對于生物體來說，其最重要和最核心的功能單位非蛋白質莫屬。生物體的功能和各種生命活動，基本都是通過蛋白質來實現的。
每一個蛋白質都是一個長串的氨基酸單分子鏈，由20種氨基酸按照不同的次序排列而成。
這個單分子鏈在三維空間中的進一步折疊形成了不同的蛋白質結構。
生物體中的蛋白質就好像是一個個分子機器，多數具有特定的結構，來實現催化、運動或信號傳導等功能。
這些蛋白質的三維結構通常非常復雜，常常隨周圍環境的變化而變化，很多時候還要受到其他蛋白質分子機器或者各種小分子的精確調控。
例如，霍亂菌表面的分泌系統，通常由十幾個蛋白質組成，在細菌的內外膜上形成一個孔道，選擇性地將霍亂毒素分泌到細胞外，用來攻擊宿主細胞。
這樣一個大的蛋白質機器由十幾種不同的蛋白質分子組成，包含了幾十萬個原子，其中幾個原子的變化或者一個氨基酸的改變(突變)都有可能造成整個蛋白復合物的結構變化，進而造成其功能改變甚至失去活性。
由此可見這種分子機器的精密程度之一斑。
然而，如何看到這些精密組合在一起的原子，一直以來都是對顯微技術的挑戰。
原子的尺度大小在十分之一納米的數量級上，度量單位為埃。
普通光學顯微鏡的有效放大倍數或者說分辨率，受可見光波衍射極限的限制，最多只能達到零點幾微米。
要提高分辨率，就必須縮短波長至與原子尺寸相當的尺度。
可見光做不到，就只能尋找波長更短的光波。
X射線具有合適的波長，但是很難找到一個透鏡能讓X射線折射并且成像。
因此，人們不得不采用間接的晶體學衍射方法，才能用X射線探測物質的原子結構。
但衍射方法僅限于能形成晶體的分子。
對于蛋白質或者生物大分子來說，雖然其中少部分可以在特殊的條件下結晶并滿足X射線衍射方法的要求，但是大部分較大的分子(比如分子量大于100kDa的分子)經常很難或者無法形成晶體。
而且結晶的過程會使生物大分子完全脫離生理狀態，無法反映其在生物體中的真實狀態。對于細胞或者細胞器這種更大的復雜結構體，結晶的方法就更加不可行了。
為了能夠找到一種波長更短和容易操控的波，人們想到了電子。
20世紀30年代，法國物理學家德布羅意提出了物質的波粒二象性理論，認為基本粒子在被加速到接近光速的情況下，其粒子統計行為呈現出波動性。
作為最容易獲得和操控的基本粒子，電子在經過電場加速到接近光速之后，可以被當作“光波”用于顯微成像。
而經過精確設計的具有特定形狀的磁場可以被用來當作凸透鏡。
隨著電子光源和電磁透鏡技術的發展，在隨后的一二十年里，人們已經能用電子顯微鏡觀察到接近原子分辨率的金屬或無機晶體的原子結構。
然而，當人們第一次用電子顯微鏡來觀察生物樣品(棉花纖維)的時候，發現生物樣品在高能電子束的轟擊之下，很快就被破壞掉了，更不用談觀察精細的原子結構了。
同時，因為電子與物質的強烈相互作用，電子顯微鏡的光路只有在高真空里，才能保證電子束能傳播足夠長距離來成像，而不在傳播過程中被空氣吸收掉。