sCMOS 카메라를 사용한 ms-시간 분해능 라만 분광법

 라만 스펙트럼은 화학 반응을 모니터링하고 분자 구조를 식별하며 샘플 전체의 화학 종 분포를 측정하는 데 사용할 수 있는 화학적 특이성을 제공하기 때문에 라만 분광법은 생물학적 및 물질 시스템을 조사하는 데 강력한 도구입니다. 새로운 라만 방법의 개발은 부분적으로는 검출기 기술의 발전을 통해 가능해졌습니다. 여기에서는 라만 분광법의 검출 솔루션으로 과학적 상보성 금속 산화물 반도체(sCMOS) 카메라의 적용에 대해 설명합니다. CCD 카메라는 전통적으로 실험용 라만 설정에서 널리 사용되어 왔지만, sCMOS 카메라의 판독 아키텍처는 고속 라만 분광법을 위한 매력적인 검출기 플랫폼을 제공하며 특정 실험 조건에서 CCD를 능가하는 성능을 발휘할 수 있습니다. 두 카메라의 광학 설정이 동등한지 확인하기 위해 이중 출력 분광기를 사용하는 라만 분광법 및 분광학에 대한 sCMOS 및 CCD 디텍터의 장점을 강조합니다.

Image Readout Architecture of Scientific Cameras

• 광자가 여기하는 CCD 센서 sCMOS 센서 픽셀의 광전자.
• 광전자는 한 줄씩 시프트 레지스터로 이동합니다.
• 시프트 레지스터는 픽셀 단위로 판독되어 광전자 전하를 전압으로 변환합니다.

• 광자는 픽셀에서 광전자를 여기시킵니다.
• 광전자 전하가 픽셀에서 아날로그 전압으로 변환됩니다.
• 픽셀 전압은 신호가 디지털화되는 열 아래로 전달됩니다.

Experimental Detection Set-ups

1. Kymera 193 dual output spectrograph

• 300 l/mm 그레이팅(850nm 블레이즈)
• 뉴턴 EMCCD(DU970P-FI)
• ZL41 Wave 4.2 sCMOS

2. Shamrock 300i spectrograph

• 1200 l/mm 그레이팅(500nm 블레이즈)
• 뉴턴 EMCCD(DU970P-BU)
• ZL41 Wave 4.2 sCMOS

High-Fidelity Spatially Resolved Spectra with sCMOS

sCMOS 카메라의 개별 픽셀 판독 아키텍처는 아티팩트(예: 번짐, 블러 현상)를 줄여 고충실도 이미징 실험에 적합합니다. 이는 2상 시스템의 라만 스펙트럼 이미지와 미세 유체 시스템에서의 혼합을 통해 입증됩니다.

Exploring experimental conditions using Polystyrene (PS) beads

특정 실험 시스템에 적합한 카메라는 기존 CCD, EMCCD 또는 sCMOS 카메라가 될 수 있습니다.

sCMOS 카메라의 높은 다이나믹 레인지는 밝은 조건에서 장시간 노출 시 약한 스펙트럼 특징을 보존합니다.

통합 피크 영역으로 정규화 후 왼쪽 스펙트럼.

5ms 노출 시간으로 기록된 PS(1064 펌프, 감소된 전력)의 CARS 스펙트럼. EMCCD는 광자 플루언스 감소에 탁월합니다.

980us 노출 시간으로 기록된 PS(1064 펌프)의 CARS 스펙트럼은 CCD를 사용하여 달성할 수 있는 속도보다 빠릅니다.

중간 정도의 조명 조건에서 레코딩된 PS(1064 펌프)의 CARS 스펙트럼. sCMOS와 CCD의 성능은 비슷한 노이즈 레벨로 비슷합니다.

Future Outlook for sCMOS as a Spectroscopy Camera

분광학 애플리케이션을 위한 sCMOS 카메라의 성능을 살펴보고 적절한 경우 CCD 카메라와 대조해 보았습니다. 신호가 약한 환경에서는 CCD 기술이 유리할 수 있습니다. 중간 정도의 광자 플럭스에서는 추가적인 기술적 장점과 함께 상대적으로 작은 성능 차이는 분광학 애플리케이션에 sCMOS 카메라를 쉽게 고려할 수 있는 분명한 지표입니다. 높은 광자 플럭스로 이동하면 sCMOS 카메라는 이미 표준 CCD 디텍터보다 성능이 뛰어나며 고속 분광 애플리케이션에 상당한 이점을 제공합니다.

References and Acknowledgements

W.J.N. Klement, P. Leproux, W.R. Browne, H. Kano, CMOS and CCD detection in Raman spectroscopy: a comparison using spontaneous and multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), ChemRxiv, 2024, DOI: 10.26434/chemrxiv-2024-vqjlz

W.J.N. Klement, E. Savino, W.R. Browne, E. Verpoorte, In-line Raman imaging of mixing by herringbone grooves in microfluidic channels, Lab Chip, 2024, 24, 3498-3507, DOI: 10.1039/D4LC00115J

W.J.N Klement, S. Verpoorte, W.R. Browne, Seeing Mixing in Microfluidic Channels with Line Focused Raman Imaging, Andor Learning Center, 2024

저자들은 데이터 수집에 도움을 준 필립 레프루와 부일롬 후스(Leukos)에게 감사의 말씀을 전합니다. 이 연구는 부분적으로 흐로닝언 대학교의 우보 에미우스 기금에서 자금을 지원받았습니다.