膜電位是細胞內部和外部之間的電壓差。膜電位允許細胞充當電池，為嵌入膜中的各種分子裝置提供動力。在神經元等可電興奮的細胞中，膜電位用于在細胞的不同部分之間傳遞信號。膜中某一點離子通道的打開或關閉都會導致膜電位的局部變化，從而導致電流迅速流向膜中的其他點。離子通道已被確定為重要的藥物發現目標。
由于主動轉運過程維持的K+、Na+和Cl-濃度梯度，細胞質膜的跨膜電位通常約為70mV（內部為負）。盡管熒光離子指示劑可用于直接測量特定離子濃度的變化，但電位探針提供了一種間接方便的方法來檢測這些離子的異位。電位光學探針使研究人員能夠在對微電極來說太小的細胞器和細胞中進行膜電位測量。此外，結合成像技術，這些探針可用于繪制可興奮細胞、灌注器官和終在體內大腦中的膜電位變化，具有使用微電極無法獲得的空間分辨率和采樣頻率。膜電位的增加和減少在許多生理過程中起著核心作用，包括神經沖動傳播、肌肉萎縮、細胞信號傳導和離子通道門控。
電位探針是研究這些過程的重要工具，也是可視化線粒體（其跨膜電位約為150mV,基質內為負）、評估細胞活力和高通量篩選新候選藥物的重要工具。電位探針包括陽離子或兩性離子苯乙烯染料、陽離子碳花青和羅丹明，以及陰離子氧代醇。染料的種類決定了細胞中的積累、反應機制和毒性等因素。為特定應用選擇佳電位探針可能會因其光學響應、光毒性和與其他分子相互作用的明顯變化而變得復雜。有兩類基于其響應機制的膜電位探針：快速響應和慢響應膜電位染料。
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快速響應膜電位探針
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???快速響應探針具有響應周圍電場變化的熒光。它們的光學響應足夠快，可以檢測可興奮細胞（包括單個神經元、心臟細胞和完整大腦）的瞬時（毫秒）電位變化。然而，它們依賴于電位的熒光變化的幅度通常很小，通常每mV有0.02-0.1%的熒光強度變化。
表一.快速響應膜電位探針
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慢響應膜電位探針
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慢響應探針在其跨膜分布中表現出電位依賴性變化，并伴有熒光變化。它們的光學響應幅度遠大于快速響應探針的幅度，通常每mV有1%的熒光變化。慢響應探針，包括陽離子碳菁和羅丹明以及陰離子氧代醇，適用于檢測由呼吸活動、離子通道通透性、藥物結合和其他因素引起的非興奮性細胞平均膜電位的變化。
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