針尖增強拉曼散射中的 qCMOS 相機評估

圖1 尖端增強拉曼散射實驗圖

qCMOS相機因其暗噪聲極低等優(yōu)異特性，具有出色的微弱信號檢測能力。在這個實驗中，將qCMOS相機和光柵光譜儀結(jié)合起來，并開發(fā)了一種新軟件來同時控制兩者，以檢測增強拉曼散射(TERS)。為此，測試了qCMOS相機對拉曼或弱信號拉曼的檢測能力，并探索更多的應(yīng)用可能性。

背景

掃描隧道顯微鏡(STM)不僅能夠以原子分辨率觀察和操縱納米世界，它的隧道電流還可以用作局部激發(fā)源，從結(jié)處產(chǎn)生光，即所謂的 STM 誘導(dǎo)發(fā)光( STML)，它可以提供與各種激勵衰減相關(guān)的局部電磁特性的附加信息。另一方面，利用金屬尖端頂點產(chǎn)生的強信號增強，可以使用增強拉曼散射(TERS)獲得空間分辨拉曼光譜，這可以在真實空間中提供高空間分辨率的化學識別能力。此外，

本實驗將樣品(MoS 2)放入STM中，用532 nm DPSS激光器激發(fā)光譜，然后用自制的帶光路的立方體收集拉曼信號，如圖1所示。qCMOS 相機 ORCA-Quest 安裝在 550 mm 焦距光譜儀中以收集拉曼光譜。

實驗

如上所述，將樣品 (MoS 2 ) 放入 STM 中并由 532 nm DPSS 激光器激發(fā)。我們使用光纖和聚焦立方體來采集MoS 2的拉曼光譜，如圖2所示。 弱拉曼光譜由 ORCA-Quest 通過 180 秒的曝光時間收集。由于讀出噪聲低，SNR 優(yōu)于深冷 CCD 相機。同時，由于4.6*4.6μm的像素尺寸，分辨率(FWHM)優(yōu)于像素尺寸為13μm、26μm或20μm的普通CCD相機。

圖2 光學設(shè)置圖

結(jié)果與討論

為了進行比較，使用另一個光譜儀采集系統(tǒng)液氮冷卻CCD + 300 mm焦距光柵光譜儀與我們的ORCA-Quest + 550 mm焦距光譜儀進行比較。設(shè)置與采集光纖之前完全相同，僅更換了光纖和光譜采集部分。

圖3(a) qCMOS相機、ORCA-Quest + 550 mm焦距光柵光譜儀(f/6.4)、200 μm光纖、300 g/mm光柵、180 s曝光時間得到的MoS 2拉曼信號

圖3(b)液氮冷卻CCD+300 mm焦距光柵光譜儀(f/3.9)的MoS 2拉曼信號，400 μm光纖，600 g/mm光柵，180 s曝光時間

從對比結(jié)果來看，ORCA-Quest+550mm焦距光柵光譜儀具有三大亮點，分別是:

1) 與一般用于短曝光應(yīng)用的傳統(tǒng)sCMOS相機不同，qCMOS相機在180 s曝光時間下具有與液氮冷卻CCD相當?shù)恼w噪聲水平，從而獲得優(yōu)異的拉曼信噪比。即使去除光纖和光譜儀對光收集效率的影響，qCMOS相機的信噪比仍然與液氮冷卻CCD相當。

2)對于CCD探測器來說，長時間曝光時的宇宙射線干擾很難去除。同時，在長積分時間下，qCMOS比液氮冷卻CCD具有更好的抗宇宙射線干擾能力。

3) qCMOS的暗噪聲抑制水平也在長積分時間下得到驗證，與液氮冷卻CCD的水平相當。


審核編輯 黃宇