電子顯微鏡(electron microscopy，EM) 簡稱電鏡，經過五十多年的發展已成為生物學、醫學、化學、農林和材料科學等領域進行科學研究的重要工具，是人類認識自然，特別是研究機體微細結構的重要手段，電鏡技術已成為上述各領域研究工作者應掌握的一項基本技能。電鏡的創制者魯斯卡(E.Ruska)教授因而獲得了1986年諾貝爾獎的物理獎。
與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。電子與物質相互作用會產生透射電子、彈性散射電子、能量損失電子、二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發光和電動力等等。
電鏡就是利用這些信息來對試樣進行形貌觀察、成分分析和結構測定的。電鏡有很多類型，主要有透射電鏡 (transmission electron microscope，TEM) (簡稱透射電鏡)和掃描電鏡 (scanning electron microscope，SEM) (簡稱掃描電鏡)兩大類。本文僅討論在生物醫學領域使用廣泛的透射電鏡和掃描電鏡。
透射電鏡和光學顯微鏡最基本的原理是相同的，顯微放大過程基本相似，電鏡的光路和部件術語基本一樣。不同的是，電鏡的照明源不是可見光而是電子束；透鏡也不是玻璃而是軸對稱的電場或磁場，電鏡的總體結構、成像原理、操作方式等與光學顯微鏡有著本質上的區別。
一、基本結構
透射電鏡由電子光學系統、真空系統和電子學系統三大部分組成。
(一)電子光學系統
電子光學系統即電鏡的鏡體，基本上是一個電子透鏡系統，一端是電子源，另一端是觀察和記錄系統，中間是安裝樣品的裝置(圖19-1)。
1． 照明系統 由電子槍和聚光鏡組成。其作用是為成像系統提供一個亮度高、尺寸小、高穩定的照明電子束。
電子槍是電鏡的照明源，由燈絲陰極、柵極 (或稱韋氏圓筒)和加速陽極組成(圖19-2)。
聚光鏡的作用是將來自電子槍的電子會聚到樣品上，通過它來控制照明電子束斑大小，電流密度和孔徑角。
2．成像系統 包括樣品室、物鏡、中間鏡和投射鏡（或兩個中間鏡或兩個投射鏡構成4～5個透鏡系統）。
（1）樣品室：室內有樣品臺，電鏡的樣品載于載網上，載網放在樣品架(或稱樣品筒)上。
（2）物鏡：其作用是形成樣品的第一級放大像和通過調節物鏡線圈的激勵電流，相應地改變物鏡的焦距從而對像進行聚焦。物鏡是電鏡的最關鍵部分，由它獲得第一幅具有一定分辨本領的電子放大像。物鏡中任何缺陷都將被成像系統其他透鏡進一步放大。因此，電鏡的分辨本領主要取決于物鏡的分辨本領。
（3）中間鏡和投射鏡：中間鏡的作用是把物鏡形成的一次放大像或衍射花樣投射到投射鏡的物平面上，再由投射鏡放大投射到熒光屏上而獲得終像。
投射鏡的作用是把中間鏡形成的二級放大像再放大投射到熒光屏上，從而形成終像。
3．像的觀察和記錄系統 在投射鏡下面是像的觀察和記錄系統。
在熒光下面是照相暗盒，它和電磁快門、曝光表組成像的記錄系統，用于把終像拍攝記錄下來。現代透射電鏡一般還配備有CCD相機，實現數字化成像，結合相關的軟件還可以進行圖像的分析處理。
二、基本原理
(一) 分辨本領與放大倍數
分辨本領是指能夠分辨物體上兩點之間的最小距離。光學顯微鏡與電鏡的分辨率相差達1000倍，因為光鏡的分辨本領受到衍射效應的限制。當光線從一點出發透過顯微鏡時，所成的像不再是一點而是一個周圍帶有陰影的光斑。如果物體上兩個質點靠得很近，所成的像就可能分辨不清。也就是說，光的波動性給光學顯微鏡規定了一個分辨本領的限制。光鏡的分辨本領最終只能達到約為照明波長的0.4倍。
放大倍數是指物體經過儀器放大后的像與物的大小之比。放大了的像還可多次放大，但到一定限度后繼續放大時便不能增加細節，這是分辨本領的限制所致。不能增加圖像細節的放大倍數稱為空放大，而與分辨本領相應的最高放大倍數稱為有效放大倍數，為眼的分辨本領與儀器的分辨本領之比。
(二)電子波（束）特性
為了提高顯微鏡的分辨本領，就需要尋找波長更短的光波作照明。1924年法國學者德.布羅依(De.Broglie)等人創立了波動力學，提出了物質波的概念，指出高速運動的粒子不僅具有粒子性，而且具有波動性。這個假設不久就為電子衍射實驗所證實。衍射是波動的特性，高速運動的電子能發生衍射，證明它是一種波。它具有波動所具有的共同特征量——波長、頻率、振幅、相位等，并且服從于波動的規律。
(三)磁透鏡的光學性質和聚焦原理
電鏡實質上是電子透鏡的組合。電子透鏡有靜電透鏡和磁透鏡二種。
磁透鏡的聚焦原理：電子在進入磁場后受到磁場(洛倫茲力)作用，使電子束產生兩種運動——旋轉和折射，而電子在磁場中的旋轉與折射是各自進行的。因此，在討論磁透鏡的聚焦作用時就可以暫不考慮電子的旋轉，這樣，電子在磁透鏡的折射與光通過玻璃凸透鏡的聚焦作用相似了。正如玻璃凸透鏡可用于放大成像一樣。磁透鏡也能用于放大成像，而且還可以借用幾何光學中的光線作圖法與術語，如用焦點、焦距、物距、像距等概念來描述電子在磁透鏡的運動軌跡。
三、超薄切片技術
透射電鏡的成像是由一定強度的電子束透過標本而成像。由于電子射線的穿透能力比較低，電鏡又具有很高的分辨率和放大率，因此, 電鏡標本需要厚度在0.03～0.05μm的超薄切片，以獲得高分辨的超微結構圖像。
超薄切片制作過程包括取材、固定、脫水、滲透、包埋、聚合、切片和染色等幾個環節。
（一）取材
取材是超薄切片技術的關鍵環節。由于生物組織離體后，細胞將會立即釋放出各種水解酶引起細胞自溶，使細飽內部微細結構發生變化。因此，為盡可能避免產生人工假像，取材時有以下要求：
1． 取材要快，一般要求在1min內把組織塊浸入固定液。
2． 組織塊要小，一般切成0.5～1.0mm。
3． 所用固定液及容器須預冷，以降低離體細胞內水解酶的活性，盡可能減少細胞自溶。
4． 由于電鏡觀察視野小，具有很大的局限性，所以，選擇部位要準確可靠。
5． 切割組織的刀、剪必須鋒利干凈，避免拉、鋸、壓等動作造成細胞損傷。
（二）固定
1. 固定的作用 標本固定在于：
①破壞細胞的酶系統，阻止細胞的自溶；
②穩定細胞物質成分，如核酸、核蛋白，糖類和脂類，使之發生交聯，減少或避免抽提作用，以保存組織成分；
③在一些細胞組分之間以化學反應和物理反應建立交聯，以提供一個骨架來穩定各種細胞器的空間構型；
④能提供一定的電子反差。
2. 常用的固定劑 理想的固定劑須具備的條件有：
①能迅速滲入組織細胞內，盡快固定細胞以減少組織自溶；
②能穩定細胞各種結構成分，使其在脫水、滲透及包埋等過程中不溶解和丟失；
③避免細胞結構膨脹或收縮，以保證獲得真實結構的電鏡圖像；
④能保存酶的活性以供電鏡細胞化學研究。目前尚未找到一種能滿足上述全部功能的理想固定劑，較理想和常用的固定劑有四氧化鋨、醛類、高錳酸鉀等。
（1）四氧化鋨 (Osmium tetroxide)俗稱鋨酸，為一種強的氧化劑，呈淺黃色結晶，其分子式OSO4，熔點41℃，沸點131℃，在水中的溶解度為7.24%(25℃) 。其水溶液為中性，有極大的毒性。
（2）戊二醛(glutaraldehyde)分子式為C5H8O2。市售的戊二醛通常是25%或50％的水溶液，其pH為4.0~5.0, 并保存在低溫處, 且不宜存放時間過長。
（3）高錳酸鉀是一種強的氧化劑，對磷脂蛋白類有特別良好的固定作用。可用于保護細胞的膜相結構，如細胞膜、內質網等。尤其是對神經髓質效果更為顯著，但對于胞內的顆粒性或纖維狀結構幾乎不能固定。常用于植物葉綠體結構及神經纖維結構的研究。
3. 固定方法 目前，用于生物樣品超薄切片技術的主要固定方法是化學固定法。采用戊二醛 (或戊二醛+多聚甲醛)固定l～3h后，經相應的緩沖液沖洗，再用1%鋨酸后固定1～2h。
生物樣品有多種多樣，對于不同的材料和組織部位，其固定方式是不同的。
（1）浸泡固定：適用于一些能允許在短時間內停止供血而仍保持其功能和結構的器官或組織，以及一些病理檢查的樣品。其方法是經解剖 (或手術)盡快從機體中取出所需組織，并按取材要求，把組織切成小塊，放入小瓶子內作常規雙重固定。
（2）血管灌注固定：適用于取材較復雜或對缺氧較敏感的器官或組織，須采用血管灌注固定。可根據動物的大小選用全身灌注或局部灌注的方式。