透射電子顯微鏡

電子顯微術的主要電子光學儀器。主體部分是電子透鏡和顯像記錄系統，由置於真空中的電子槍、聚光鏡、物樣室、物鏡、衍射鏡、中間鏡、投影鏡、熒光屏和照相機等組成。與光學顯微鏡的結構完全類似（見圖）。

透射電子顯微鏡的工作原理是一單色、單向、均勻而高速的微電子束，用薄試樣相互作用時，束中的部分電子激發出與試樣相關的二次電子、背散射電子、特徵X射線和俄歇電子等信息。穿過試樣的電子束，被散射偏離原有方向的叫散射電子束，未被散射的叫透射電子束。這兩類電子束皆可用於成像。能獲得襯度完全相反的兩種像──取透射電子束經過物鏡聚焦的像叫明場像；取散射電子束經過物鏡聚焦的像叫暗場像。再經過中間鏡和投影鏡的多級放大，最終將欲觀測的圖像呈現在熒光屏上。

現代的高解析度透射電鏡，能分辨0.1納米以下的微細物質結構，放大倍數可達100萬餘倍。這種電鏡適用於晶體結構和缺陷的直接成像，即能觀測原子或原團的排列，又能確定其所處的空間位置。另一類配有X射線能譜儀、電子能量損失譜儀、俄歇電子譜儀和掃描附件等的分析型電鏡，可用於小至直徑 4納米範圍內的晶體形態、成分和結構的分析。地質學中用於微細礦物，如粘土礦物的形態觀察與鑒定；微細礦物的顯微雙晶、出溶、相變和位錯研究等。

在光學顯微鏡下無法看清小於0.2µm的細微結構，這些結構稱為亞顯微結構（submicroscopic structures）或超微結構（ultramicroscopic structures；ultrastructures）。要想看清這些結構，就必須選擇波長更短的光源，以提高顯微鏡的解析度。1932年Ruska發明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM），電子束的波長要比可見光和紫外光短得多，並且電子束的波長與發射電子束的電壓平方根成反比，也就是說電壓越高波長越短。目前TEM的分辨力可達0.2nm。

電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場作透鏡。另外，由於電子束的穿透力很弱，因此用於電鏡的標本須製成厚度約50nm左右的超薄切片。這種切片需要用超薄切片機（ultramicrotome）製作。電子顯微鏡的放大倍數最高可達近百萬倍、由電子照明系統、電磁透鏡成像系統、真空系統、記錄系統、電源系統等5部分構成。

大型透射電鏡

大型透射電鏡（conventional TEM）一般採用80-300kV電子束加速電壓，不同型號對應不同的電子束加速電壓，其解析度與電子束加速電壓相關，可達0.2-0.1nm，高端機型可實現原子級分辨。

低壓透射電鏡

低壓小型透射電鏡（Low-Voltage electron microscope, LVEM）採用的電子束加速電壓（5kV）遠低於大型透射電鏡。較低的加速電壓會增強電子束與樣品的作用強度，從而使圖像襯度、對比度提升，尤其適合高分子、生物等樣品；同時，低壓透射電鏡對樣品的損壞較小。

解析度較大型電鏡低，1-2nm。由於採用低電壓，可以在一台設備上整合透射電鏡、掃描電鏡與掃描透射電鏡

冷凍電鏡

冷凍電鏡（Cryo-microscopy）通常是在普通透射電鏡上加裝樣品冷凍設備，將樣品冷卻到液氮溫度（77K），用於觀測蛋白、生物切片等對溫度敏感的樣品。通過對樣品的冷凍，可以降低電子束對樣品的損傷，減小樣品的形變，從而得到更加真實的樣品形貌。