原子力顯微鏡能在氣體、液體中無損傷地直接觀察物體，可對生物分子在近生理條件下進行檢測，是生命科學研究中的有力工具。目前，在生命科學中AFM原子力顯微鏡主要應用于對細胞、病毒、核酸、蛋白質等生物大分子的三維結構和動態結構信息進行研究。

①對細胞膜表面形態的研究 細胞膜有重要的生理功能，它既使細胞維持穩定代謝的胞內環境，又能調節和選擇物質進出細胞。原子力顯微鏡能夠觀察到細胞膜表面的超微結構，因此它可以用來觀察正常細胞與病變細胞的細胞膜，發現兩者的異同，為臨床病理診斷提供新的視角和方法。

②測定細胞彈性以及力學性質 病變這一生理過程與細胞的形態和力學性質有關。細胞形態學的變化會影響和反映細胞性質、功能以及細胞微環境的改變。健康細胞與病理狀態的細胞在機械性能上是完全不同的。抓住這一點，可以利用AFM原子力顯微鏡測量出的細胞彈性性質識別癌細胞，以及輔助診斷紅細胞相關的各種疾病等，從細胞層面上對各種疾病進行早期診斷和治療。

③檢測活細胞間相互作用 原子力顯微鏡也可以對細胞間的相互作用進行觀察。將一種細胞連接在AFM原子力顯微鏡掃面探針的尖部，使針尖功能化，對另一種單層排列的細胞進行掃描就可以進行細胞間相互作用的研究。

④觀察動態生物過程 原子力顯微鏡也是觀察細胞生物過程非常有效的工具。研究痘病毒和活細胞，得到了痘病毒感染活細胞全過程的AFM原子力顯微鏡 圖。通過活著的細胞觀察子代病毒顆粒，并用原子力顯微鏡在水溶液環境中在分子水平分辯出有規則重復的烙鐵狀結構和準有序的環狀結構。觀察中發現: 在感染前后*初幾小時，細胞并無顯著變化; 子代病毒粒子沿細胞骨架進入細胞內部，還有胞吐、病毒顆粒聚集等現象。通過AFM原子力顯微鏡圖像可以看出啞鈴狀小泡逐漸形成、消失并在細胞膜表面形成凹陷的全過程。

⑤觀察生物大分子之間相互作用 在生物體內，DNA 與蛋白質間的相互作用有著同樣舉足輕重的地位。在轉錄、翻譯的過程中，DNA 與特定的蛋白質如解旋酶、聚合酶、啟動因子等的結合就決定著生命活動的開啟。Gilmore 等利用原子力顯微鏡以每500 ms 拍攝1 次的速度，清晰地觀察到了蛋白質在DNA 上的結合情況。因此，AFM原子力顯微鏡可以真正幫助我們深入地“看到”生命活動的本質。

⑥測定細胞電學性質 細胞不論在靜止狀態還是活動狀態，都會產生與生命狀態密切相關的、有規律的電現象，生物電信號包括靜息電位和動作電位，其本質是離子的跨膜流動。因此，研究細胞的電生理學也成為了生命科學領域一個重要的分支。在原子力顯微鏡系統中增加了導電模塊，在迎春花細胞、酵母菌細胞等樣品和探針之間加一個偏壓，在掃描的過程中，同時獲得樣品的表面形貌和電流像，且在成像的同時檢測探針和細胞樣品之間的電流，得到樣品表面形貌和局域電流分布及兩者之間的對應關系，從而實現AFM 原子力顯微鏡在納米尺度上對細胞樣品電學特性的分析檢測。