在量子力学建立的初期，Feyneman梦想着能观察和操纵微观世界，但长期以来，人们对微观世界的研究都是基于系统平均的结果。直到20世纪80年代，随着扫描隧道显微镜、荧光探针、光镊技术等的出现，单分子科学的发展使人们实现了Feyneman的梦想。
单分子光谱是对单个分子的光谱分析，可以排除系统平均效应，有利于复杂环境中同种分子不同行为的分析。通过对单个分子进行研究，可以了解生物大分子构象变化的信息，观察微环境对单分子体系的影响，得到与分子微环境相关的信息。目前主要的技术手段包括生物大分子荧光光谱、单分子荧光能量转移谱、原子力显微镜结合的单分子间相互作用力测量、激光光钳和单分子轨迹追踪等。
荧光单分子检测技术是用荧光标记来显示和追踪单个分子的方法。1976年，Hirschfeld检测到标有80~100个发光团的单个抗体分子，开创了单分子检测的先河。1994年Moerner首次在水容器风干表面对单荧光团进行显像观测，1995年Funatsu等利用全内反射显微镜在水溶液中观察到单个荧光基团标记的蛋白质分子，并追踪其运动轨迹，真正实现了对单荧光分子的检测。由于荧光信号测量灵敏度高且光子对分子干扰最小，单分子荧光探测被广泛应用于单分子研究，尤其对于需观察细胞内单分子实时变化的细胞生物学研究，单分子荧光探测可能是最有效的技术。
单分子荧光探测要求在被照射的体积中只有一个分子与激光发生相互作用，并确保单分子信号大于背景的干扰信号。背景信号来自于Raman散射、Rayligh散射、溶剂中杂质、盖玻片的背景荧光和探测器的暗电流。因此，进行单分子探测需要激发容积小、高效的收集光学系统、灵敏的探测器、针孔装置、预漂白溶剂中杂质以及使用低荧光光学材料等方法清除背景荧光。
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