We present a beam-scanning multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microspectroscopy system using parallel excitation and parallel detection schemes based on an elliptical focal spot, which enables highly efficient signal acquisition even for short exposures. The elliptical focal spot was used to simultaneously observe the CARS signals of an enlarged region and reduce the peak irradiance. The developed system realized an acquisition rate of 34 139 spectra/s and enabled ultrahigh-speed acquisition of a vibrational spectroscopic image, covering the fingerprint region of 930–1 830 cm−1 with 256(x) × 256(y) × 512(spectrum) pixels in 1.92 s or with 128(x) × 128(y) × 256(spectrum) pixels in 0.54 s. We demonstrated ultrahigh-speed hyperspectral imaging of a mixture of polymer beads in liquid linoleic acid and living adipocytes using the developed system. All of the present demonstrations were performed with a low-peak irradiance excitation of ∼19 GW/cm2, which has been reported in previous studies to cause less photodamage to living cells. The label-free and ultrahigh-speed identification and visualization of various molecules made possible by the present system will accelerate the development of practical live-cell investigation.

1.
J.-X.
Cheng
and
X. S.
Xie
,
Science
350
,
aaa8870
(
2015
).
2.
B.
Kann
,
H. L.
Offerhaus
,
M.
Windbergs
, and
C.
Otto
,
Adv. Drug Delivery Rev.
89
,
71
(
2015
).
3.
K.
König
,
H.
Liang
,
M. W.
Berns
, and
B. J.
Tromberg
,
Nature
377
,
20
(
1995
).
4.
K.
König
,
H.
Liang
,
M. W.
Berns
, and
B. J.
Tromberg
,
Opt. Lett.
21
,
1090
(
1996
).
5.
K.
König
,
P. T. C.
So
,
W. W.
Mantulin
, and
E.
Gratton
,
Opt. Lett.
22
,
135
(
1997
).
6.
K.
König
,
T. W.
Becker
,
P.
Fischer
,
I.
Riemann
, and
K.-J.
Halbhuber
,
Opt. Lett.
24
,
113
(
1999
).
7.
A.
Hopt
and
E.
Neher
,
Biophys. J.
80
,
2029
(
2001
).
8.
Y.
Fu
,
H.
Wang
,
R.
Shi
, and
J.-X.
Cheng
,
Opt. Express
14
,
3942
(
2006
).
9.
R.
Galli
,
O.
Uckermann
,
E. F.
Andresen
,
K. D.
Geiger
,
E.
Koch
,
G.
Schackert
,
G.
Steiner
, and
M.
Kirsch
,
PLoS One
9
,
e110295
(
2014
).
10.
T.
Minamikawa
,
Y.
Murakami
,
N.
Matsumura
,
H.
Niioka
,
S.
Fukushima
,
T.
Araki
, and
M.
Hashimoto
,
J. Spectrosc.
2017
,
5725340
.
11.
A.
Vogel
,
J.
Noack
,
G.
Hüttman
, and
G.
Paltauf
,
Appl. Phys. B
81
,
1015
(
2005
).
12.
M.
Okuno
and
H.
Hamaguchi
,
Opt. Lett.
35
,
4096
(
2010
).
13.
K. A.
Christensen
and
M. D.
Morris
,
Appl. Spectrosc.
52
,
1145
(
1998
).
14.
J.
Qi
and
W.-C.
Shih
,
Appl. Opt.
53
,
2881
(
2014
).
15.
A.
Zumbusch
,
G. R.
Holtom
, and
X. S.
Xie
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
4142
(
1999
).
16.
M.
Hashimoto
,
T.
Araki
, and
S.
Kawata
,
Opt. Lett.
25
,
1768
(
2000
).
17.
H.
Rigneault
and
P.
Berto
,
APL Photonics
3
,
091101
(
2018
).
18.
B. G.
Saar
,
C. W.
Freudiger
,
J.
Reichman
,
C. M.
Stanley
,
G. R.
Holtom
, and
X. S.
Xie
,
Science
330
,
1368
(
2010
).
19.
H.
Cahyadi
,
J.
Iwatsuka
,
T.
Minamikawa
,
H.
Niioka
,
T.
Araki
, and
M.
Hashimoto
,
J. Biomed. Opt.
18
,
096009
(
2013
).
20.
Y.
Wakisaka
,
Y.
Suzuki
,
O.
Iwata
,
A.
Nakashima
,
T.
Ito
,
M.
Hirose
,
R.
Domon
,
M.
Sugawara
,
N.
Tsumura
,
H.
Watarai
 et al,
Nat. Microbiol.
1
,
16124
(
2016
).
21.
T.
Minamikawa
,
M.
Hashimoto
,
K.
Fujita
,
S.
Kawata
, and
T.
Araki
,
Opt. Express
17
,
9526
(
2009
).
22.
D.
Polli
,
V.
Kumar
,
C. M.
Valensise
,
M.
Marangoni
, and
G.
Cerullo
,
Laser Photonics Rev.
12
,
1800020
(
2018
).
23.
H.
Kano
,
T.
Maruyama
,
J.
Kano
,
Y.
Oka
,
D.
Kaneta
,
T.
Guerenne
,
P.
Leproux
,
V.
Couderc
, and
M.
Noguchi
,
OSA Continuum
2
,
1693
(
2019
).
24.
C. H.
Camp
, Jr.
,
Y. J.
Lee
,
J. M.
Heddleston
,
C. M.
Hartshorn
,
A. R. H.
Walker
,
J. N.
Rich
,
J. D.
Lathia
, and
M. T.
Cicerone
,
Nat. Photonics
8
,
627
(
2014
).
25.
L.
Czerwinski
,
J.
Nixdorf
,
G.
Di Florio
, and
P.
Gilch
,
Opt. Lett.
41
,
3021
(
2016
).
26.
A. S.
Duarte
,
C.
Schnedermann
, and
P.
Kukura
,
Sci. Rep.
6
,
37516
(
2016
).
27.
R.
Kinegawa
,
K.
Hiramatsu
,
K.
Hashimoto
,
V. R.
Badarla
,
T.
Ideguchi
, and
K.
Goda
,
J. Raman Spectrosc.
50
,
1141
(
2019
).
28.
I. S.
Ryu
,
C. H.
Camp
,
Y.
Jin
,
M. T.
Cicerone
, and
Y. J.
Lee
,
Opt. Lett.
40
,
5826
(
2015
).
29.
T.
Minamikawa
,
N.
Tanimoto
,
M.
Hashimoto
,
T.
Araki
,
M.
Kobayashi
,
K.
Fujita
, and
S.
Kawata
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
191101
(
2006
).
30.
S.
Kröll
,
M.
Aldén
,
T.
Berglind
, and
R. J.
Hall
,
Appl. Opt.
26
,
1068
(
1987
).
31.
M.
Müller
and
J. M.
Schins
,
J. Phys. Chem. B
106
,
3715
(
2002
).
32.
J.-x.
Cheng
,
A.
Volkmer
,
L. D.
Book
, and
X. S.
Xie
,
J. Phys. Chem. B
106
,
8493
(
2002
).
33.
R.
Selm
,
M.
Winterhalder
,
A.
Zumbusch
,
G.
Krauss
,
T.
Hanke
,
A.
Sell
, and
A.
Leitenstorfer
,
Opt. Lett.
35
,
3282
(
2010
).
34.
E. M.
Vartiainen
,
J. Opt. Soc. Am. B
9
,
1209
(
1992
).
35.
E. M.
Vartiainen
,
H. A.
Rinia
,
M.
Müller
, and
M.
Bonn
,
Opt. Express
14
,
3622
(
2006
).
36.
H. A.
Rinia
,
M.
Bonn
,
M.
Müller
, and
E. M.
Vartiainen
,
ChemPhysChem
8
,
279
(
2007
).
37.
L.
Zhang
,
M. J.
Henson
, and
S. S.
Sekulic
,
Anal. Chim. Acta
545
,
262
(
2005
).
38.
M.
Ando
and
H.
Hamaguchi
,
J. Biomed. Opt.
19
,
011016
(
2013
).
39.
D.
Zhang
,
P.
Wang
,
M. N.
Slipchenko
,
D.
Ben-Amotz
,
A. M.
Weiner
, and
J.-X.
Cheng
,
Anal. Chem.
85
,
98
(
2013
).
40.
C. M.
Hansen
,
Hansen Solubility Parameters: A User’s Handbook
(
CRC Press
,
2007
).
41.
A.
De La Peña-Gil
,
J. F.
Toro-Vazquez
, and
M. A.
Rogers
,
Food Biophys.
11
,
283
(
2016
).
42.
H. A.
Rinia
,
K. N. J.
Burger
,
M.
Bonn
, and
M.
Müller
,
Biophys. J.
95
,
4908
(
2008
).
43.
I. W.
Schie
,
L.
Nolte
,
T. L.
Pedersen
,
Z.
Smith
,
J.
Wu
,
I.
Yahiatène
,
J. W.
Newman
, and
T.
Huser
,
Analyst
138
,
6662
(
2013
).
44.
A.
Ghita
,
F. C.
Pascut
,
V.
Sottile
,
C.
Denning
, and
I.
Notingher
,
EPJ Tech. Instrum.
2
,
6
(
2015
).
45.
T. C.
Hollon
,
S.
Lewis
,
B.
Pandian
,
Y. S.
Niknafs
,
M. R.
Garrard
,
H.
Garton
,
C. O.
Maher
,
K.
McFadden
,
M.
Snuderl
,
A. P.
Lieberman
 et al,
Cancer Res.
78
,
278
(
2018
).
46.
K. S.
Shin
,
A. T.
Francis
,
A. H.
Hill
,
M.
Laohajaratsang
,
P. J.
Cimino
,
C. S.
Latimer
,
L. F.
Gonzalez-Cuyar
,
L. N.
Sekhar
,
G.
Juric-Sekhar
, and
D.
Fu
,
Sci. Rep.
9
,
20392
(
2019
).
47.
Y.
Suzuki
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Wakisaka
,
D.
Deng
,
S.
Tanaka
,
C.-J.
Huang
,
C.
Lei
,
C.-W.
Sun
,
H.
Liu
,
Y.
Fujiwaki
 et al,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
116
,
15842
(
2019
).
48.
R.
Kameyama
,
S.
Takizawa
,
K.
Hiramatsu
, and
K.
Goda
,
ACS Photonics
8
,
975
(
2020
).
49.
50.
See https://www.tokyoinst.co.jp/product_file/file/FL01_cat02_ja.pdf for First Light Imaging OCAM 2k; accessed 14 July 2021.
51.
C. M.
Valensise
,
A.
Giuseppi
,
F.
Vernuccio
,
A.
De la Cadena
,
G.
Cerullo
, and
D.
Polli
,
APL Photonics
5
,
061305
(
2020
).
52.
D.
Lioe
,
K.
Mars
,
S.
Kawahito
,
K.
Yasutomi
,
K.
Kagawa
,
T.
Yamada
, and
M.
Hashimoto
,
Sensors
16
,
532
(
2016
).
53.
K.
Mars
,
D. X.
Lioe
,
S.
Kawahito
,
K.
Yasutomi
,
K.
Kagawa
,
T.
Yamada
,
M.
Hashimoto
 et al,
Sensors
17
,
2581
(
2017
).
54.
H.
Yoneyama
,
K.
Sudo
,
P.
Leproux
,
V.
Couderc
,
A.
Inoko
, and
H.
Kano
,
APL Photonics
3
,
092408
(
2018
).
55.
J.-X.
Cheng
,
A.
Volkmer
,
L. D.
Book
, and
X. S.
Xie
,
J. Phys. Chem. B
105
,
1277
(
2001
).
56.
J.-X.
Cheng
,
L. D.
Book
, and
X. S.
Xie
,
Opt. Lett.
26
,
1341
(
2001
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.