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利用sCMOS科学相机捕捉金刚石NV色心荧光信号

1实验背景

金刚石氮空位NV色心作为固态量子传感器,具有高灵敏度、室温操作工况、纳米级空间分辨率及非侵入性等特征,成为微观磁场成像领域的磁敏感探测单元优选。

传统点扫描式成像效率低下,而基于金刚石NV色心的宽场成像技术通过并行激发和探测,可快速获取全场磁场信息。然而,NV色心荧光信号微弱,对探测设备量子效率与读出噪声要求严苛,传统CCD相机、CMOS相机读出噪声高,满阱容量有限,易出现读出噪声主导现象,无法实现弱光信号探测。

sCMOS科学相机通过采用背照式传感器工艺结构、像素阵列与读出电路优化等技术,量子效率QE、读出噪声、动态范围较传统CCD、CMOS相机均有大幅提升。

某光学实验室研究团队,采用千眼狼sCMOS相机Gloria 4.2,集成于显微光路中(图1),实现金刚石NV色心的宽场磁场成像,成功捕捉磁场施加前后NV色心荧光灰度值变化。

2实验设备

1)金刚石NV色心样本;


2)显微光学成像系统,搭配10x,20x,40x多个倍率的放大物镜;

3)sCMOS科学相机,千眼狼Gloria 4.2,2048×2048,具有HDR模式;

4)磁场控制设备,用于产生可调节的均匀磁场。

5)高精度位移平台,实现金刚石NV色心样本三维空间内的精确移动。

图片1(1).png

3实验数据与解析

采集图像后,通过千眼狼科学成像分析软件的ROI灰度统计功能,对单个NV色心区域300×248 进行时域追踪,揭示磁场对荧光强度的调制效应:

零磁场下,平均灰度值Mean 16119.716,标准差StdDev 4194.516(图2 左);施加5GS微弱磁场后,磁场导致NV色心发生塞曼跃迁,使荧光搜集效率降低,平均灰度值16079.715,标准差StdDev 4183.536,标准差变化率0.3%(图2 右)。

搜狗高速浏览器截图20250731180206.png

4实验结论

  • 实验利用千眼狼sCMOS相机Gloria 4.2可捕获金刚石NV色心发生塞曼跃迁时的荧光信号灰度值变化,通过相机高动态模式下捕获的16 Bit图像数据,解析GS级弱磁场引起的微弱灰度波动。

  • 应用拓展层面,基于科学相机RPC科学成像软件的实时灰度值监控功能,可进一步建立灰度-磁场响应标定曲线,实现生物磁成像如捕获神经元动作电位磁场、量子器件检测等应用。

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