膜电位和通道（Membrane Potential and Channels）

膜电位是细胞内部和外部之间的电压差。 膜电位允许细胞充当电池，为嵌入膜中的各种分子装置提供动力。 在神经元等可电兴奋的细胞中，膜电位用于在细胞的不同部分之间传递信号。 膜中某一点离子通道的打开或关闭会导致膜电位的局部变化，从而导致电流迅速流向膜中的其他点。 离子通道已被确定为重要的药物发现目标。

由于主动转运过程维持的 K+、Na+ 和 Cl- 浓度梯度，细胞质膜的跨膜电位通常约为 70 mV（内部为负）。尽管荧光离子指示剂可用于直接测量特定离子浓度的变化，但电位探针提供了一种间接方便的方法来检测这些离子的易位。电位光学探针使研究人员能够在对微电极来说太小的细胞器和细胞中进行膜电位测量。此外，结合成像技术，这些探针可用于绘制可兴奋细胞、灌注器官和终在体内大脑中的膜电位变化，具有使用微电极无法获得的空间分辨率和采样频率。膜电位的增加和减少在许多生理过程中起着核心作用，包括神经冲动传播、肌肉收缩、细胞信号传导和离子通道门控。

电位探针是研究这些过程的重要工具，也是可视化线粒体（其跨膜电位约为 150 mV，基质内为负）、评估细胞活力和高通量筛选新候选药物的重要工具。 电位探针包括阳离子或两性离子苯乙烯染料、阳离子碳花青和罗丹明，以及阴离子氧代醇。 染料的种类决定了细胞中的积累、反应机制和毒性等因素。 为特定应用选择佳电位探针可能会因其光学响应、光毒性和与其他分子相互作用的明显变化而变得复杂。 有两类基于其响应机制的膜电位探针：快速响应和慢响应膜电位染料。

快速响应膜电位探针

快速响应探针具有响应周围电场变化的荧光。 它们的光学响应足够快，可以检测可兴奋细胞（包括单个神经元、心脏细胞和完整大脑）的瞬时（毫秒）电位变化。 然而，它们依赖于电位的荧光变化的幅度通常很小，通常每 mV 有 0.02–0.1% 的荧光强度变化。

慢响应膜电位探针

慢响应探针在其跨膜分布中表现出电位依赖性变化，并伴有荧光变化。它们的光学响应幅度远大于快速响应探针的幅度，通常每 mV 有 1% 的荧光变化。 慢响应探针，包括阳离子碳菁和罗丹明以及阴离子氧代醇，适用于检测由呼吸活动、离子通道通透性、药物结合和其他因素引起的非兴奋性细胞平均膜电位的变化。

表 1. 快速响应膜电位探针

表2. 慢响应膜电位探针