原子力顯微鏡的用途廣泛，目前已經(jīng)應(yīng)用于較多科學(xué)研究領(lǐng)域，隨著研究的發(fā)展及表征手段的嚴(yán)謹(jǐn)，原子力顯微鏡憑借其原子級別的分辨率和強(qiáng)大的功能，可以滿足從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到力學(xué)、電學(xué)、生物學(xué)、電化學(xué)等各方面的需求。

原子力顯微鏡在物理學(xué)中的應(yīng)用

　　在物理學(xué)中，原子力顯微鏡可以用于研究金屬和半導(dǎo)體的表面形貌、表面重構(gòu)、表面電子態(tài)及動態(tài)過程，超導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層狀材料中的電荷密度等。從理論上講，金屬的表面結(jié)構(gòu)可由晶體結(jié)構(gòu)推斷出來，但實際上金屬表面很復(fù)雜。衍射分析方法已經(jīng)表明，在許多情況下，表面形成超晶體結(jié)構(gòu)(稱為表面重構(gòu))，可使表面自由能達(dá)到Z小值。而借助原子力顯微鏡可以方便地得到某些金屬、半導(dǎo)體的重構(gòu)圖像。原子力顯微鏡已經(jīng)獲得了包括絕緣體和導(dǎo)體在內(nèi)的許多不同材料的原子級分辨率圖像。

　　納米摩擦學(xué)是摩擦學(xué)新的分支學(xué)科之一，它對納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米機(jī)械學(xué)的發(fā)展起著重要的推動作用，而原子力顯微鏡在摩擦學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用又將極大地促進(jìn)納米摩擦學(xué)的發(fā)展。原子力顯微鏡不僅可以實現(xiàn)納米級尺寸微力的測量，而且可以得到三維形貌、分形結(jié)構(gòu)、橫向力和相界等信息，尤其重要的是還可以實現(xiàn)過程的測量，達(dá)到實驗與測量的統(tǒng)一，是進(jìn)行納米摩擦學(xué)研究的一種有力手段。

　　近年來，應(yīng)用原子力顯微鏡研究納米摩擦、納米磨損、納米潤滑、納米摩擦化學(xué)反應(yīng)和微型機(jī)電系統(tǒng)的納米表面工程等方面都取得了一些重要進(jìn)展。總之，原子力顯微鏡在納米摩擦學(xué)研究中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為進(jìn)行納米摩擦學(xué)研究的重要工具之一。

原子力顯微鏡在電化學(xué)中的應(yīng)用

　　現(xiàn)場掃描隧道顯微鏡在電化學(xué)中應(yīng)用廣泛，但存在法拉第電流等的干擾，而原子力顯微鏡在水或電解質(zhì)溶液等電化學(xué)環(huán)境下工作穩(wěn)定，因此化學(xué)工作者努力將原子力顯微鏡應(yīng)用于現(xiàn)場電化學(xué)。

　　1991年Manne等人使diyi個現(xiàn)場電化學(xué)原子力顯微鏡(ECAFM)實驗獲得成功，目前原子力顯微鏡已成功應(yīng)用于現(xiàn)場電化學(xué)研究。這些研究主要有3個方向:界面結(jié)構(gòu)的表征、界面動態(tài)學(xué)和化學(xué)材料及結(jié)構(gòu)，如觀察和研究單晶、多晶局部表面結(jié)構(gòu)、表面缺陷和表面重構(gòu)、表面吸附物種的形態(tài)和結(jié)構(gòu)、金屬電極的氧化還原過程、金屬或半導(dǎo)體的表面電腐蝕過程、有機(jī)分子的電聚合及電極表面上的沉積等。

　　在電化學(xué)環(huán)境下，將原子力顯微鏡應(yīng)用于對材料表面的納米加工或修飾是當(dāng)前的一個熱門課題。在原子力顯微鏡的作用下，可在材料表面均勻地產(chǎn)生大量金屬納米顆粒、誘導(dǎo)硅的局域刻蝕、增強(qiáng)導(dǎo)電聚合物的局域聚合等。

原子力顯微鏡在生物大分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

　　原子力顯微鏡在生物大分子結(jié)構(gòu)研究中具有明顯優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在:對樣品無需用重金屬包裹或者制作金屬復(fù)制物，可以在空氣或者各種溶劑體系中直接觀測，能夠在接近生理環(huán)境的條件下直接進(jìn)行研究，這是其它化學(xué)和物理分析方法所無法比擬的;通過控制成像操作力的大小，采用合適的成像模式不會引起樣品分子的漂移和損壞，圖像的可重復(fù)性大大提高;現(xiàn)場操作性好，能夠研究監(jiān)測整個生化反應(yīng)的動力學(xué)過程;載體的選擇則更加簡單，范圍也更大。這些優(yōu)點(diǎn)已使原子力顯微鏡成為這個領(lǐng)域的重要工具，并且具有很大的發(fā)展前景。

　　1、脫氧核糖核酸

　　自從Lindsay等首次用原子力顯微鏡獲得脫氧核糖核酸的圖像以來，原子力顯微鏡已經(jīng)成為研究核酸分子結(jié)構(gòu)的重要工具。1992年，Bustamante等用原子力顯微鏡在室溫和干燥空氣條件下得到可重復(fù)的質(zhì)粒DNA的圖像，圖像重復(fù)性良好并且分辨率達(dá)到分子級水平，可以清晰地觀測到三維環(huán)狀DNA分子的結(jié)構(gòu)，并可估算分子的寬度和高度。另外，Hansma等在丙醇體系中用輕敲式研究小片斷DNA和雙鏈DNA的分子結(jié)構(gòu)，得到分辨率2nm的高清晰度圖像。以上兩點(diǎn)是原子力顯微鏡研究生物大分子的兩個重大突破。

　　2、蛋白質(zhì)

　　原子力顯微鏡在膜蛋白、游離的蛋白質(zhì)分子及結(jié)晶的蛋白質(zhì)等3個方面都有重要應(yīng)用。例如，可以用原子力顯微鏡研究蛋白質(zhì)結(jié)晶的動態(tài)過程，Zda的優(yōu)點(diǎn)是蛋白質(zhì)晶體在母液中的生長過程，可以在幾乎不受外界干擾下用圖像的方式記錄下來，用于研究大分子晶體生長的機(jī)制及一些相關(guān)現(xiàn)象。

　　3、多糖

　　由于多糖分子往往帶有支鏈，分子的均一性及線性不如DNA和蛋白質(zhì)好，相對而言得到的圖像的分辨率差一些，但是近年來這方面的發(fā)展很快，取得了很多進(jìn)展。具體表現(xiàn)為:用原子力顯微鏡觀測多糖分子的高級結(jié)構(gòu);用原子力顯微鏡觀測二維多糖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并研究了多糖濃度及幾種離子在不同濃度下對凝膠網(wǎng)絡(luò)形成的影響;用原子力顯微鏡直接觀察以纖維素微纖維素為主體的植物細(xì)胞壁。

　　近來Kuznetso等用原子力顯微鏡與計算機(jī)模擬技術(shù)相結(jié)合的方法來研究蛋白質(zhì)晶體的空間結(jié)構(gòu)，這為研究DNA等生物大分子的空間三維結(jié)構(gòu)提供了重要啟示。盡管原子力顯微鏡的分辨率受到探針曲率半徑的制約，但由于其良好的性能，無疑將會在生物大分子結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮重要作用。