针尖增强拉曼散射中的 qCMOS 相机评估

图1 尖端增强拉曼散射实验图

qCMOS相机因其暗噪声极低等优异特性，具有出色的微弱信号检测能力。在这个实验中，将qCMOS相机和光栅光谱仪结合起来，并开发了一种新软件来同时控制两者，以检测增强拉曼散射(TERS)。为此，测试了qCMOS相机对拉曼或弱信号拉曼的检测能力，并探索更多的应用可能性。

背景

扫描隧道显微镜(STM)不仅能够以原子分辨率观察和操纵纳米世界，它的隧道电流还可以用作局部激发源，从结处产生光，即所谓的 STM 诱导发光( STML)，它可以提供与各种激励衰减相关的局部电磁特性的附加信息。另一方面，利用金属尖端顶点产生的强信号增强，可以使用增强拉曼散射(TERS)获得空间分辨拉曼光谱，这可以在真实空间中提供高空间分辨率的化学识别能力。此外，

本实验将样品(MoS 2)放入STM中，用532 nm DPSS激光器激发光谱，然后用自制的带光路的立方体收集拉曼信号，如图1所示。qCMOS 相机 ORCA-Quest 安装在 550 mm 焦距光谱仪中以收集拉曼光谱。

实验

如上所述，将样品 (MoS 2 ) 放入 STM 中并由 532 nm DPSS 激光器激发。我们使用光纤和聚焦立方体来采集MoS 2的拉曼光谱，如图2所示。 弱拉曼光谱由 ORCA-Quest 通过 180 秒的曝光时间收集。由于读出噪声低，SNR 优于深冷 CCD 相机。同时，由于4.6*4.6μm的像素尺寸，分辨率(FWHM)优于像素尺寸为13μm、26μm或20μm的普通CCD相机。

图2 光学设置图

结果与讨论

为了进行比较，使用另一个光谱仪采集系统液氮冷却CCD + 300 mm焦距光栅光谱仪与我们的ORCA-Quest + 550 mm焦距光谱仪进行比较。设置与采集光纤之前完全相同，仅更换了光纤和光谱采集部分。

图3(a) qCMOS相机、ORCA-Quest + 550 mm焦距光栅光谱仪(f/6.4)、200 μm光纤、300 g/mm光栅、180 s曝光时间得到的MoS 2拉曼信号

图3(b)液氮冷却CCD+300 mm焦距光栅光谱仪(f/3.9)的MoS 2拉曼信号，400 μm光纤，600 g/mm光栅，180 s曝光时间

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

1) 与一般用于短曝光应用的传统sCMOS相机不同，qCMOS相机在180 s曝光时间下具有与液氮冷却CCD相当的整体噪声水平，从而获得优异的拉曼信噪比。即使去除光纤和光谱仪对光收集效率的影响，qCMOS相机的信噪比仍然与液氮冷却CCD相当。

2)对于CCD探测器来说，长时间曝光时的宇宙射线干扰很难去除。同时，在长积分时间下，qCMOS比液氮冷却CCD具有更好的抗宇宙射线干扰能力。

3) qCMOS的暗噪声抑制水平也在长积分时间下得到验证，与液氮冷却CCD的水平相当。


审核编辑 黄宇