膜电位通常是指以膜相隔的两种溶液之间产生的电位差，一般情况下是指细胞生命活动过程中伴随的电现象，是存在于细胞膜另外两侧的电位差。一般膜电位分为静息状态和兴奋状态两种。静息状态时，主要是由于细胞膜内的钾离子扩散到膜外从而形成内负外正的静息电位。兴奋状态时，细胞膜对钠离子的通透性加强，是膜外的钠离子向膜内扩散，从而形成内正外负的动作电位。

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。

Di-4-ANEPPDHQ 是一种能够快速反应膜电位变化的染料。本身不具备荧光活性，只有和细胞膜结合后才会发出荧光。它可以足够快地检测瞬态（毫秒）可兴奋细胞的膜电位变化。在各种组织、细胞、以及细胞膜模型中，Di-4-ANEPPDHQ 的荧光变化幅度较为均一，每 100 mV 的变化通常显示 10 %的荧光改变。

Di-8-ANEPES 属于 ANEP 染料家族，它们的光学反应能够快速检测细胞中瞬时跨膜电位的改变，可以证明膜电势依赖激发光谱的转换。这种特性可以通过激发率的改变检测膜电势的改变。ANEP 染料在水溶液环境中具有微弱的荧光，在脂质环境中可以转变为强烈的荧光（例如细胞膜）。快速反应探针的操作通过改变电子结构从而产生它们的荧光属性以适应周围电场的改变。它们的光学反应能够快速检测可兴奋细胞，例如单神经元、心肌细胞和完整大脑中毫秒跨膜电位的改变。

由于它的磺化基团，Di-8-ANEPPS 比其他 ANEPP 染料更少受细胞内化的影响，且具有更强的亲脂性，因此更适合于长期膜电位研究。此外，Di-8-ANEPPS 比 Di-4-ANEPPS 具有更高的光稳定性和更低的光敏性。

苯乙烯基染料 RH237 是一种快速反应电位探针，主要用于神经元的功能成像，还用于监测细胞膜电位，突触活动和神经元离子通道活性。苯乙烯基染料通常的吸收或激发光谱蓝移为 20 nm，发射光谱蓝移为 80 nm。

RH421 是一种快速响应的膜电位染料，广泛地用于神经元跨膜电位、突触活动和离子通道活动的检测。在神经母细胞瘤模型中，对于每 100 mV 电压的变化，它展示出了大于 20%的荧光改变。

DiBAC4(3) 是一种慢响应膜电位探针，它进入到去极化的细胞，和细胞内的蛋白或膜结合，发出很强的荧光。细胞去极化导致染料内流，荧光增强；相反，细胞超极化则荧光减弱。

DiOC2(3) (碘化物)是一种广泛应用的膜电位探针。如用于线粒体膜电位的研究,DiOC2(3)能够穿透真核细胞的细胞质，在浓度低于 100 nM 时，染料在具有活跃膜电位的线粒体中积累，形成红色荧光聚集体，当使用破坏线粒体膜电位的（如 CCCP）处理细胞时，DiOC2(3)染色强度降低。DiOC2(3)染色的细胞可以通过流式细胞仪的蓝色激发，绿色和红色发射可视化。该试剂可与其他试剂搭配使用，例如红色激发的 Annexin V–APC，用于活力和凋亡的研究。

碳菁染料 DiOC5(3) 被广泛用于膜电位的测量。

DiOC6(3) 是一种细胞渗透性绿色荧光亲脂染料，也是一种被广泛应用的膜电位染料。在低浓度时，DiOC6(3) 对活细胞内的线粒体染色具有选择性；在高浓度时，该染料可以在活细胞或固定的细胞中染色其他细胞器内膜，如内质网等。此外，DiOC6(3) 也被用来研究神经元或酵母中内质网结构的相互作用和动力学。