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ライフサイエンス向けの光子カウントカメラ

ロバート・フックとヤン・ヴァン・ルーウェンホークは、初期の顕微鏡で微生物の最初の研究を行って以来、光学イメージングは生命と有機材料の知識を進める最前線にありました。ライフサイエンス内の重要な課題は、光退位を簡単に経験できる光感受性サンプルを画像化することです。ここでは、過剰露出のために信号の強度が暗く、サンプル自体が害を受ける写真の損傷です。これらの効果は蛍光顕微鏡で一般的であり、通常、高強度レーザー源を使用して照明のために十分な信号を得ます。 感光性サンプルへの有害な影響を最小限に抑えるために、ライフ科学者はそれらを低レベルの光学力で照らします。しかし、これは非常にかすかな蛍光シグナルにつながります。これは、カメラの固有のノイズに圧倒されることなく検出するのが非常に困難であり、ショットノイズなどの古典的なイメージングの境界によって制限されます。 これは、光子カウントカメラが入ってくる場所です。アレイの個々のピクセルに単一光子イベントを登録できるように、十分に低いノイズを提供します。 「光子予算」が厳しい薄暗いサンプルのイメージングに最適です。 新しいカメラテクノロジーとライフサイエンスへのアプリケーションの間のギャップを埋めることは、必ずしも簡単ではありません。利用可能なカメラアーキテクチャは異なります。 Light for Life（オーストラリア、アデレードに本拠を置く）は、専門知識と敏感な生物学的サンプルと光微小顕微鏡などの非常に「穏やかな」低写真顕微鏡技術を組み合わせることにより、最先端のカメラ技術の分析を実施するのに適しています。この研究の結果は、Kishan DholakiaとKylie Dunningのグループ間で実施され、チュートリアルとして公開されました APLフォトニクス.1 光子カウントカメラ デジタル写真は、1970年代に発明され、電荷結合デバイス（CCD）アレイの発明とともに発生しました。相補的な金属酸化物半導体（CMOS）アレイの開発などの進歩により、写真をスナップする能力がすべてのスマートフォンで利用可能になるような改良が生じました。科学者はこの技術の進歩の恩恵を受けており、これらのセンサーは単一光子レベルでイベントを検出して登録することができます。 最新のカメラの電子ノイズが非常に低いため、単一光子の検出は可能です。量子理論は統計的予測のみを提供するため、光子と少しノイズを区別することは非常に困難であるため、最小限に抑える必要があります。 電子ノイズとの闘いは、本質的に熱的であるため、水の凍結点の下をはるかに下回るカメラセンサーを冷却する必要があります。さらに、電子総能力CCD（EMCCD）などの機器は、乗算プロセスから「過剰なノイズ」を導入する費用で、電子ノイズをさらに減らすために、内部光運動剤であるものを使用します。 過去数年以内に、CMOSカメラアーキテクチャは科学的使用に値するようになりました。科学的CMO（SCMO）カメラは人気と洗練が着実に成長しており、最近リリースされたデジタルカメラの「定量的CMO」（QCMOS）アーキテクチャは、過剰な騒音の負担なしにEMCCDカメラに同様の光子検出機能を提供すると主張しています。 CCDとSCMOSのアーキテクチャを比較すると、検出効率、ピクセルサイズ、フレームキャプチャレート、独自のノイズ源に関する多数のマイナーなトレードオフがあります。これの多くは、天文学の場合には、楽器奏者によく理解され、馴染みがありますが、これはライフサイエンスには当てはまりません。これは、さまざまな課題を抱えています（特に賢明な暴露時間の範囲に関して）。これらの最先端のテクノロジーを最大限に活用するには、緊密な分析が必要です。 #ライフサイエンス向けの光子カウントカメラ