原子力顯微鏡以其操作方便，對樣品處理要求不高，原子級分率低，樣本可在空氣中成者液體中直接觀察，可檢測的樣品范圍廣等優點，贏得了越越廣闊的應用，利用AFM可以觀察生物制品的形態結構、檢測生物力、觀察品體的三結構及插體的生長等，這勢必會進一步推動生命科學，材料科學的一步發展。
一、生命科學中的應用
1）用于形態結構的觀察
由于AFM具有光學顯微鏡所不具備的高分辨率，同時又不需掃描電子顯微鏡的嚴格制樣要求。AFM已廣泛地應用于細胞、蛋白質、核酸等生物形態結構的研究。
目前，生物學家們已經利用AFM研究活細胞或固定的細胞，如紅細胞、白細胞等，獲得了豐富的信息。對于單個細胞而言，AFM不但能夠提供長度、寬度、高度等形態方面的信息，而且可以滿足人們對膜上的離子通道、絲狀偽足、細胞間連接等細微結構研究的要求，甚至還可清楚地觀察到膜本身的骨架結枃。這些對于進步研究細胞表面及表面以下結構相互作用很有啟發性。
AFM還可以觀察蛋白質的細微結構，測算復合物中蛋白質的大小，最早用AFM研究的膜蛋白是 halo bacterium halobim的紫膜上的視紫紅蛋白，得到視紫紅蛋白在膜上呈二維的六角形排列。AFM還比較成功地觀察了肌動蛋白、血纖維蛋白原，膠元蛋白，免應球蛋白等游離蛋白質分子，隨著深針技術的不斷改進，觀測到了肌動蛋白分子的螺旋構造，通過AFM對肌動蛋白聚合、解聚、破裂、彈性系數變化等過程的觀察，進步證實肌動蛋白的網絡結構對于活細胞的穩定性起決定作用。
2）用于動態過程的研究
AFM可以在生理狀態下觀察任何活的生命樣品和動態過程，主要有生物大分子之間的生化反應過程、病毒對細胞的感染過程、蛋白質的結晶析出等等，已被廣泛地應用到生物樣品中。
觀察生物大分子之間的生化反應過程，對于研究生物的結構與功能有很大的幫助，有很多實驗動態觀察了DNA復制、轉錄和蛋白質的翻譯過程，有些實驗則觀察DNA、RNA與酶結合過程，使人們對這些生化反應有了更進一步的了解，此外，AFM可以清晰地看到RNA聚合酶在DMA模板中運動，這種技術用于更大的分子，將會提高特異治療藥物插人的幾率，那樣很多疑難疾病的治療就成為可能。
病毒對細胞的感染是一個很典型的例子，應用AFM已觀察了痘節病毒感染單個細胞的過程。將痘苗病毒加人培養液后，細胞變得光采軟，在這種狀態下病毒易于穿過細跑膜。
蛋白質從溶液中結品析出也是一個分值得關注的領域，人們采用AFM研究溶菌蛋白、刀豆蛋白、TEuvEaLit和過氧化氫測得的情況，這些研究有助于人們更加深入地理解蛋白質晶體的生長動力學和成核機理。
３）用于各種生物力學的研究
將很高的空間分辨率與敏感且準確的力學感應性相結合，是AFM的一個極為顯著的特點。通過將探針連接在彈性系數很小的懸臂上，AFM對力的測量敏感性可達到ｐＮ水平。AFM已經廣泛用于測量生物分子間的相互作用，如核酸與蛋白質的相互作用、酶與底物的相互作用、抗原與抗體間的相互作用、受體與授體間的相互作用以及藥物小分子和靶向中心的相互作用等。AFM力譜技術發展也比較快。
利用AFM單分子力譜技術系統研究人工和天然短鏈DNA分子的開鏈行為，表明該技術可以分辨10個堿基對的特定相互作用力的變化情形，利用此技術已檢測到單堿基突變引起的不同作用力，為定量表征和解釋DA單個序列提供了非常有價值的熱力學模型。
利用AFM可對掃描各點的高度及作用力進行測量，這樣不僅可以獲取生物樣品的表面形態和三維結構，還可以得到其表面硬度、粘彈性、摩擦力等力學特性的表面圖譜。AFM在掃描樣品時，探針尖端作用于樣品，使樣品產生可測量的凹陷，當應力與應變力呈線性關系時，樣品發生的變形屬彈性變化，撤消力時樣品可恢復原有形態，利用凹陷的深度數據，就能夠獲取有關樣品局部的彈性信息，利用AFM已測量了支氣管上皮和肺泡上皮細胞在不同負荷力和作用頻率下的復剪切彈性系數，觀察了其變化規律。
４）用于生物樣品的納米操縱
目前原子，分子的納米操縱已進人到生物大分子層次。對生物大分子的納米操縱，不僅可以獲得生物大分子特性的新信息和新的生物學方法，也為生物大分子的應用展示了更為廣闊的前景。與標準顯微切割技術相比，AFM對目標區域切割、提取等操作具有更準確的特點。1992年人類首次使用AFM對生物分子進行可控性納米操縱，隨后它在生物膜的切割、待研究分子的分離等方面也得到廣泛應用，到日前為止，我國科學家已實現了對DA分子的人工拉直操縱，可以把DNA排布成納米尺度的維網格，在此基礎上，利用改進的“分子梳”方法，首次實現了復雜的體系――一種線性噬菌體病毒的人工拉直與定向，這種操縱是在大面積平整的固體表面實現的，并利用原子力顯微，對拉直前后的形毒進行了觀察與測量。
二、在材料科學中的應用
1）三維形貌觀測
通過檢測探針與樣品間的作用力可表征樣品表面的三維形貌，這是AＦM最基本的功能。AFM在水平方向具有0.102m的高分辨率，在垂直方向的分辨率約為0.01m，盡管AM和掃描電子顯微鏡（SEM）的橫向分辨率是相似的，但AFM和SEM兩種技術的最基本的區別在于處理試樣深度變化時有不同的表征。由于表面的高低起伏狀態能夠準確地以數值的形式獲取，AHM對表面整體圖像進行分析可得到樣品表面的粗糙度、顆粒度、平均梯度、孔結構和孔徑分布等參數，也可對樣品的形貌進行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀視覺。
2）納米材料與粉體材料的分析
當今時代，納米材料是材料領域關注的重要課題，而納米科學的不斷成長和發展是與以掃描探針顯微鏡（SPM）為代表的多種納米尺度的研究手段的產生和發展密不可分的。可以說，SPM的相繼問世對納米科技的誕生與發展起了根本性的推動作用，而納米科技的發展又為SPM的應用提供了廣闊的天地，SPM是一個包括掃描隧道顯微術（SM）、原子力顯微術（AFM）等在內的多種顯微技術的大家族。SPM不僅能夠以納米級甚至是原子級空間分辨率在真空、大氣或液體中來觀測物質表面原子或分子的幾何分布和態密度分布，確定物體局域光、電、磁、熱和機械特性，而且其有廣泛的應用性，如刻劃納米級微細線條、甚至實現原子和分子的操縱。這一集觀察、分析及操作原子分子等功能于一體的技術已成為納米科學研究中的主要工具。
3）成分分析
AFM不能進行元素分析，但它在 Phase Image模式下可以根據材料的某些物理性能的不同來提供成分的信息。
4）晶體生長方面的應用
原子力顯微鏡為我們提供了一個原子級觀測研究晶體生長界面過程的全新有效工具。利用它的高分辨率和可以在溶液和大氣環境下工作的能力，為我們精確地實時觀察生長界面的原子級分辨圖像、了解界面生長過程和機理創造了難得的機遇。
5）在薄膜技術中的應用
隨著膜技術的蓬勃發展，人們力圖通過控制膜的表面形態結構，改進制膜的方法，進而提高膜的性能。1988年，當AFM發明以后，A1brecht等人首次將其應用于聚合物膜表面形態的觀測之中，為膜表面形態的研究開啟了一扇新的大門。
AFM在膜技術中的應用相當廣泛，它可以在大氣環境下和水溶液環境中研究膜的表面形態，精確測定其孔徑及孔徑分布，還可在電解質溶液中測定膜表面的電荷性質，定量測定膜表面與膠體顆粒之間的相互作用力，無論在對哪個參數的測定中，AＦM都顯示了其他方法所沒有的優點，因此，其應用范圍迅速增長，已經迅速變成膜科學技術中發展和研究的基本手段。
AFM在膜技術中的應用與研究主要包括以下幾個方面：
a.膜表面結構的觀察與測定，包括孔結構、孔尺寸、孔徑分布；
b.膜表面形態的觀察，確定其表面粗糙度；
c.膜表面污染時的變化，以及污染顆粒與膜表面之間的相互作用力，確定其污染程度；
d.膜制備過程中相分離機理與不同形態膜表面的之間的關系。
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