原子力顯微鏡能在氣體、液體中無(wú)損傷地直接觀察物體，可對(duì)生物分子在近生理?xiàng)l件下進(jìn)行檢測(cè)，是生命科學(xué)研究中的有力工具。目前，在生命科學(xué)中AFM原子力顯微鏡主要應(yīng)用于對(duì)細(xì)胞、病毒、核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的三維結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行研究。

①對(duì)細(xì)胞膜表面形態(tài)的研究 細(xì)胞膜有重要的生理功能，它既使細(xì)胞維持穩(wěn)定代謝的胞內(nèi)環(huán)境，又能調(diào)節(jié)和選擇物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。原子力顯微鏡能夠觀察到細(xì)胞膜表面的超微結(jié)構(gòu)，因此它可以用來(lái)觀察正常細(xì)胞與病變細(xì)胞的細(xì)胞膜，發(fā)現(xiàn)兩者的異同，為臨床病理診斷提供新的視角和方法。

②測(cè)定細(xì)胞彈性以及力學(xué)性質(zhì) 病變這一生理過(guò)程與細(xì)胞的形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。細(xì)胞形態(tài)學(xué)的變化會(huì)影響和反映細(xì)胞性質(zhì)、功能以及細(xì)胞微環(huán)境的改變。健康細(xì)胞與病理狀態(tài)的細(xì)胞在機(jī)械性能上是完全不同的。抓住這一點(diǎn)，可以利用AFM原子力顯微鏡測(cè)量出的細(xì)胞彈性性質(zhì)識(shí)別癌細(xì)胞，以及輔助診斷紅細(xì)胞相關(guān)的各種疾病等，從細(xì)胞層面上對(duì)各種疾病進(jìn)行早期診斷和治療。

③檢測(cè)活細(xì)胞間相互作用 原子力顯微鏡也可以對(duì)細(xì)胞間的相互作用進(jìn)行觀察。將一種細(xì)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(duì)另一種單層排列的細(xì)胞進(jìn)行掃描就可以進(jìn)行細(xì)胞間相互作用的研究。

④觀察動(dòng)態(tài)生物過(guò)程 原子力顯微鏡也是觀察細(xì)胞生物過(guò)程非常有效的工具。研究痘病毒和活細(xì)胞，得到了痘病毒感染活細(xì)胞全過(guò)程的AFM原子力顯微鏡 圖。通過(guò)活著的細(xì)胞觀察子代病毒顆粒，并用原子力顯微鏡在水溶液環(huán)境中在分子水平分辯出有規(guī)則重復(fù)的烙鐵狀結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)有序的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。觀察中發(fā)現(xiàn): 在感染前后*初幾小時(shí)，細(xì)胞并無(wú)顯著變化; 子代病毒粒子沿細(xì)胞骨架進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，還有胞吐、病毒顆粒聚集等現(xiàn)象。通過(guò)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(xì)胞膜表面形成凹陷的全過(guò)程。

⑤觀察生物大分子之間相互作用 在生物體內(nèi)，DNA 與蛋白質(zhì)間的相互作用有著同樣舉足輕重的地位。在轉(zhuǎn)錄、翻譯的過(guò)程中，DNA 與特定的蛋白質(zhì)如解旋酶、聚合酶、啟動(dòng)因子等的結(jié)合就決定著生命活動(dòng)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(zhì)在DNA 上的結(jié)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(dòng)的本質(zhì)。

⑥測(cè)定細(xì)胞電學(xué)性質(zhì) 細(xì)胞不論在靜止?fàn)顟B(tài)還是活動(dòng)狀態(tài)，都會(huì)產(chǎn)生與生命狀態(tài)密切相關(guān)的、有規(guī)律的電現(xiàn)象，生物電信號(hào)包括靜息電位和動(dòng)作電位，其本質(zhì)是離子的跨膜流動(dòng)。因此，研究細(xì)胞的電生理學(xué)也成為了生命科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的分支。在原子力顯微鏡系統(tǒng)中增加了導(dǎo)電模塊，在迎春花細(xì)胞、酵母菌細(xì)胞等樣品和探針之間加一個(gè)偏壓，在掃描的過(guò)程中，同時(shí)獲得樣品的表面形貌和電流像，且在成像的同時(shí)檢測(cè)探針和細(xì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)AFM 原子力顯微鏡在納米尺度上對(duì)細(xì)胞樣品電學(xué)特性的分析檢測(cè)。