超微结构（ultrastructure）指用光学显微镜仍看不清的更细小结构，一般用电子显微镜观察。电镜结构的识别是微观结构研究的基本功之一，其重要性丝毫不亚于光镜阅片。不少细微的损伤或病变，通过电镜能较早发现，而光镜水平的改变要晚许多（图1A）。电镜还能清晰显示病变发生在细胞的哪个部位，细胞器和分子分布是否异常，等等。
过去，超微结构与显微结构（光镜可见）的研究在技术条件上差别甚大。比如分辨尺度方面，光镜理论上只能达到0.2 μm，而生物电镜实际上可达到0.2 nm，二者之差约千倍。电镜最小的放大倍率通常为接近1000倍，这已经是光镜放大的最高倍率。光镜和电镜可观察的内容和研究所用的方法迥异。
不过，随着技术演进，特别是超高分辨率光学显微术和低压电镜的普及，光镜已能看清纳米级别的结构（图1B），而电镜也可用较小放大倍率观察更大的范围。就生物医学领域而论，两套技术之间的鸿沟有逐渐弥合的趋势。诸如线粒体、细胞骨架等结构，电镜和光镜下都能观察，统一用“显微”来描述未尝不可，再坚持将“显微”和“超微”形态截然分开就不合适了。所以，直接用“电镜”、“光镜”形态来描述观察的方法和尺度更为妥当。
图1 组织病变检测技术的时间和空间分辨能力 （A）不同实验技术用于病变检测的时间灵敏度比较；（B）光镜和透射电镜的分辨尺度比较（纵轴刻度非均匀分布）。
在电镜结构的观察实验中，透射电镜（transmission electron microscope，TEM）主要用来观察组织和细胞的内部结构。标本用于TEM观察的制片过程与光镜制片相似。TEM成像依赖电子束对标本断面的透射。微观结构阻挡和散射电子的能力强弱一般用电子密度的高低来描述。电子密度越高，阻挡和散射电子能力越强，成像更暗。TEM就是靠微观结构的电子密度差异来显示明暗不同的结构细节。标本结构要具有一定电子密度，必须在制备过程中用重金属盐处理，使锇、铀、铅等重金属元素成分结合到标本上，才能阻挡、散射电子。标本的不同结构可能被不同重金属结合，比如肺泡II型上皮细胞含有“嗜锇性”小体，就是指该小体的高电子密度是与锇结合的结果。生物形态学研究中，TEM的放大倍率大多为2000倍至50000倍，偶尔用更高倍率观察细胞连接、细胞骨架或染色质形态等。扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）主要用来观察标本表面的三维结构。用SEM观察的标本，须经过脱水干燥、表面喷镀等处理，使之能在入射电子的作用下“反射”出二次电子，呈现出标本表面的形态。虽然SEM的放大倍率和最小分辨尺度不及TEM，但二者各有用武之地，在生物医学研究中都发挥着重要作用（图2）。
图2 呼吸上皮表面的TEM和SEM成像 图像引自《Basic Histology》。
