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膜電位通常是指以膜相隔的兩種溶液之間產生的電位差，一般情況下是指細胞生命活動過程中伴隨的電現象，是存在于細胞膜另外兩側的電位差。一般膜電位分為靜息狀態和興奮狀態兩種。靜息狀態時，主要是由于細胞膜內的鉀離子擴散到膜外從而形成內負外正的靜息電位。興奮狀態時，細胞膜對鈉離子的通透性加強，是膜外的鈉離子向膜內擴散，從而形成內正外負的動作電位。

TMRM（四甲基羅丹明甲酯）/TMRE （四甲基羅丹明乙酯）是一種陽離子細胞滲透型熒光染料，易與活躍的線粒體螯合，是可用能斯特方程定量測量膜電位的優選染料。染料不會在細胞膜中形成聚集體，并且與膜蛋白具有最小的相互作用。因此，根據能斯特方程，染料的跨膜分布與膜電位直接相關。

Di-4-ANEPPDHQ 是一種能夠快速反應膜電位變化的染料。本身不具備熒光活性，只有和細胞膜結合后才會發出熒光。它可以足夠快地檢測瞬態（毫秒）可興奮細胞的膜電位變化。在各種組織、細胞、以及細胞膜模型中，Di-4-ANEPPDHQ 的熒光變化幅度較為均一，每 100 mV 的變化通常顯示 10 %的熒光改變。

Di-8-ANEPES 屬于 ANEP 染料家族，它們的光學反應能夠快速檢測細胞中瞬時跨膜電位的改變，可以證明膜電勢依賴激發光譜的轉換。這種特性可以通過激發率的改變檢測膜電勢的改變。ANEP 染料在水溶液環境中具有微弱的熒光，在脂質環境中可以轉變為強烈的熒光（例如細胞膜）。快速反應探針的操作通過改變電子結構從而產生它們的熒光屬性以適應周圍電場的改變。它們的光學反應能夠快速檢測可興奮細胞，例如單神經元、心肌細胞和完整大腦中毫秒跨膜電位的改變。

由于它的磺化基團，Di-8-ANEPPS 比其他 ANEPP 染料更少受細胞內化的影響，且具有更強的親脂性，因此更適合于長期膜電位研究。此外，Di-8-ANEPPS 比 Di-4-ANEPPS 具有更高的光穩定性和更低的光敏性。

苯乙烯基染料 RH237 是一種快速反應電位探針，主要用于神經元的功能成像，還用于監測細胞膜電位，突觸活動和神經元離子通道活性。苯乙烯基染料通常的吸收或激發光譜藍移為 20 nm，發射光譜藍移為 80 nm。

RH421 是一種快速響應的膜電位染料，廣泛地用于神經元跨膜電位、突觸活動和離子通道活動的檢測。在神經母細胞瘤模型中，對于每 100 mV 電壓的變化，它展示出了大于 20%的熒光改變。

DiBAC4(3) 是一種慢響應膜電位探針，它進入到去極化的細胞，和細胞內的蛋白或膜結合，發出很強的熒光。細胞去極化導致染料內流，熒光增強；相反，細胞超極化則熒光減弱。

DiOC2(3) (碘化物)是一種廣泛應用的膜電位探針。如用于線粒體膜電位的研究,DiOC2(3)能夠穿透真核細胞的細胞質，在濃度低于 100 nM 時，染料在具有活躍膜電位的線粒體中積累，形成紅色熒光聚集體，當使用破壞線粒體膜電位的（如 CCCP）處理細胞時，DiOC2(3)染色強度降低。DiOC2(3)染色的細胞可以通過流式細胞儀的藍色激發，綠色和紅色發射可視化。該試劑可與其他試劑搭配使用，例如紅色激發的 Annexin V–APC，用于活力和凋亡的研究。

碳菁染料 DiOC5(3) 被廣泛用于膜電位的測量。

DiOC6(3) 是一種細胞滲透性綠色熒光親脂染料，也是一種被廣泛應用的膜電位染料。在低濃度時，DiOC6(3) 對活細胞內的線粒體染色具有選擇性；在高濃度時，該染料可以在活細胞或固定的細胞中染色其他細胞器內膜，如內質網等。此外，DiOC6(3) 也被用來研究神經元或酵母中內質網結構的相互作用和動力學。