JPH10179191A - 生細胞の検出方法 - Google Patents

生細胞の検出方法

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JPH10179191A
JPH10179191A JP34521896A JP34521896A JPH10179191A JP H10179191 A JPH10179191 A JP H10179191A JP 34521896 A JP34521896 A JP 34521896A JP 34521896 A JP34521896 A JP 34521896A JP H10179191 A JPH10179191 A JP H10179191A
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fluorescence
cells
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fluorescent
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JP34521896A
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Yukishige Kawasaki
行繁 河崎
Takashi Tsuji
堯 辻
Seiji Tanaka
省二 田中
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Mitsubishi Chemical Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出効率の優れた生細胞の検出方法の提供。 【解決手段】 生細胞内でpH依存性の蛍光性物質に変
化し得る蛍光性酵素基質、例えば5−カルボキシフルオ
レセインジアセテートアセトキシメチルエステルを媒体
に添加し、媒体中に存在する細胞内からの蛍光を測定す
る生細胞の検出方法であって、媒体のpHを6以下の酸
性に下げた状態で蛍光を測定することを特徴とする方
法。 【効果】 本発明の方法によれば、任意の媒体中におけ
る生細胞の数を、感度良く、簡便に検出することができ
る。特に、洗い操作ができないかまたは好ましくない自
然界の試料の場合に、この方法は非常に有効である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は生細胞の検出方法に
関し、更に詳しくは、特定の条件を用いることにより、
微生物の生死を効率的に検出する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】媒体中における生細胞の検出は、滅菌状
態の確認や、細胞の生存状態の異常を検出する上で重要
な技術である。例えば工業用水、飲料水、嗜好飲料、ア
ルコール飲料などに存在する生菌を検出することは、工
業製品の歩留りや飲料の安全性、衛生性、品質保証の面
で重要な業務であり、LSIを生産する電子工業におい
ては、その中間製品である半導体ウエハーの洗浄にあた
り、その歩留りを向上させるために、洗浄水の水質管理
は極めて重要な業務となっている。また、近年のバイオ
テクノロジーの急速な進展に伴い、医薬品等の有用な物
質が微生物、昆虫細胞、哺乳動物由来の細胞等の宿主細
胞を培養して生産されているが、生産性を管理する上で
これら宿主細胞の生存を確認することは必要不可欠であ
る。従来、このような生細胞を検出するための手段とし
て、生体染色といわれる方法や、フルオレセインジアセ
テート等の蛍光性酵素基質を媒体に添加し、細胞内から
の蛍光を測定することによる検出方法が知られている。
【0003】しかし、生細胞内でのみ発光すべき蛍光性
酵素基質が自然分解し、細胞外部で発光することによっ
て測定が妨害され、生細胞のみを効率的に検出すること
は困難であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、蛍光性酵素
基質を媒体に添加する方法における欠点、細胞内部と細
胞外部の蛍光強度の差(コントラスト)が弱いこと等が
解決された検出効率の優れた生細胞の検出方法を提供し
ようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者等は上記の課題
を解決するため、媒体中に存在する細胞内からの蛍光の
測定条件を種々検討した。その結果、生細胞内部は細胞
外のpHに独立してほぼpH7に保たれており、細胞内
でpH依存性の蛍光性物質を生成し得る蛍光性酵素基質
を用いて生細胞を染色し、細胞外部のpHを酸性にして
pH依存性の励起波長で励起すれば、生細胞に特異的に
強い蛍光が発することを見いだした。本発明は、上記の
知見に基づいて完成されたものである。
【0006】即ち本発明によれば、蛍光性酵素基質を媒
体に添加し、媒体中に存在する細胞内からの蛍光を測定
する生細胞の検出方法であって、媒体のpHを酸性に下
げた状態で蛍光を測定することを特徴とする方法が提供
される。
【0007】この発明の好ましい態様によれば、蛍光性
酵素基質が、生細胞内でpH依存性の蛍光性物質を生成
し得る化合物である上記方法;蛍光性酵素基質が、5−
カルボキシフルオレセインジアセテートアセトキシメチ
ルエステル、5−(6−)−カルボキシフルオレセイン
ジアセテート及び2’,7’−ビス−(2−カルボキシ
エチル)−5−(6−)−カルボキシフルオレセインア
セトキシメチルエステルよりなる群から選ばれる化合物
である上記方法;媒体のpHが、pH6以下である上記
方法;蛍光測定を、pH依存性の励起波長で行う上記方
法;及び蛍光生酵素基質が5−カルボキシフルオレセイ
ンジアセテートアセトキシメチルエステルであり、蛍光
測定の励起波長がAr+レーザーである上記方法が提供
される。
【0008】また、本発明の別の態様によれば、少なく
とも、蛍光性酵素基質を含有する染色液よりなり、蛍光
性酵素基質を媒体に添加し、媒体中に存在する細胞内か
らの蛍光を測定する生細胞の検出に使用するための試薬
キットであって、媒体のpHを酸性に下げた状態で蛍光
を測定することを特徴とする方法に使用するための試薬
キットが提供される。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明を更に詳細に説明す
る。本発明における蛍光性酵素基質としては、単独では
蛍光を発しないが、生細胞内でエステラーゼ等の生体内
酵素の作用により蛍光を発する物質(蛍光性物質)に変
化し得る化合物であって、かつ、生成する蛍光性物質が
pHによってその蛍光強度に差の有るもの、即ちpH依
存性の蛍光性物質であれば、いかなるものでも使用する
ことができる。
【0010】具体的には、例えば、5−カルボキシフル
オレセインジアセテートアセトキシメチルエステル(5
−carboxyfluorescein diace
tate acetoxymethyl ester/
以下、「CFDA−AM」と略す)、5−(6−)−カ
ルボキシフルオレセインジアセテート(5−(and−
6)−carboxyfluorescein dia
cetate/以下、「CFDA」と略す)、2’,
7’−ビス−(2−カルボキシエチル)−5−(6−)
−カルボキシフルオレセインアセトキシメチルエステル
(2’,7’−bis−(2−carboxyethy
l)−5−(and−6)−carboxyfluor
escein acetoxymethyl este
r/以下、「BCECF−AM:1」と略す)等の化合
物を蛍光性基質として使用することができる。これらの
化合物はいずれも既知の化合物であり、市販されてい
る。これらのうち、CFDA−AMが特に好ましい。
【0011】CFDA−AMはCFDAのカルボキシル
基をアセトキシメチル基によってブロックしたもので、
親水基がまったく無くなっている(この状態では非蛍光
性である)。従って、この誘導体であるCFDAに比べ
て親油性が強いので細胞膜を通過し易く、結果的に細胞
を効率よく染色することができる。BCECF−AM:
1も同様であるが、この化合物は合成が難しくかつ、保
存中に自然分解してしまうことが多いので使用に際して
注意が必要である。
【0012】本発明の方法で検出しようとする生細胞と
しては、バクテリア、酵母、放線菌、カビ類等の微生
物、カイコのSf9細胞等の昆虫細胞、CHO細胞、C
OS細胞等の哺乳動物由来の細胞等が挙げられるが、こ
れらに限定されるものではなく、いずれの細胞でもよ
い。細胞が死滅すると、細胞膜がもれ易くなり、細胞内
に蓄積された蛍光色素が外へもれだし、蛍光強度が大き
く減少し、かつ細胞内のpHが細胞外pHと等しくな
る。これらの点を利用して生細胞と、死細胞との区別を
することができる。
【0013】生細胞を検出しようとする媒体としては、
水、酒、培養液等の液体の媒体、土、砂等の固体の媒
体、寒天、ゲル等の半固体やそれらの混合物等が挙げら
れる。本発明で使用する蛍光性酵素基質を媒体に添加す
る方法は、媒体に応じて適宜行えばよい。蛍光性酵素基
質はそれぞれを単独で使用することもできるが、複数の
蛍光性酵素基質を併用してもよい。
【0014】蛍光性酵素基質は一般に水に難溶性である
ので、媒体が水性である場合には、蛍光性酵素基質を溶
媒に溶解した後、媒体に加えることにより行えばよい。
固体の媒体の場合にも、同様に溶媒に蛍光性酵素基質を
溶解し、媒体に加えることにより行えばよい。蛍光性酵
素基質を溶解する溶媒としては、通常水に溶解しやすい
こと、検出しようとする生細胞中の酵素を失活させにく
いものを用いる。また、必要に応じて非イオン性界面活
性剤を用いて溶解してもよい。
【0015】土壌中の生細胞を検出しようとする場合に
は、土壌中に染色液を加えるだけで良い。土質によって
は、蛍光性酵素基質が土の触媒作用により非生物的に分
解して背景蛍光が上がる場合があるが、この場合は、1
〜2回洗いを加える必要がある。液体媒体中の生細胞を
検出しようとする場合には、蛍光性酵素基質を添加した
後、フイルター濾過したり、poly−D−lysin
eコート基盤へ固定化したり、寒天若しくはゼラチン等
で非流動体化して蛍光を測定するのが好ましい。
【0016】蛍光測定は、媒体のpHを酸性にした状態
で行われる。媒体のpHは、通常pH6以下でpHが低
ければ低いほど良いが、水素イオン濃度の細胞への影響
を考慮すると、pH3〜6がより好ましい。媒体のpH
は如何なる方法で酸性状態に下げてもよいが、通常、p
Hが酸性の水性溶媒を予め調製し、それに蛍光性酵素基
質を溶解又は分散させ、媒体に加えて生細胞を染色すれ
ばよい。
【0017】本発明の生細胞の検出方法における操作手
順に特に制限はないが、通常、以下の手順によって行わ
れるのが好ましい。 1)蛍光性酵素基質を、pHを酸性に調整した溶媒に溶
かし、染色液を作成する。 2)該染色液と媒体(細胞や土壌等)を混ぜ、混合液を
作成する。 3)該混合液をスライドガラスとカバーガラスに挟む。 4)水蒸気で飽和したインキュベーター中に放置する。 5)顕微鏡観察し、蛍光を測定して生細胞を検出する。
【0018】蛍光性酵素基質を溶解又は分散させる溶媒
としては、通常、pHが酸性の水性溶媒が用いられ、好
ましくは適当な酸性緩衝液、例えば、ナトリウムリン酸
緩衝液、クエン酸ナトリウム−水酸化ナトリウム緩衝
液、酢酸−酢酸ナトリウム緩衝液、クエン酸ナトリウム
−ホウ酸ナトリウム緩衝液、リン酸ナトリウム−クエン
酸ナトリウム緩衝液等が用いられる。蛍光性酵素基質が
CFDA−AMである場合、溶媒としては、pHを酸
性、例えばpH3〜6に調整したナトリウムリン酸緩衝
液にpluronicTMF127(BASF Wyan
dotte社製界面活性剤;分子量12500)を少量
(0.025〜0.05%)添加したものを用いるのが
特に好ましい。用いる緩衝剤の濃度に特に制限はない。
【0019】蛍光性基質の添加量は、特に制限はされな
いが、通常媒体中における最終濃度が1〜30μM、よ
り好ましくは1〜10μMとなるように調製するのが適
当である。色素濃度が低すぎると、蛍光の絶対強度が低
くなってしまう。色素濃度が高すぎると色素が不溶化し
て沈殿したり、細胞外部の蛍光性物質による背景光が強
く細胞からの蛍光が隠されるために検出効率が下がる傾
向がある。また、染色液と媒体との混合比も、特に制限
はされない。
【0020】上記においては、スライドガラスとカバー
ガラスに挟むか、又はホールスライドガラスに入れてカ
バーグラスで密閉した後、インキュベートする例を挙げ
たが、細胞外に存在する酵素や土壌の触媒作用によって
蛍光性酵素基質が分解され背景光が高くなってしまう場
合は、遠心チューブ中で染色液、細胞、土壌を混ぜイン
キュベート(約30分程度)し、そのまま遠心によって
一回洗い、その沈澱を溶媒に懸濁したあと、コートされ
たスライドガラスとカバーガラスに挟んでもよい。
【0021】蛍光性酵素基質を用いる測定では反応時間
と共に細胞ばかりでなく背景の蛍光強度が増していくの
で、測定は染色後70分以内に行うことが好ましい。色
素濃度が10μMを越えている場合には、40分以内に
測定を終えることが必要である。また、染色後、反応を
進行させるために、測定までには通常20分以上の時間
を置くことが好ましい。
【0022】検出しようとする細胞が、メラニン色素等
で着色している場合には、そのまま蛍光性酵素基質で染
色しても、蛍光が色素で妨害されて観察しにくいので、
蛍光性酵素基質で染色する前に、予め過酸化水素等で細
胞を脱色しておくことが望ましい。
【0023】蛍光の検出手段は特に制限されないが、例
えば蛍光性酵素基質を添加した媒体をスライドガラス上
にのせて蛍光顕微鏡で観察する方法や、CCDカメラと
パソコンとを組み合わせた画像解析装置を用いて観察す
る方法などが挙げられる。
【0024】本発明において用いられる励起光源として
は、蛍光顕微鏡の光源として一般的に知られているもの
を用いることができる。例えば、超高圧水銀灯やAr+
レーザ−等を挙げることができるが、蛍光性酵素基質に
CFDA−AMを用い、生成するカルボキシフルオレセ
インを励起する場合は、特にAr+レーザーを用いるこ
とが好ましい。
【0025】以下に本発明の原理を説明する。生きてい
る細胞においては細胞内部のpHは細胞外部のpHに独
立にほぼ7を保つ。一方、蛍光性酵素基質、例えばCF
DA−AMから生細胞内で変化して生成する6−カルボ
キシフルオレセイン(6−carboxyfluore
scein/以下、「CF」と略す)の吸収スペクトル
は図1に示すようにpHに依存して大きく変化し、蛍光
もpHに依存して大きく変化する。図1からも明らかな
ように、CFは435nmと490nmとの二つの波長
で光吸収する。その結果CFは励起されて蛍光を発する
が、各々の波長で励起された場合の蛍光強度をIex4
35とIex490とすると、アルカリ側ではIex4
90が大きくなり、酸性側ではIex435が大きくな
る。
【0026】上記pH依存性の励起波長を用いて、生細
胞内と媒体間にpH勾配をつけた状態で蛍光強度を測定
すれば、生きた細胞を効率よく検出可能であることを見
出したのが本発明である。すなわち測定の際に細胞外の
pHを酸性にして、測定の際の励起波長を吸収極大49
0nm付近にすると、細胞外部にあるCF(自然分解し
たり、細胞の表層や外に存在するエステラーゼによって
分解されたもの)はあまり蛍光を発せず、細胞内部に留
まったCFは強い蛍光を発する。従って、細胞が効率よ
く検出できる。一方図1から解るように、外部のpHを
低くしてもCFを励起する波長が適当でないとその効果
は低くなる。図1の中で横軸の下にある破線は一般的に
用いられる励起用フィルターであり、超高圧水銀ランプ
の輝線を使えるように設計されているがこの波長域は細
胞の選択的検出には余り適当ではない。効率を挙げるた
めには特別の干渉フィルターを用いて490nmに近い
励起光を用いるとよい。また図1の短い縦線はAr+
ーザーの発振線(488nm)であるがこの波長は細胞
の選択的検出には非常に適していることが解る。
【0027】本発明において、CFの蛍光を測定する場
合には、励起光として490nmに近い波長の光を用い
ることが理想であるが、蛍光顕微鏡の光源として一般的
に用いられる超高圧水銀灯の場合は波長的に連続である
ため励起波長を490nmまで長い方にすると、励起光
が蛍光側に漏れ出てしまう。従って高々485nmにと
どめることが必要である。この点を克服するにはAr+
レーザーを用いるのが有効である。Ar+レーザーは4
88nmに強い光を発するのでCFの励起には最適であ
ることと、レーザーは発光波長がはっきりと決まってお
り励起光が蛍光側に漏れることが少ないので背景が暗く
なるためである。
【0028】本発明の試薬キットは、上記した生細胞の
検出方法に基づいて、それ自体既知の通常用いられる材
料及び手法で調製することができる。
【0029】
【実施例】次に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明
するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではな
い。この実施例において、枯草菌(Bacillus
subtilis)はantibiotic medi
um3培地(バクト牛エクストラクト0.15%、バク
トイーストエクストラクト0.15%、バクトペプトン
0.5%、バクトデキストローズ0.1%、NaCl
0.35%、K2HPO4 0.368%、KH2PO4
0.32%)中、30℃で培養し、対数増殖期の中期か
ら後期の細胞を集めて使用した。大腸菌(col
)はLB培地(トリプトン1%、イーストエクストラ
クト0.5%、NaCl 0.5%)中、37℃で培養
し、対数増殖期の中期から後期の細胞を集めて使用し
た。
【0030】細胞が動き回るのを抑えるためスライドガ
ラスをあらかじめpoly−D−lysine(0.1
mg/ml H2O)でコートしておいた。コートは次
のように行った。ピペットでpoly−D−lysin
e(0.2μl程度)をスライドガラスに滴下して滴状
にする。この滴を10個程度作る。そのまま室温に放置
して乾かす。
【0031】CFDA−AMの溶媒としては、pH5.
9(実施例1)とpH7.1(比較例1)に、それぞれ
pHを調製したナトリウムリン酸緩衝液20mM中にp
luronicTMF127(BASF Wyandot
te社製)を0.025%の割合で溶解させたものを用
いた(以下、この緩衝液をNa−P−Pと呼ぶ)。Na
−P−PにCFDA−AMを3μM溶解し、Na−P−
P液を調製した。
【0032】Na−P−P液100μlに培養した上記
細菌(1〜10μl)、またはそれにさらに土壌(1〜
10μl)を混合し、直ちにコートされたスライドガラ
スとカバーガラスではさみ水蒸気で飽和したインキュベ
ーター中で30分放置し反応を進ませた。このようにし
て得られた試料を顕微鏡で観察した。測定は以下のよう
な条件で行った。
【0033】用いた顕微鏡は冷却CCD付き蛍光顕微鏡
および共焦点レーザー顕微鏡である。まず、視野内の細
胞の数を知るために微分干渉像を観察記録した。次に蛍
光像を記録した。用いた蛍光フィルターはB励起フィル
ター(励起バンドパスフィルター:477nm(半値幅
10nm)、ダイクロイックミラー:530nm、蛍光
バンドパスフィルター:510〜550nm)である。
共焦点レーザー顕微鏡を用いた場合は488nmの励起
光を用いた。
【0034】記録は冷却CCDで行い、得られたデジタ
ル画像は光磁気ディスクに記録された。解析は以下の順
で行った。まず一連の画像から蛍光画像を抽出し、顕微
鏡の光ムラ補正、電気雑音除去を行った。この補正後の
蛍光画像の中で明るさが特定レベル(通常は背景光の平
均的明るさ+背景光の明るさのゆらぎの標準偏差)以上
の物体を細胞と見なし、その個数Aを計測した。一方、
微分干渉画像から視野中の細胞数Bを計測し、A/B×
100によって検出効率αを求めた。
【0035】蛍光性酵素基質を用いる測定では反応時間
と共に細胞ばかりでなく背景の蛍光強度が増して行くの
で、測定は染色後20分から70分の間に行った。色素
濃度が10μM以上の場合は40分以内に測定を終える
ことが必要である。
【0036】この測定結果を図2に示す。図2は枯草
菌、大腸菌をCFDA−AMで染色したものの検出効率
αの色素濃度依存性を示している。図2によると励起光
として477nmを用いると、通常の測定条件であるp
H7(比較例1)では細胞の検出効率はたかだか60%
程度に留まったが、pH5.9(実施例1)では80%
以上と大きな違いが出た。色素濃度が高い条件(30μ
M)では検出効率が下がっているがこれは細胞外部のC
Fによる背景光が強くて細胞からの蛍光が隠されるため
である。
【0037】
【発明の効果】本発明の方法によれば、任意の媒体中に
おける生細胞の数を、感度良く、簡便に検出することが
できる。特に、洗い操作ができないかまたは好ましくな
い自然界の試料の場合に、この方法は非常に有効であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】CFDA−AMの分解物CF(6−carbo
xyfluorescein)の吸収スペクトルを示す
図である。CFの吸収はpHに大きく依存する。pHが
高いと490nmの吸収が増し、pHが低いと435n
mの吸収が増す。通常の蛍光顕微鏡では励起用フィルタ
ーとして440〜480nmの範囲を透過するものを用
いる(横軸下の破線)。この場合、二つの吸収帯の両方
とも選択してしまう。475nmより長い波長を用いる
と490nmの吸収帯のみを選択することになる。Ar
+レーザーは488nmで発光するため(横軸下の縦
線)、490nmの吸収帯の選択には最適である。
【図2】CFDA−AMによる細菌の検出効率のpHと
色素濃度依存性を示す図であり、横軸はCFDA−AM
濃度を示し、縦軸は検出効率を示す。sub(枯草
菌)、Coli(大腸菌)を所定濃度のCFDA−
AMで染色後、477nmで励起して蛍光像を撮影し、
対応する微分干渉像と比較して検出効率を求めた。どち
らの細胞においてもpH5.9の場合の方が検出効率が
高い。30μMで検出効率が下がっているのは背景光の
明るさが増したからである。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 蛍光性酵素基質を媒体に添加し、媒体中
    に存在する細胞内からの蛍光を測定する生細胞の検出方
    法であって、媒体のpHを酸性に下げた状態で蛍光を測
    定することを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 蛍光性酵素基質が、pH依存性の蛍光性
    物質に生細胞内で変化し得る化合物である請求項1に記
    載の方法。
  3. 【請求項3】 蛍光性酵素基質が、5−カルボキシフル
    オレセインジアセテートアセトキシメチルエステル、5
    −(6−)−カルボキシフルオレセインジアセテート及
    び2’,7’−ビス−(2−カルボキシエチル)−5−
    (6−)−カルボキシフルオレセインアセトキシメチル
    エステルよりなる群から選ばれる化合物である請求項1
    に記載の方法。
  4. 【請求項4】 媒体のpHが、pH6以下である請求項
    1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 【請求項5】 蛍光測定を、pH依存性の励起波長を用
    いて行う請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 【請求項6】 蛍光性酵素基質が5−カルボキシフルオ
    レセインジアセテートアセトキシメチルエステルであ
    り、蛍光測定の励起波長がAr+レーザーである請求項
    1に記載の方法
  7. 【請求項7】 少なくとも、蛍光性酵素基質を含有する
    染色液よりなり、蛍光性酵素基質を媒体に添加し、媒体
    中に存在する細胞内からの蛍光を測定する生細胞の検出
    方法に使用するための試薬キットであって、媒体のpH
    を酸性に下げた状態で蛍光を測定することを特徴とする
    方法に使用するための試薬キット。
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