单分子荧光成像(single molecule fluorescence imaging)和原子力显微镜是活细胞体系中单分子研究的两种核心技术。

单分子荧光成像具有较高的时间分辨率，对细胞在生理活性条件下的检测比其他技术更为成熟，是目前用于活细胞中单分子研究的最重要的一种方法。与普通荧光技术相比，单分子荧光成像技术具有样品激发范围小、光子收集效率高、采用高量子产量高信噪比荧光基团及低本底荧光的特点。目前单分子荧光成像技术可以采用全内反式荧光显微镜(total internal reflection fluorescence microscope, TIRFM)和共焦激光扫描显微镜进行成像。目前已报道的活细胞单分子荧光成像在细胞生物学研究中的应用包括研究配体与受体的结合、蛋白质的聚合和解聚、蛋白、mRNA等生物大分子的动力学行为及蛋白、病毒的示踪等。

原子力显微镜能够在溶液和室温下进行操作，分辨率高，非常适合于在生理条件下显示生物分子的特异性相互作用。实现活细胞中分子（如受体-配体）的相互作用的单分子力测量一直是原子力显微镜的应用目标，但目前存在的困难有：细胞固有弹性的影响，目标分子易于从细胞膜上拉下来，受体-配体密度过低而难形成有效的相互作用，影响测力因素过多导致结果难以解释，以及针尖易被污染等。因此，尽管在单分子水平上的研究很多，但是真正在活细胞上实现的很少。近几年来，在活细胞原子力测量方面不断出现新的成果，主要集中在血液凝集、白细胞黏附等细胞黏附性质的研究上。

尽管活细胞单分子行为的研究目前仍处于起步和探索性阶段，其应用还主要限于简单的分子以及已经研究的比较成熟的简单生物学问题，但是不难看出活细胞单分子行为及实时检测研究是生命科学向微观世界深入探索的一个重要标志。

指在单分子水平上对生物分子的行为（构象变化、相互作用、相互识别等）的实时﹑动态检测以及在此基础上的操纵﹑调控等