对于生物体来说，其最重要和最核心的功能单位非蛋白质莫属。生物体的功能和各种生命活动，基本都是通过蛋白质来实现的。
每一个蛋白质都是一个长串的氨基酸单分子链，由20种氨基酸按照不同的次序排列而成。
这个单分子链在三维空间中的进一步折叠形成了不同的蛋白质结构。
生物体中的蛋白质就好像是一个个分子机器，多数具有特定的结构，来实现催化、运动或信号传导等功能。
这些蛋白质的三维结构通常非常复杂，常常随周围环境的变化而变化，很多时候还要受到其他蛋白质分子机器或者各种小分子的精确调控。
例如，霍乱菌表面的分泌系统，通常由十几个蛋白质组成，在细菌的内外膜上形成一个孔道，选择性地将霍乱毒素分泌到细胞外，用来攻击宿主细胞。
这样一个大的蛋白质机器由十几种不同的蛋白质分子组成，包含了几十万个原子，其中几个原子的变化或者一个氨基酸的改变(突变)都有可能造成整个蛋白复合物的结构变化，进而造成其功能改变甚至失去活性。
由此可见这种分子机器的精密程度之一斑。
然而，如何看到这些精密组合在一起的原子，一直以来都是对显微技术的挑战。
原子的尺度大小在十分之一纳米的数量级上，度量单位为埃。
普通光学显微镜的有效放大倍数或者说分辨率，受可见光波衍射极限的限制，最多只能达到零点几微米。
要提高分辨率，就必须缩短波长至与原子尺寸相当的尺度。
可见光做不到，就只能寻找波长更短的光波。
X射线具有合适的波长，但是很难找到一个透镜能让X射线折射并且成像。
因此，人们不得不采用间接的晶体学衍射方法，才能用X射线探测物质的原子结构。
但衍射方法仅限于能形成晶体的分子。
对于蛋白质或者生物大分子来说，虽然其中少部分可以在特殊的条件下结晶并满足X射线衍射方法的要求，但是大部分较大的分子(比如分子量大于100kDa的分子)经常很难或者无法形成晶体。
而且结晶的过程会使生物大分子完全脱离生理状态，无法反映其在生物体中的真实状态。对于细胞或者细胞器这种更大的复杂结构体，结晶的方法就更加不可行了。
为了能够找到一种波长更短和容易操控的波，人们想到了电子。
20世纪30年代，法国物理学家德布罗意提出了物质的波粒二象性理论，认为基本粒子在被加速到接近光速的情况下，其粒子统计行为呈现出波动性。
作为最容易获得和操控的基本粒子，电子在经过电场加速到接近光速之后，可以被当作“光波”用于显微成像。
而经过精确设计的具有特定形状的磁场可以被用来当作凸透镜。
随着电子光源和电磁透镜技术的发展，在随后的一二十年里，人们已经能用电子显微镜观察到接近原子分辨率的金属或无机晶体的原子结构。
然而，当人们第一次用电子显微镜来观察生物样品(棉花纤维)的时候，发现生物样品在高能电子束的轰击之下，很快就被破坏掉了，更不用谈观察精细的原子结构了。
同时，因为电子与物质的强烈相互作用，电子显微镜的光路只有在高真空里，才能保证电子束能传播足够长距离来成像，而不在传播过程中被空气吸收掉。