线粒体是动植物细胞生成ATP的主要地点，是促进细胞能量转换、参与细胞凋亡的重要细胞器。线粒体在呼吸氧化过程中，将所产生的能量以电化学势能储存于线粒体内膜，在内膜两侧造成质子及其他离子浓度的不对称分布而形成线粒体膜电位(Mitochondrial membrane potential，MMP，ΔΨm)。正常的MMP是维持线粒体进行氧化磷酸化、产生三磷酸腺苷的先决条件，MMP的稳定有利于维持细胞的正常生理功能。

线粒体亚显微结构

线粒体是细胞能量和新陈代谢的重要调节者，对维持细胞的生长和存活起着至关重要的作用。线粒体的核心功能是通过氧化磷酸化合成ATP，这就是众所周知的线粒体生物能量学。而ATP的产生，是与线粒体膜电位有关的。线粒体通过由电子传递链产生的膜电位梯度来维持氧化磷酸化，从而驱动ATP的合成。这一步是通过位于线粒体内膜的质子泵完成的，质子泵可以将基质内质子（H+）泵入膜间隙，质子的跨膜转运使线粒体膜间隙积累大量质子，形成跨线粒体内膜的跨膜电位，即线粒体膜电位。当质子返回时便推动生命体最重要的能量货币ATP的产生，人体的ATP有95%为线粒体所提供。

正常情况下，线粒体内膜电位较高，保持在负电位，而外膜电位较低，保持在正电位。当某些因素导致线粒体呼吸链电子传递过程障碍，影响基质内质子（H+）跨膜梯度的形成，就会导致外正、内负的线粒体膜电位下降，即去极化。大量研究表明，线粒体膜电位下降与自噬、凋亡或坏死等有关。线粒体膜电位功能障碍，甚至细微的异常变化，都可能极大地影响细胞内的生物活性，引起各种疾病（阿尔茨海默病、糖尿病和癌症等）。

线粒体膜电位示意图

因此，线粒体膜电位是评价线粒体正常功能的重要指标之一，不仅反映了线粒体功能的完整性，对ATP的合成、离子的转运、细胞凋亡的调控以及抗氧化作用都具有重要的影响，同时也反映了细胞的健康状况，对细胞的生存和发展具有重要的意义。另外，检测线粒体膜电位的变化对生物学研究和医学诊断也具有重要意义。所以，我们应该重视线粒体膜电位的变化，并采取相应的措施来保护线粒体的正常功能。

JC-1 是一种广泛用于检测线粒体膜电位的理想荧光探针，可以用来检测细胞、组织或纯化的线粒体膜电位。在线粒体膜电位较低时，JC - 1 不能聚集在线粒体的基质中，此时 JC - 1 为单体，最大发射波长为 527 nm，可以产生绿色荧光；在线粒体膜电位较高时，JC-1 聚集在线粒体的基质中，形成聚合物，最大发射波长为590 nm，可以产生红色荧光。这样就可以非常方便地通过荧光颜色的转变来检测线粒体膜电位的变化。

JC-1进入线粒体和聚集物生成的示意图

Rhodamine 123 是一种可透过细胞膜的阳离子绿色荧光染料，可作为线粒体膜电位的指示剂，其在正常细胞中能够依赖线粒体膜电位进入线粒体基质，荧光强度弱。而在凋亡发生时，线粒体膜完整性破坏，线粒体膜通透性转运孔开放，引起线粒体膜电位的降低，Rhodamine 123 重新释放出线粒体，从而发出强黄绿色荧光，广泛用作检测线粒体膜电位的荧光探针，并且对细胞没有任何毒性。

TMRM（四甲基罗丹明甲酯）/TMRE （四甲基罗丹明乙酯）是一种阳离子细胞渗透型荧光染料，易与活跃的线粒体螯合，是可用能斯特方程定量测量膜电位的优选染料。染料不会在细胞膜中形成聚集体，并且与膜蛋白具有最小的相互作用。因此，根据能斯特方程，染料的跨膜分布与膜电位直接相关。

它们除了可以选择性的对线粒体进行染色外，与JC-1一样，TMRM和TMRE也广泛地用于线粒体膜电位的测定。这两种特殊的罗丹明酯将线粒体染色，带有橙色荧光。它们的光谱特征与TRITC相似，这是TMRM和TMRE使用起来非常方便。TMRE的疏水性比TMRM略微强一点。

MitoScene TM Red CMXRos 是一种红色荧光染料，含有氯甲基官能团，可标记线粒体。只需与活细胞简单孵育即可被动运输穿过细胞膜并直接聚集在活性线粒体上，该染料的积累取决于膜电位的高低。一旦线粒体被染色后，还可根据后续实验的需求用醛类固定剂进行固定。对于免疫组化及原位杂交实验，细胞需先经过透化，MitoScene TM Red CMXRos 还可染色透化细胞的线粒体。该染料适合双标记实验，其红色荧光与其他的绿色荧光探针可以很好的区分开来。可以染死细胞。

4-Di-1-ASP 是苯乙烯基染料，用于染色活细胞线粒体。它也被用于染色神经胶质瘤细胞、活体大脑组织等。在显微镜成像时可发出绿色荧光 (λex /λem = 475/606 nm)。

DASPEI 是一种苯乙烯基染料，可以染色活细胞的线粒体。DASPEI 的激发和发射波长在 550/573 nm，荧光寿命强，灵敏度高。DASPEI 可以对活细胞中的线粒体进行染色，具有良好的标记性，也可独立于神经元活性用于突触前神经末节的染色。

MitoSceneTM Green I是一种线粒体绿色荧光染料，可在纳摩尔水平对线粒体进行染色标记，该染料具有质膜透性，且在线粒体膜上积累而呈现明亮的荧光。该染料在线粒体中的定位不依赖于线粒体膜电位，染色固定细胞信噪比不理想，在细胞固定、透化之后，会导致荧光信号减弱或丢失，所以我们推荐只用来染活细胞。

10-壬基吖啶橙（NAO）是吖啶橙的衍生物， 是一种用于完整细胞内线粒体特异性荧光标记物。与Rh123相比，细胞中NAO的积聚与质子动力驱动关系不大，但是与线粒体相关膜蛋白或者脂类发生作用相关。NAO的摄入不依赖于线粒体跨膜电势差，可用于检测线粒体。NAO可与心磷脂等带负电荷磷脂特异性结合， 其与线粒体膜的相互作用不依赖于线粒体的膜电位；分析细胞凋亡时， 可用罗丹明123来检测线粒体的膜电位， 而用NAO来检测线粒体结构的完整性。NAO和罗丹明123（Rh123）是研究线粒体功能一对好的染料。