生物原子力顯微鏡是一種以物理學原理為基礎，通過掃描探針與樣品表面原子相互作用而成像的新型表面分析儀器。利用一個很尖的探針對樣品掃描，探針固定在對探針與樣品表面作用力極敏感的微懸臂上。懸臂受力偏折會引起由激光源發出的激光束經懸臂反射后發生位移。檢測器接受反射光，最后接受信號經過計算機系統采集、處理、形成樣品表面形貌圖像。
1、對細胞和細胞器的觀察
原子力顯微鏡Z重要的特點是，在接近自然生理條件下，可以在原子和分子水平研究生物組織結構;測量表面的粘彈性、摩擦力等，因此，可以獲得更多信息。利用相應的軟件，對得到的圖像進行量化分析處理，可以得到細胞細胞器的厚度、寬度、表面積、體積及其特征比較等量化參數。
通常細胞可以很好的吸附在基底上，不會被探針推走。到目前為止原子力顯微鏡觀測細胞的分辨率一般為20～50nm，雖不足以分辨出細胞表面的蛋白，但可以觀測到質膜的重排、骨架的移動等。
2、對細胞形態變化的動態觀察
原子力顯微鏡能夠對活細胞在生理、病理條件下，跟蹤形態結構的變化，進行動態觀察。改變活細胞溶液的環境，如pH值、離子濃度等參數，引發細胞形態結構的改變，利用原子力顯微鏡進行動態觀察。例如，對于飽和PC雙層膜，少量的tris可以產生波紋相，證明了溶液中的分子是細胞波紋相存在的重要因素。而在此之前，一般認為波紋相是磷質脂質體固有的性質。
3、生物大分子超微細結構的觀察
原子力顯微鏡成像的意義，不僅能夠在分子水平了解大分子形態，更重要的是在成像的基礎上，用原子力對生物大分子的其它性能進行研究，如抗原-抗體之間的作用力，生物膜的親疏水性等的研究。
