掃描探針顯微鏡（sing probe microscope,SPM）是目前眾多達到10-8 m觀察水平的新型顯微鏡的總稱，從1981年第一台掃描探針顯微鏡問世，短短10多年來已發展到10餘種類型，其主要類型有：掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、掃描力顯微鏡（SFM）、掃描磁顯微鏡（SMM）、掃描熱顯微鏡（STM）、掃描電容顯微鏡（SCM）、側力顯微鏡（LFM）、近場掃描光學顯微鏡（NSOM）、靜電力顯微鏡（EFM）及掃描光子顯微鏡（SPM）等。
一、基本工作原理
掃描隧道顯微鏡是根據量子力學的電子隧道效應所設計的。其基本原理是用1個針尖（探針），使其與樣品表麵接近，當近於1 nm以下時，針尖的電子雲與樣品表麵原來的電子雲可出現重疊，如果此時在針尖和樣品表麵之間加上一個微小電壓（2 mV至2 V），電子就可以由於量子隧道效應從針尖轉移到樣品（或從樣品轉移到針尖），從而在針尖和樣品之間產生電流，此電流即稱為隧道電流。由於從針尖到樣品表麵原子間的距離與隧道電流成指數關係，即間距增加0.1 nm時，隧道電流將減小1個數量級，所以間距的變化對隧道電流的反應是十分敏感的。當針尖在樣品表麵掃描時，間距則隨樣品表麵起伏不平的形貌而變化，因而隧道電流也隨之發生改變，記錄變化的隧道電流，就可獲得樣品表麵的形貌特征，達到觀察樣品表麵原子結構圖像的目的。
掃描隧道顯微鏡的探針是非常尖銳的，其曲率半徑為0.1～0.01μm，而且它的真正探頭是電子雲，當產生隧道電流時，探頭的頂端便自動形成1個單原子的電子雲，從而達到0.2 nm的橫向分辨率、0.005 nm的深度分辨率，因此可獲得極高的三維分辨率，直接繪出幾百萬至幾千萬倍的三維圖像。
掃描隧道顯微鏡要求被觀察的樣品必須具有導電性（探針和樣品之間形成電路才能產生隧道電流），因此對生物樣品的觀察受到了限製。1985年原子力顯微鏡問世，它的優點及特性在於可應用於無論是導電或非導電性的樣品。其基本原理是將探針安置在懸臂上，用一束激光打在懸臂上，當探針在樣品上掃描時，由於樣品表麵的原子結構的起伏不平，懸臂也隨之起伏，激光束反射也就跟著起伏，通過光測器將之接收並放大，便可獲得樣品表麵起伏的原子結構圖像。由於原子力顯微鏡對於生物樣品觀察更直接、更方便，因而迅速在生物醫學領域中得到了應用。
二、實際應用與前景
掃描探針顯微鏡的特性與優點是：①可對小到10-9 m的物體進行觀測；②具有獲得微小物體三維空間圖像的能力；③可對10-9 m水平物體表麵的理化特性進行檢測；④可在不同的環境下，如在常溫空氣、真空、高壓及液體中等進行觀測。
1992年以來通過應用掃描探針顯微鏡，人們在直觀下對活體細胞的認識出現了突破性進展。美國斯坦福大學的Braunstein和Spudich獲得了活細胞細胞核孔的掃描探針顯微鏡圖像，並在核孔中心觀察到核內外離子交換的通道並測得通道的直徑為40 nm，深度為2 nm。Binnig研究小組在掃描探針顯微鏡下直接觀察到了常規培養液中猴腎細胞被水痘病毒感染的全過程，真實地反映了病毒感染細胞整個過程中的一係列變化。Parpura等則用掃描探針顯微鏡對神經元和膠質細胞在活體狀態下胞膜下微絲的運動進行了觀察。由於圖像直觀，可應用於活體動態觀察等條件，因而提出了納米外科學（nanery）的概念，即對細胞進行納米級的人工操縱，以達到對病理細胞進行“手術”的目的。有人預言，在掃描探針顯微鏡下閱讀人體基因圖的日子已為期不遠了。人們將在掃描探針顯微鏡下直接地觸知，而不是通過分子生物學方法來探測人體基因是否正常。掃描探針顯微鏡的問世將伴隨著生物醫學的革命性進展，對目前仍所未知的疾病，如腫瘤、心血管疾病，將通過掃描探針顯微鏡揭開其中的奧秘。一個以掃描探針顯微鏡為標誌的，直接觀察原子世界的新時代即將到來。