Skip to main content
Log in

Linear and nonlinear Raman microspectroscopy: History, instrumentation, and applications

  • Invited Review Paper
  • Published:
Optical Review Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Through carrying out Raman spectroscopy under a microscope, we can observe the molecular distribution and dynamics of living cells in situ without staining or labeling. In general, Raman microscopy/microspectroscopy is classified into spontaneous Raman microscopy/microspectroscopy and nonlinear Raman microscopy/microspectroscopy. This review will first summarize the historical development of Raman microscopes, and will discuss in detail their instrumentation and applications.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Similar content being viewed by others

References

  1. M. Delhaye and P. Dhamelincourt: J. Raman Spectrosc. 3 (1975) 33.

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. G. J. Rosasco, E. S. Etz, and W. A. Cassatt: Appl. Spectrosc. 29 (1975) 396.

    Article  ADS  Google Scholar 

  3. G. J. Puppels, F. F. de Mul, C. Otto, J. Greve, M. Robert-Nicoud, D. J. Arndt-Jovin, and T. M. Jovin: Nature 347 (1990) 301.

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. Y.-K. Min, T. Yamamoto, E. Kohda, T. Ito, and H. Hamaguchi: J. Raman Spectrosc. 36 (2005) 73.

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. M. D. Duncan, J. Reintjes, and T. J. Manuccia: Opt. Lett. 7 (1982) 350.

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie: Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 4142.

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. M. Hashimoto, T. Araki, and S. Kawata: Opt. Lett. 25 (2000) 1768.

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. J. X. Cheng, Y. K. Jia, G. F. Zheng, and X. S. Xie: Biophys. J. 83 (2002) 502.

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. G. W. H. Wurpel, J. M. Schins, and M. Muller: Opt. Lett. 27 (2002) 1093.

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. C. L. Evans, E. O. Potma, M. Puoris’haag, D. Cote, C. P. Lin, and X. S. Xie: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 (2005) 16807.

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. F. Ganikhanov, S. Carrasco, X. S. Xie, M. Katz, W. Seitz, and D. Kopf: Opt. Lett. 31 (2006) 1292.

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. Coherent Raman Scattering Microscopy, ed. J.-X. Cheng and S. X. Xie (CRC Press, Boca Raton, FL, 2012).

    Google Scholar 

  13. N. Dudovich, D. Oron, and Y. Silberberg: Nature 418 (2002) 512.

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. T. Ichimura, N. Hayazawa, M. Hashimoto, Y. Inouye, and S. Kawata: Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 220801.

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. R. D. Schaller, J. Ziegelbauer, L. F. Lee, L. H. Haber, and R. J. Saykally: J. Phys. Chem. B 106 (2002) 8489.

    Article  Google Scholar 

  16. M. Cui, B. R. Bachler, and J. P. Ogilvie: Opt. Lett. 34 (2009) 773.

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. C. W. Freudiger, M. B. J. Roeffaers, X. Zhang, B. G. Saar, W. Min, and X. S. Xie: J. Phys. Chem. B 115 (2011) 5574.

    Article  Google Scholar 

  18. B. R. Bachler, M. E. Fermann, and J. P. Ogilvie: Opt. Express 20 (2012) 835.

    Article  ADS  Google Scholar 

  19. E. O. Potma, W. P. de Boeij, P. J. M. van Haastert, and D. A. Wiersma: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98 (2001) 1577.

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. E. Ploetz, S. Laimgruber, S. Berner, W. Zinth, and P. Gilch: Appl. Phys. B 87 (2007) 389.

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. C. W. Freudiger, W. Min, B. G. Saar, S. Lu, G. R. Holtom, C. W. He, J. C. Tsai, J. X. Kang, and X. S. Xie: Science 322 (2008) 1857.

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. B. G. Saar, C. W. Freudiger, J. Reichman, C. M. Stanley, G. R. Holtom, and X. S. Xie: Science 330 (2010) 1368.

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. Y. Ozeki, F. Dake, S. i. Kajiyama, K. Fukui, and K. Itoh: Opt. Express 17 (2009) 3651.

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. F. Ganikhanov, C. L. Evans, B. G. Saar, and X. S. Xie: Opt. Lett. 31 (2006) 1872.

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. D. L. Zhang, M. N. Slipchenko, D. E. Leaird, A. M. Weiner, and J. X. Cheng: Opt. Express 21 (2013) 13864.

    Article  Google Scholar 

  26. J. P. Pezacki, J. A. Blake, D. C. Danielson, D. C. Kennedy, R. K. Lyn, and R. Singaravelu: Nat. Chem. Biol. 7 (2011) 137.

    Article  Google Scholar 

  27. J. X. Cheng, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie: J. Phys. Chem. B 106 (2002) 8493.

    Article  Google Scholar 

  28. M. Müller and J. M. Schins: J. Phys. Chem. B 106 (2002) 3715.

    Article  Google Scholar 

  29. T. W. Kee and M. T. Cicerone: Opt. Lett. 29 (2004) 2701.

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. H. Kano and H. Hamaguchi: Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 121113.

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. G. I. Petrov and V. V. Yakovlev: Opt. Express 13 (2005) 1299.

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. Y. Ozeki, W. Umemura, K. Sumimura, N. Nishizawa, K. Fukui, and K. Itoh: Opt. Lett. 37 (2012) 431.

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. D. Fu, F. K. Lu, X. Zhang, C. Freudiger, D. R. Pernik, G. Holtom, and X. S. Xie: J. Am. Chem. Soc. 134 (2012) 3623.

    Article  Google Scholar 

  34. L. Opilik, T. Schmid, and R. Zenobi: Annu. Rev. Anal. Chem. 6 (2013) 379.

    Article  Google Scholar 

  35. M. Okuno and H. Hamaguchi: Opt. Lett. 35 (2010) 4096.

    Article  Google Scholar 

  36. N. J. Everall: Appl. Spectrosc. 63 (2009) 245A.

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. E. O. Potma, C. L. Evans, and X. S. Xie: Opt. Lett. 31 (2006) 241.

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. E. T. Garbacik, J. P. Korterik, C. Otto, S. Mukamel, J. L. Herek, and H. L. Offerhaus: Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 253902.

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. S. Brustlein, P. Ferrand, N. Walther, S. Brasselet, C. Billaudeau, D. Marguet, and H. Rigneault: J. Biomed. Opt. 16 (2011) 021106.

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. J. L. Suhalim, J. C. Boik, B. J. Tromberg, and E. O. Potma: J. Biophotonics 5 (2012) 387.

    Article  Google Scholar 

  41. T. Minamikawa, M. Hashimoto, K. Fujita, S. Kawata, and T. Araki: Opt. Express 17 (2009) 9526.

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. B. von Vacano, T. Buckup, and M. Motzkus: Opt. Lett. 31 (2006) 2495.

    Article  ADS  Google Scholar 

  43. K. Isobe, A. Suda, M. Tanaka, H. Hashimoto, F. Kannari, H. Kawano, H. Mizuno, A. Miyawaki, and K. Midorikawa: Opt. Express 17 (2009) 11259.

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. I. Pope, W. Langbein, P. Watson, and P. Borri: Opt. Express 21 (2013) 7096.

    Article  ADS  Google Scholar 

  45. J. X. Cheng, A. Volkmer, and X. S. Xie: J. Opt. Soc. Am. B 19 (2002) 1363.

    Article  ADS  Google Scholar 

  46. W. Min, C. W. Freudiger, S. J. Lu, and X. S. Xie: Annu. Rev. Phys. Chem. 62 (2011) 507.

    Article  ADS  Google Scholar 

  47. J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz: Opt. Lett. 25 (2000) 25.

    Article  ADS  Google Scholar 

  48. M. Balu, G. J. Liu, Z. P. Chen, B. J. Tromberg, and E. O. Potma: Opt. Express 18 (2010) 2380.

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. S. Murugkar, B. Smith, P. Srivastava, A. Moica, M. Naji, C. Brideau, P. K. Stys, and H. Anis: Opt. Express 18 (2010) 23796.

    Article  ADS  Google Scholar 

  50. B. Smith, M. Naji, S. Murugkar, E. Alarcon, C. Brideau, P. Stys, and H. Anis: Opt. Express 21 (2013) 17161.

    Article  ADS  Google Scholar 

  51. F. Légaré, C. L. Evans, F. Ganikhanov, and X. S. Xie: Opt. Express 14 (2006) 4427.

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. B. G. Saar, R. S. Johnston, C. W. Freudiger, X. S. Xie, and E. J. Seibel: Opt. Lett. 36 (2011) 2396.

    Article  Google Scholar 

  53. R. Shimada, H. Kano, and H.-o. Hamaguchi: Opt. Lett. 31 (2006) 320.

    Article  ADS  Google Scholar 

  54. Y. S. Huang, T. Karashima, M. Yamamoto, and H. Hamaguchi: Biochemistry 44 (2005) 10009.

    Article  Google Scholar 

  55. Y. Naito, A. Toh-e, and H. O. Hamaguchi: J. Raman Spectrosc. 36 (2005) 837.

    Article  ADS  Google Scholar 

  56. K. Hamada, K. Fujita, N. I. Smith, M. Kobayashi, Y. Inouye, and S. Kawata: J. Biomed. Opt. 13 (2008) 044027.

    Article  ADS  Google Scholar 

  57. H. Kataura, A. Kimura, Y. Ohtsuka, S. Suzuki, Y. Maniwa, T. Hanyu, and Y. Achiba: Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) L616.

    Article  ADS  Google Scholar 

  58. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, R. Saito, and A. Jorio: Phys. Rep. 409 (2005) 47.

    Article  ADS  Google Scholar 

  59. D. Graf, F. Molitor, K. Ensslin, C. Stampfer, A. Jungen, C. Hierold, and L. Wirtz: Nano Lett. 7 (2007) 238.

    Article  ADS  Google Scholar 

  60. R. Zhang, Y. Zhang, Z. C. Dong, S. Jiang, C. Zhang, L. G. Chen, L. Zhang, Y. Liao, J. Aizpurua, Y. Luo, J. L. Yang, and J. G. Hou: Nature 498 (2013) 82.

    Article  ADS  Google Scholar 

  61. M. Kakita, M. Okuno, and H. Hamaguchi: J. Biophotonics 6 (2013) 256.

    Article  Google Scholar 

  62. I. Notingher, I. Bisson, A. E. Bishop, W. L. Randle, J. M. P. Polak, and L. L. Hench: Anal. Chem. 76 (2004) 3185.

    Article  Google Scholar 

  63. J. W. Chan, D. K. Lieu, T. Huser, and R. A. Li: Anal. Chem. 81 (2009) 1324.

    Article  Google Scholar 

  64. S. Kaminaka, H. Yamazaki, T. Ito, E. Kohda, and H. Hamaguchi: J. Raman Spectrosc. 32 (2001) 139.

    Article  ADS  Google Scholar 

  65. A. Nijssen, T. C. B. Schut, F. Heule, P. J. Caspers, D. P. Hayes, M. H. A. Neumann, and G. J. Puppels: J. Invest. Dermatol. 119 (2002) 64.

    Article  Google Scholar 

  66. M. Gniadecka, P. A. Philipsen, S. Sigurdsson, S. Wessel, O. F. Nielsen, D. H. Christensen, J. Hercogova, K. Rossen, H. K. Thomsen, R. Gniadecki, L. K. Hansen, and H. C. Wulf: J. Invest. Dermatol. 122 (2004) 443.

    Article  Google Scholar 

  67. A. S. Haka, K. E. Shafer-Peltier, M. Fitzmaurice, J. Crowe, R. R. Dasari, and M. S. Feld: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 (2005) 12371.

    Article  ADS  Google Scholar 

  68. K. E. Shafer-Peltier, A. S. Haka, M. Fitzmaurice, J. Crowe, J. Myles, R. R. Dasari, and M. S. Feld: J. Raman Spectrosc. 33 (2002) 552.

    Article  ADS  Google Scholar 

  69. M. Kazanci, H. D. Wagner, N. I. Manjubala, H. S. Gupta, E. Paschalis, P. Roschger, and P. Fratzl: Bone 41 (2007) 456.

    Article  Google Scholar 

  70. E. Wentrup-Byrne, C. A. Armstrong, R. S. Armstrong, and B. M. Collins: J. Raman Spectrosc. 28 (1997) 151.

    Article  ADS  Google Scholar 

  71. P. Fattibene, A. Carosi, V. De Coste, A. Sacchetti, A. Nucara, P. Postorino, and P. Dore: Phys. Med. Biol. 50 (2005) 1095.

    Article  Google Scholar 

  72. P. J. Caspers, G. W. Lucassen, E. A. Carter, H. A. Bruining, and G. J. Puppels: J. Invest. Dermatol. 116 (2001) 434.

    Article  Google Scholar 

  73. C. L. Zavaleta, B. R. Smith, I. Walton, W. Doering, G. Davis, B. Shojaei, M. J. Natan, and S. S. Gambhir: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106 (2009) 13511.

    Article  ADS  Google Scholar 

  74. E. E. Hoover and J. A. Squier: Nat. Photonics 7 (2013) 93.

    Article  ADS  Google Scholar 

  75. H. T. Chen, H. F. Wang, M. N. Slipchenko, Y. K. Jung, Y. Z. Shi, J. B. Zhu, K. K. Buhman, and J. X. Cheng: Opt. Express 17 (2009) 1282.

    Article  ADS  Google Scholar 

  76. H. Segawa, M. Okuno, H. Kano, P. Leproux, V. Couderc, and H. Hamaguchi: Opt. Express 20 (2012) 9551.

    Article  ADS  Google Scholar 

  77. T. Meyer, M. Chemnitz, M. Baumgartl, T. Gottschall, T. Pascher, C. Matthaus, B. F. M. Romeike, B. R. Brehm, J. Limpert, A. Tunnermann, M. Schmitt, B. Dietzek, and J. Popp: Anal. Chem. 85 (2013) 6703.

    Article  Google Scholar 

  78. X. Nan, J.-X. Cheng, and X. S. Xie: J. Lipid Res. 44 (2003) 2202.

    Article  Google Scholar 

  79. T. Hellerer, C. Axäng, C. Brackmann, P. Hillertz, M. Pilon, and A. Enejder: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104 (2007) 14658.

    Article  ADS  Google Scholar 

  80. G. I. Petrov, R. Arora, V. V. Yakovlev, X. Wang, A. V. Sokolov, and M. O. Scully: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104 (2007) 7776.

    Article  ADS  Google Scholar 

  81. M. Okuno, H. Kano, K. Fujii, K. Bito, S. Naito, P. Leproux, V. Couderc, and H. Hamaguchi: PLoS ONE 9 (2014) e93401.

    Article  ADS  Google Scholar 

  82. Y.-M. Wu, H.-C. Chen, W.-T. Chang, J.-W. Jhan, H.-L. Lin, and I. Liau: Anal. Chem. 81 (2009) 1496.

    Article  Google Scholar 

  83. T. T. Le, T. B. Huff, and J.-X. Cheng: BMC Cancer 9 (2009) 42.

    Article  Google Scholar 

  84. S.-H. Kim, E.-S. Lee, J. Y. Lee, E. S. Lee, B.-S. Lee, J. E. Park, and D. W. Moon: Circ. Res. 106 (2010) 1332.

    Article  Google Scholar 

  85. H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J.-X. Cheng: Biophys. J. 89 (2005) 581.

    Article  Google Scholar 

  86. C. L. Evans, X. Xu, S. Kesari, X. S. Xie, S. T. C. Wong, and G. S. Young: Opt. Express 15 (2007) 12076.

    Article  ADS  Google Scholar 

  87. C. L. Evans and X. S. Xie: Annu. Rev. Anal. Chem. 1 (2008) 883.

    Article  Google Scholar 

  88. Y. Ozeki, W. Umemura, Y. Otsuka, S. Satoh, H. Hashimoto, K. Sumimura, N. Nishizawa, K. Fukui, and K. Itoh: Nat. Photonics 6 (2012) 845.

    Article  ADS  Google Scholar 

  89. E. S. Lamb, S. Lefrancois, M. B. Ji, W. J. Wadsworth, X. S. Xie, and F. W. Wise: Opt. Lett. 38 (2013) 4154.

    Article  ADS  Google Scholar 

  90. C. W. Freudiger, W. Yang, G. R. Holtom, N. Peyghambarian, X. S. Xie, and K. Q. Kieu: Nat. Photonics 8 (2014) 153.

    Article  ADS  Google Scholar 

  91. T. Ideguchi, S. Holzner, B. Bernhardt, G. Guelachvili, N. Picque, and T. W. Hansch: Nature 502 (2013) 355.

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Hideaki Kano.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Kano, H., Segawa, H., Leproux, P. et al. Linear and nonlinear Raman microspectroscopy: History, instrumentation, and applications. OPT REV 21, 752–761 (2014). https://doi.org/10.1007/s10043-014-0123-9

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s10043-014-0123-9

Keywords

Navigation