Chociaż drobnoustroje lub komórki zwierzęce mogą być widoczne pod mikroskopem, poszczególne części maleńkiej komórki mogą być trudne do odróżnienia, ponieważ kolory pod mikroskopem mogą wyglądać podobnie lub komórka wydaje się być przezroczysta. Analitycy laboratoryjni, którzy specjalizują się w mikroskopowej analizie komórek, stosują metody barwienia, aby nadać komórce kolory, dzięki czemu mogą wyraźnie widzieć części. Barwienie różnicowe odnosi się do rodzaju barwienia, które pozwala analitykowi odróżnić różne typy komórek; jest to termin ogólny, który obejmuje różne procedury barwienia.
Kiedy zwierzę zostaje rozbite na komórki, komórki mogą różnić się wyglądem i funkcją. Zwykle różne gatunki mają zestawy komórek, które pod mikroskopem wyglądają indywidualnie. Typowym przykładem różnic między gatunkami i grupami jest sposób, w jaki większość bakterii można podzielić na dwie grupy w oparciu o ich reakcję na konkretny rodzaj barwnika zwany barwieniem Grama. Hans Christian Gram był duńskim mikrobiologiem, który jako pierwszy wynalazł barwnik w 1844 roku, który nadal jest powszechnie używany jako użyteczny pierwszy etap identyfikacji bakterii w warunkach laboratoryjnych.
W barwieniu różnicowym próbkę populacji bakterii traktuje się zestawami barwników w procesie obejmującym etapy, takie jak ogrzewanie i płukanie próbek, tak aby barwnik dostał się do wszystkich komórek. W różnych etapach używa się barwników, takich jak fiolet krystaliczny i fuksyna, a także innych substancji, takich jak alkohol i jod, aby pomóc utrwalić kolor. Komórki, które wydają się różowe, są identyfikowane jako Gram-ujemne, podczas gdy komórki zabarwione na niebiesko pod koniec procesu są Gram-dodatnie. Ta różnica koloru pomaga mikrobiologowi określić rodzaj ściany komórkowej gatunku, co pomaga zawęzić możliwą listę gatunków, do których należy nieznana próbka. Oprócz wskazania typu Grama, proces barwienia różnicowego uwidacznia kształty i układy komórek, co również pomaga w identyfikacji.
Komórki zwierzęce można również sortować pod mikroskopem z barwieniem różnicowym. Na przykład komórki krążące we krwi reagują inaczej na niektóre plamy. Przykładem jest barwnik Wrighta, który zawiera barwniki, takie jak eozyna i błękit metylenowy, i który może powiedzieć analitykowi laboratoryjnemu, jakie rodzaje komórek krwi są obecne w próbce iw jakim stężeniu. Na przykład komórka eozynofila ma tendencję do przyjmowania dużej ilości zabarwienia eozyny w porównaniu z innymi komórkami krwi. Aby określić, które komórki znajdują się w próbce, analitycy zazwyczaj wykorzystują zabarwienie barwnika zidentyfikowane poprzez barwienie różnicowe wraz z innymi cechami komórek, takimi jak rozmiar, kształt i struktury wewnętrzne.