1986年G.宾尼^[注]、C.F.魁特^[注]和C.盖博^[注]首次研制了原子力显微镜，观察到绝缘材料表面形貌，同时可以测量表面原子间的作用力。1987年O.马蒂等首次在液体石蜡油里观察了氯化钠晶体。此后，原子力显微镜应用领域拓展到其他液固相界面及化学或生物发展过程。悬臂微细加工技术，以及利用激光光束偏转检测悬臂位置变化的应用，推动了AFM在生物样品成像中的应用。生物样品在生理条件下柔软，易产生形变和损毁，此时期的原子力显微镜多用来研究氨基酸晶体、免疫球蛋白G（IgG）和膜蛋白等。1993年出现的轻敲式原子力显微镜，虽然成像速度慢，但是可以对与基底结合不紧密的样品进行成像。生物大分子结构及彼此间相互作用是一个高度动态变化的过程，提高原子力显微镜成像速度及分辨率成为生物学研究又一个亟须解决的技术问题。快速AFM的概念最早是由C.F.魁特研究组提出的，在M.J.迈尔斯、H.G.汉斯马^[注]和T.安多等推动下，经过20多年的发展，超高速视频级原子力显微镜（HS-AFM）的技术逐步发展成熟。

随着原子力显微镜悬臂与探针构成的力传感器、光束偏转检测器、快速扫描器、力传感器等重要部件的不断优化，它已经成为研究微观世界真实结构的有力工具，涵盖固体物理、表面物理化学、高分子材料、生物、医学等研究领域。例如，2012年，B.霍根布姆^[注]团队将原子力显微镜微悬臂的厚度降低到纳米级别，横向尺寸1微米，首次在自然条件下获得了DNA双螺旋结构。2013年裘晓辉团队对力传感器进行了创新，首次直接观察到氢键。

原子力显微镜由力学检测部分、位置检测部分和反馈系统、图像采集及处理系统构成。工作原理如图所示，带有探针的微悬臂接近样品表面时，探针与样品表面原子间产生相互作用力，驱动微悬臂发生形变或摆动。利用电学或光学方法检测出微悬臂偏移量，送入反馈系统。该反馈系统对信号进行处理，并控制扫描器的位移，测得探针对应于各点的位置变化，从而得到样品表面形貌。同时，也可以检测探针和样品间相互作用力变化。

原子力显微镜工作原理及操作模式图

原子力显微镜有三种操作模式：①接触式，悬臂一端带有探针，对样品表面进行光栅式扫描，相互作用力是10^-10～10^-6牛的排斥力，适用于样品高度起伏小而且质地硬的样品。②非接触式模式，悬臂在样品上方1～10纳米距离处震荡，样品和针尖的相互作用力是范德瓦耳斯力，约为10^-12牛，对样品无损伤，同时不会污染探针，适合表面柔软样品。③轻敲式，悬臂在样品上方以共振频率震荡，探针仅周期性短暂敲击样品。

在生物学领域中，原子力显微镜主要用于成像和力谱。前者可以实现对生物样品原位高分辨率的三维观测，如细胞或组织的表面形态结构及机械性能的观测；生物大分子结构的观测等。后者可以实现分子内和分子间的作用力及样品纳米力学性能的精确测量，如测定细胞及生物大分子之间相互作用力。