24/05/22Los sensores EMCCD fueron una revelación: aumentar la sensibilidad reduciendo el ruido de lectura. Bueno, casi, de forma más realista, aumentamos la señal para que el ruido de lectura pareciera menor.
Y los amábamos, encontraron un lugar inmediato en trabajos de baja señal, como moléculas individuales y espectroscopia, y luego se difundieron entre proveedores de sistemas de microscopios para aplicaciones como disco giratorio, superresolución y más. Y luego los eliminamos. ¿O no?
La tecnología EMCCD tiene su historia con dos proveedores clave: e2V y Texas Instruments. E2V, ahora Teledyne e2V, inició esta tecnología con sensores tempranos a finales de la década de 1990, pero logró avances significativos con la variante más aceptada, con una matriz de 512 x 512 píxeles de 16 micras.
Este sensor EMCCD inicial, y probablemente el más dominante, tuvo un gran impacto, y la mitad de este se debió al tamaño del píxel. Los píxeles de 16 micras en un microscopio captaban seis veces más luz que el CCD más popular de la época, el ICX285, incluido en las populares series CoolSnap y Orca. Además del tamaño del píxel, estos dispositivos contaban con retroiluminación, convirtiendo un 30 % más de fotones, lo que elevaba esa sensibilidad seis veces mayor a siete.
Así que, efectivamente, el EMCCD era siete veces más sensible incluso antes de activarlo y percibir el impacto de la ganancia del EMCCD. Claro que se podría argumentar que se podría descartar el CCD o usar óptica para crear píxeles más grandes, ¡pero la mayoría no lo hacía!
Además de esto, reducir el ruido de lectura por debajo de 1 electrón fue clave. Fue clave, pero no fue gratis. El proceso de multiplicación aumentó la incertidumbre de la medición de la señal, lo que significa que el ruido de disparo, la corriente oscura y cualquier otro factor anterior a la multiplicación se incrementó en un factor de 1,4. ¿Qué significaba eso? Bueno, que el EMCCD era más sensible, pero solo con poca luz; bueno, ahí es cuando se necesita, ¿no?
Contra un CCD clásico, no había competencia. Píxeles grandes, más QE, ganancia EM. Y todos estábamos contentos, sobre todo los que nos dedicamos a la venta de cámaras: 40.000 dólares, por favor...
Lo único que podríamos haber hecho más era la velocidad, el área del sensor y (no es que supiéramos que era posible) un tamaño de píxel más pequeño.
Luego llegaron los controles de exportación y el cumplimiento normativo, y eso no fue nada agradable. Resulta que rastrear moléculas individuales y rastrear cohetes son similares, y las empresas de cámaras y sus clientes tuvieron que controlar las ventas y exportaciones de cámaras.
Luego llegó el sCMOS, que empezó prometiendo el mundo y, durante los siguientes 10 años, estuvo a punto de cumplirlo. Píxeles más pequeños permitían obtener las 6,5 micras que tanto deseaban los objetivos de 60x, todo con un ruido de lectura inferior, de unos 1,5 electrones. Si bien esto no era exactamente EMCCD, era asombroso comparado con los 6 electrones de la tecnología CCD de la época.
Los primeros sCMOS aún contaban con iluminación frontal. Pero en 2016 llegó el sCMOS retroiluminado, y para que pareciera aún más sensible que las versiones originales con iluminación frontal, contaba con píxeles de 11 micras. Con el aumento de QE y el tamaño de píxel, los clientes sintieron una ventaja de 3,5 veces.
Finalmente, en 2021 se rompió el ruido de lectura de subelectrones y algunas cámaras llegaron a alcanzar los 0,25 electrones: se acabó para EMCCD.
¿O fue ...?
Bueno, parte del problema sigue siendo el tamaño del píxel. Puedes hacer lo que quieras ópticamente, pero en el mismo sistema, un píxel de 4,6 micras capta 12 veces menos luz que uno de 16 micras.
Ahora se podría binning, pero recuerda que el binning con CMOS normal aumenta el ruido en función del factor de binning. Por lo tanto, la mayoría de la gente se conforma con sus píxeles de 6,5 micras, pensando que pueden binning para mejorar la sensibilidad, pero duplican su ruido de lectura a 3 electrones.
Incluso si se puede reducir el ruido, el tamaño del píxel, y el pozo completo en realidad, siguen siendo un compromiso para la recolección de señales reales.
El otro factor es la ganancia y el contraste: tener más grises y reducir la señal proporciona un mejor contraste. Puedes tener el mismo ruido, pero al mostrar solo 2 grises por electrón con un CMOS, no hay mucho que explorar cuando solo tienes 5 electrones de señal.
Finalmente, ¿qué hay del encofrado? A veces creo que olvidamos lo poderosa que fue esta herramienta en EMCCD: los encofrados globales son realmente útiles y son muy ligeros y eficientes en velocidad, especialmente en sistemas complejos de múltiples componentes.
La única cámara sCMOS que he visto que se acerca al sensor EMCCD de 512 x 512 es la Aries 16. Esta parte de píxeles de 16 micras y proporciona 0,8 electrones de ruido de lectura sin necesidad de bin. Para señales de más de 5 fotones (por píxel de 16 micras), creo que es la mejor que he visto y cuesta aproximadamente la mitad.
¿Está muerto el EMCCD? No, y no morirá realmente hasta que tengamos algo tan bueno. El problema es, bueno, todos los problemas: exceso de ruido, envejecimiento de la ganancia, controles de exportación...
Si la tecnología EMCCD fuera un avión, sería un Concord. A todos los que lo volaron les encantó, pero probablemente no lo necesitaron, y ahora, con asientos más grandes y camas planas, simplemente duermen esas 3 horas extra al otro lado del Atlántico.
El EMCCD, a diferencia de Concord, sigue vigente porque algunas personas —un número pequeño y cada vez menor— aún lo necesitan. ¿O quizás solo creen que sí?
Usar un EMCCD, la tecnología de imagenología más cara, compleja y ampliamente utilizada, no te hace especial ni un experto en imagenología; simplemente estás haciendo algo diferente. Y si no has intentado cambiar, probablemente deberías hacerlo.
