一個好的工具，能讓我們聽清以前聽不見的聲音，看清以前看不到的細節。在科學探索的最前沿，這一點尤為關鍵。因為探測器的每一次微小進步，都可能讓科學家對世界的認知，向前邁進一大步。

當人們開始嘗試用新的工具去觀測時，一些曾經模糊的圖景，正變得清晰起來。在納米尺度的光譜探測與活細胞的單分子追蹤中，研究者借助qCMOS相機的獨特性能，獲得了意想不到的觀測清晰度。下面的兩個案例，便將揭示qCMOS相機如何成為探索者的“第二雙眼睛”，讓真實的信號前所未有地凸顯出來。

案例一：極限挑戰：qCMOS如何“看見”納米世界的分子振動

在納米科學的深處，針尖增強拉曼光譜(TERS)技術如同一個超級顯微鏡，試圖“窺見”分子與原子的振動。然而，它捕捉到的信號微弱如絲，幾乎被探測器自身的噪聲所淹沒。如何從紛雜的噪聲中分辨出真實的光子信號，一直是橫亙在研究者面前的巨大挑戰。

韓濤博士在此領域深耕近二十載。他于2005年畢業于上海復旦大學，在光譜與光譜測量領域積累了近20年的豐富經驗。面對TERS信噪比瓶頸，他領導團隊對濱松新一代qCMOS相機進行了一項關鍵評測。

技術突破：逼近理論極限的極低噪聲

測評結果超出了預期。qCMOS相機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?它直接轉化為了觀測效果的飛躍。

這項突破意味著，在采集單光子級別的信號時，相機能實現極高的定量的準確性和信噪比。對比圖像清晰顯示，qCMOS所獲光譜的質量顯著提升，那些曾經被噪聲掩蓋的、代表分子“指紋”的微弱拉曼信號，終于得以清晰、穩定地顯現。

圖1 針尖增強拉曼散射實驗原理圖 對于本實驗，將樣本 (MoS2) 放入 STM，使用 532 nm 二極管泵浦固體 (DPSS) 激光器激發光譜，然后再用自制帶光路的立方體采集拉曼信號(如圖1所示)。qCMOS相機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。

效果驗證：從模糊到清晰的飛躍

這項研究不僅用扎實的數據證明了qCMOS的卓越性能，更重要的是，它為TERS技術提供了一條行之有效的升級路徑。憑借其光子計數級別的分辨能力，qCMOS能為高端科研實驗提供更為可靠的數據基石，推動材料科學、化學分析等領域向更微觀、更精確的維度邁進。

圖2 效果對比：和傳統的sCMOS不適合長曝光應用不同的是，qCMOS相機在180s曝光時間下的整體噪音水平可以和液氮制冷CCD媲美，獲取了優異的拉曼信號信噪比。

案例二：看見“不可見”：qCMOS為活細胞單分子成像注入清晰度

如果說韓濤博士的工作，展現了qCMOS在提取極端微弱光譜信號上的極限能力;那么，在生命科學領域，研究者則更關注其在動態、活體環境中捕捉瞬時熒光信號的表現。

在生命科學的最前沿，真正的突破往往始于“看見”以往無法觀測的現象。單分子熒光成像技術正是這樣一雙眼睛，它致力于在活細胞中實時追蹤單個分子的活動軌跡。在這一領域，探測器的每一次性能提升，都可能直接開啟一項全新的發現。

在中國科學院遺傳與發育生物學研究所，徐家超博士的研究核心，正是利用TIRF顯微鏡技術，來實現對活細胞內單分子行為的精密成像。這項技術的成功，高度仰賴于探測器的卓越性能——它必須能在極低噪聲下，清晰捕捉那些轉瞬即逝的微弱熒光信號。

為了突破成像極限，徐博士進行了一項關鍵對比：讓傳統的EM-CCD相機與濱松新推出的qCMOS相機ORCA-Quest，在成像血管緊張素II 1型受體(AT1R-EYFP)的實驗中同臺競技。

樣本：AT1R-EYFP， 曝光時間：100 ms ，光學系統：TIRF， 物鏡： 100× NA 1.49， 激光器：488 nm 1mW。

極低噪聲下的清晰世界

實驗結果令人振奮。qCMOS相機展現出卓越的性能，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時，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，輕松地識別出單個分子。

高分辨率與靈活性兼備

除了在噪聲控制上表現卓越，qCMOS在空間解析與操作靈活性上也帶來了新的可能。qCMOS相機還擁有更小的像素尺寸(4.6 μm)，并支持多種像素合并模式。徐家超博士可以根據具體的成像需求，靈活選擇不同的設置。例如，通過采用2×2合并獲得9.2 μm的像素尺寸，從而在靈敏度與定位精度之間找到最佳平衡點。

徐家超博士的實踐表明，qCMOS在單分子熒光成像方面不僅表現堪比傳統技術，更在綜合性能上展現出優勢。它正助力科學家們更清晰、更精確地探索微觀世界，推動著科研成像邁向“光子定量”的新紀元。

兩位科研工作者在不同領域的探索，看似路徑各異，卻得出了相似的結論。無論是韓濤博士在納米光譜中捕捉精確的信號，還是徐家超博士在生命動態中追蹤清晰的軌跡，他們的實踐都如同一份嚴謹的驗證。結果表明，qCMOS相機這款新工具，確實能夠為看清那些曾經模糊的細節，提供一種更值得信賴的選擇。

圖3 qCMOS相機參數介紹，案例與實際參數相結合，您可以更直觀感受到qCMOS相機的性能表現。

通往“定量”成像的新紀元

這項技術的意義，遠不止于當下。它的未來發展路徑清晰可見：

首先，是在極致精度上追求更快的速度與更強的捕捉能力。通過芯片設計與讀出算法的協同優化，qCMOS將在保持光子計數級分辨能力的同時，不斷提升幀率與滿阱容量，從而精準捕捉更快速的動態生命過程與更強烈的化學發光反應。

繼而，是邁向跨平臺的系統集成與智能解析。qCMOS相機與超分辨顯微技術、高通量光譜平臺的深度集成，將催生出更智能、多維度的聯用系統，最終實現對生物分子互作、納米材料相變等復雜過程的原位、實時解析。

最終，我們預見，qCMOS作為可靠的探測平臺，其意義遠不止于“看清”。它所開啟的，是一條通往“定量成像”的新紀元。其產生的高質量數據將與人工智能深度融合，幫助科學家在各個前沿領域，超越“觀測”，實現從微觀現象到宏觀規律的精準解析與預測。

這不僅是參數的提升，更是認知范式的演進。這兩個案例共同印證，qCMOS相機如同探索者精準而敏銳的“第二雙眼睛”，而它所帶來的清晰、可定量的世界，正在為科學發現鋪設一條更堅實、更智能的道路。

審核編輯 黃宇