿，真正的突破往往始于“看見”以往無法觀測(cè)的現(xiàn)象。單分子熒光成像技術(shù)正是這樣一雙眼睛，它致力于在活細(xì)胞中實(shí)時(shí)追蹤單個(gè)分子的活動(dòng)軌跡。在這一領(lǐng)域，探測(cè)器的每一次性能提升，都可能直接開啟一項(xiàng)全新的發(fā)現(xiàn)。

在中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，徐家超博士的研究核心，正是利用TIRF顯微鏡技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)活細(xì)胞內(nèi)單分子行為的精密成像。這項(xiàng)技術(shù)的成功，高度仰賴于探測(cè)器的卓越性能——它必須能在極低噪聲下，清晰捕捉那些轉(zhuǎn)瞬即逝的微弱熒光信號(hào)。

為了突破成像極限，徐博士進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)鍵對(duì)比：讓傳統(tǒng)的EM-CCD相機(jī)與濱松新推出的qCMOS相機(jī)ORCA-Quest，在成像血管緊張素II 1型受體(AT1R-EYFP)的實(shí)驗(yàn)中同臺(tái)競(jìng)技。

樣本：AT1R-EYFP， 曝光時(shí)間：100 ms ，光學(xué)系統(tǒng)：TIRF， 物鏡： 100× NA 1.49， 激光器：488 nm 1mW。

極低噪聲下的清晰世界

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮。qCMOS相機(jī)展現(xiàn)出卓越的性能，即使在快速成像模式下，其讀出噪聲也低至0.43e RMS。這意味著在捕捉單分子熒光信號(hào)時(shí)，它能提供與EM-CCD相媲美的高信噪比，研究人員可以在非常干凈的背景下，輕松地識(shí)別出單個(gè)分子。

高分辨率與靈活性兼?zhèn)?/strong>