电子显微镜是一种使用加速电子束而非可见光来观察样品的显微镜。电子透镜控制电子束，探测器则记录电子束与物质相互作用产生的信号。加速电子的波长很短，因此能够获得远高于常规光学显微术的空间分辨率。不同类型的仪器可以揭示样品的表面特征、内部结构、晶体排列或化学组成；配备适当的系统在合适条件下能够分辨单个原子。(jeol.com)
物理原理与仪器构成
电子显微术以量子力学所描述的粒子波动性为基础。德布罗意波长与电子的动量成反比。因此，提高加速电压会缩短电子波长：在200千伏的加速电压下，电子波长约为0.0025纳米，远短于可见光波长。不过，波长本身并不能决定仪器的实际分辨能力；透镜缺陷、样品性质和成像条件也同样重要。(jeol.com)
电子枪通过加热发射体，或在尖端施加强电场来产生电子。静电透镜和利用磁场工作的透镜负责聚焦电子束并控制其方向。聚光镜调节照明，物镜和投影系统则控制图像的形成。电子镜筒通常在真空条件下工作，以尽量减少电子与气体分子的碰撞。图像可以通过荧光屏或电子探测器记录。(jeol.com)
主要类型
透射电子显微镜（TEM）。 透射电子显微镜使电子穿过可被电子透射的样品。透射电子和散射电子形成样品内部结构沿厚度方向的投影图像。图像衬度可来自厚度、组成、衍射或电子波相位的差异。透射电子显微镜还可以记录衍射图样，以提供晶体结构信息。样品厚度必须与材料性质和加速电压相适应；许多制备好的样品厚度低于约100纳米。(jeolusa.com)
扫描电子显微镜（SEM）。 扫描电子显微镜用聚焦电子探针逐点扫描样品，并将测得的信号强度赋予图像中相应的位置。二次电子尤其适合显示表面形貌。背散射电子可提供与组成有关的衬度，但几何形状及其他因素也会影响其强度。由于明暗变化和较大的景深，扫描电子显微镜图像往往呈现三维立体感，但单幅图像并不等于完整的三维测量结果。(jeol.com)
扫描透射电子显微镜（STEM）。 扫描透射电子显微镜将扫描探针与可透射电子的薄样品结合使用。探测器收集穿过各个受照位置或被其散射的电子。环形暗场成像可以显示原子柱，而能谱探测器则可进行局部化学测量。同一台仪器可能同时具备透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜两种工作模式。(nist.gov)
样品制备与低温方法
样品制备是测量不可分割的一部分。常规生物透射电子显微术通常涉及化学固定、脱水、树脂包埋和超薄切片。重金属染色通过增强电子散射来提高衬度。这些处理使细胞精细的内部组织结构变得可见，但所得图像呈现的是经过处理的样品，而非未经处理的活体系统。(histology.leeds.ac.uk)
扫描电子显微镜的样品制备通常需要干燥；对于绝缘样品，还需覆上一层薄的导电涂层，以减少电荷积累。变压型和环境型仪器允许某些样品在较少制备的情况下接受观察，不过，工作条件会影响可获取的信号和分辨率。(jeol.com)
冷冻电子显微术在低温度下保存样品。在许多生物学应用中，快速冷却使水转变为玻璃态冰，避免形成较大的冰晶，从而保留水合结构，以便在真空中观察。通过图像处理整合大量粒子图像，可以生成蛋白质或分子组装体的三维模型。雅克·杜博歇、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森因发展了这种测定生物分子高分辨率结构的方法，获得2017年诺贝尔化学奖。(nobelprize.org)
分析能力与应用
电子显微镜可以将成像与光谱学分析结合起来。能量色散X射线光谱法探测样品受电子照射后发出的特征X射线，以识别元素并绘制其分布图。电子能量损失谱法测量透射电子损失的能量，可提供元素组成和化学键的信息。电子衍射通过探测晶体的有序性和取向，为图像提供补充信息。(jeol.com)
电子显微镜的应用包括研究半导体结构、界面、颗粒和晶体缺陷，以及细胞组织结构和生物大分子。将结构测量与化学测量相结合，可以把某一特征的形貌与其组成联系起来，而不必仅凭图像衬度进行解释。(nist.gov)
分辨率、局限性与历史发展
放大倍率与分辨率是两个不同的概念：放大图像无法恢复从未被记录下来的细节。像差校正电子光学系统能够减少透镜引起的模糊；专门设计的扫描透射电子显微镜可达到低于0.1纳米的分辨率，并分辨单个原子。这种性能取决于样品和测量配置，并非所有电子显微镜都具备。(nist.gov)
电子照射可能损伤敏感材料，从而限制可用的照射量和能够获取的细节。常规生物样品制备具有破坏性，而冷冻虽然能保存结构，却不能消除电子束损伤。因此，样品制备和电子剂量是关键限制因素，在生物显微术中尤其如此。(histology.leeds.ac.uk)
恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔于1931年研制出早期电子显微镜原型；鲁斯卡随后继续研究，并于1933年制成了分辨率超过光学显微镜的仪器。商用扫描电子显微镜于1965年问世。鲁斯卡因在电子光学方面的工作以及对第一台电子显微镜的设计，获得了1986年诺贝尔物理学奖的一半。(nobelprize.org)