将噪声压至0.3e- RMS，滨松qCMOS相机触及探测极限

一个好的工具，能让我们听清以前听不见的声音，看清以前看不到的细节。在科学探索的最前沿，这一点尤为关键。因为探测器的每一次微小进步，都可能让科学家对世界的认知，向前迈进一大步。

当人们开始尝试用新的工具去观测时，一些曾经模糊的图景，正变得清晰起来。在纳米尺度的光谱探测与活细胞的单分子追踪中，研究者借助qCMOS相机的独特性能，获得了意想不到的观测清晰度。下面的两个案例，便将揭示qCMOS相机如何成为探索者的“第二双眼睛”，让真实的信号前所未有地凸显出来。

案例一：极限挑战：qCMOS如何“看见”纳米世界的分子振动

在纳米科学的深处，针尖增强拉曼光谱(TERS)技术如同一个超级显微镜，试图“窥见”分子与原子的振动。然而，它捕捉到的信号微弱如丝，几乎被探测器自身的噪声所淹没。如何从纷杂的噪声中分辨出真实的光子信号，一直是横亘在研究者面前的巨大挑战。

韩涛博士在此领域深耕近二十载。他于2005年毕业于上海复旦大学，在光谱与光谱测量领域积累了近20年的丰富经验。面对TERS信噪比瓶颈，他领导团队对滨松新一代qCMOS相机进行了一项关键评测。

技术突破：逼近理论极限的极低噪声

测评结果超出了预期。qCMOS相机将读出噪声成功压制至惊人的0.27 electrons RMS，几乎触及理论极限。如此极致的低噪声意味着什么?它直接转化为了观测效果的飞跃。

这项突破意味着，在采集单光子级别的信号时，相机能实现极高的定量的准确性和信噪比。对比图像清晰显示，qCMOS所获光谱的质量显著提升，那些曾经被噪声掩盖的、代表分子“指纹”的微弱拉曼信号，终于得以清晰、稳定地显现。

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。

效果验证：从模糊到清晰的飞跃

这项研究不仅用扎实的数据证明了qCMOS的卓越性能，更重要的是，它为TERS技术提供了一条行之有效的升级路径。凭借其光子计数级别的分辨能力，qCMOS能为高端科研实验提供更为可靠的数据基石，推动材料科学、化学分析等领域向更微观、更精确的维度迈进。

图2 效果对比：和传统的sCMOS不适合长曝光应用不同的是，qCMOS相机在180s曝光时间下的整体噪音水平可以和液氮制冷CCD媲美，获取了优异的拉曼信号信噪比。

案例二：看见“不可见”：qCMOS为活细胞单分子成像注入清晰度

如果说韩涛博士的工作，展现了qCMOS在提取极端微弱光谱信号上的极限能力;那么，在生命科学领域，研究者则更关注其在动态、活体环境中捕捉瞬时荧光信号的表现。

在生命科学的最前沿，真正的突破往往始于“看见”以往无法观测的现象。单分子荧光成像技术正是这样一双眼睛，它致力于在活细胞中实时追踪单个分子的活动轨迹。在这一领域，探测器的每一次性能提升，都可能直接开启一项全新的发现。

在中国科学院遗传与发育生物学研究所，徐家超博士的研究核心，正是利用TIRF显微镜技术，来实现对活细胞内单分子行为的精密成像。这项技术的成功，高度仰赖于探测器的卓越性能——它必须能在极低噪声下，清晰捕捉那些转瞬即逝的微弱荧光信号。

为了突破成像极限，徐博士进行了一项关键对比：让传统的EM-CCD相机与滨松新推出的qCMOS相机ORCA-Quest，在成像血管紧张素II 1型受体(AT1R-EYFP)的实验中同台竞技。

样本：AT1R-EYFP， 曝光时间：100 ms ，光学系统：TIRF， 物镜： 100× NA 1.49， 激光器：488 nm 1mW。

极低噪声下的清晰世界

实验结果令人振奋。qCMOS相机展现出卓越的性能，即使在快速成像模式下，其读出噪声也低至0.43e RMS。这意味着在捕捉单分子荧光信号时，它能提供与EM-CCD相媲美的高信噪比，研究人员可以在非常干净的背景下，轻松地识别出单个分子。

高分辨率与灵活性兼备

除了在噪声控制上表现卓越，qCMOS在空间解析与操作灵活性上也带来了新的可能。qCMOS相机还拥有更小的像素尺寸(4.6 µm)，并支持多种像素合并模式。徐家超博士可以根据具体的成像需求，灵活选择不同的设置。例如，通过采用2×2合并获得9.2 µm的像素尺寸，从而在灵敏度与定位精度之间找到最佳平衡点。

徐家超博士的实践表明，qCMOS在单分子荧光成像方面不仅表现堪比传统技术，更在综合性能上展现出优势。它正助力科学家们更清晰、更精确地探索微观世界，推动着科研成像迈向“光子定量”的新纪元。

两位科研工作者在不同领域的探索，看似路径各异，却得出了相似的结论。无论是韩涛博士在纳米光谱中捕捉精确的信号，还是徐家超博士在生命动态中追踪清晰的轨迹，他们的实践都如同一份严谨的验证。结果表明，qCMOS相机这款新工具，确实能够为看清那些曾经模糊的细节，提供一种更值得信赖的选择。

图3 qCMOS相机参数介绍，案例与实际参数相结合，您可以更直观感受到qCMOS相机的性能表现。

通往“定量”成像的新纪元

这项技术的意义，远不止于当下。它的未来发展路径清晰可见：

首先，是在极致精度上追求更快的速度与更强的捕捉能力。通过芯片设计与读出算法的协同优化，qCMOS将在保持光子计数级分辨能力的同时，不断提升帧率与满阱容量，从而精准捕捉更快速的动态生命过程与更强烈的化学发光反应。

继而，是迈向跨平台的系统集成与智能解析。qCMOS相机与超分辨显微技术、高通量光谱平台的深度集成，将催生出更智能、多维度的联用系统，最终实现对生物分子互作、纳米材料相变等复杂过程的原位、实时解析。

最终，我们预见，qCMOS作为可靠的探测平台，其意义远不止于“看清”。它所开启的，是一条通往“定量成像”的新纪元。其产生的高质量数据将与人工智能深度融合，帮助科学家在各个前沿领域，超越“观测”，实现从微观现象到宏观规律的精准解析与预测。

这不仅是参数的提升，更是认知范式的演进。这两个案例共同印证，qCMOS相机如同探索者精准而敏锐的“第二双眼睛”，而它所带来的清晰、可定量的世界，正在为科学发现铺设一条更坚实、更智能的道路。

审核编辑 黄宇