La microsonda electrónica, también conocida como microanalizador de sonda de electrones, se desarrolló utilizando dos tecnologías: microscopía electrónica, el uso de un haz de electrones de alta energía enfocado para interactuar con un material objetivo, y espectroscopia de rayos X, la identificación de los fotones resultantes de la interacción del haz de electrones con el objetivo, con la energía/longitud de onda de los fotones característica de los átomos excitados por los electrones incidentes. Los nombres de Ernst Ruska y Max Knoll están asociados con el primer prototipo de microscopio electrónico en 1931. El nombre de Henry Moseley se asocia con el descubrimiento de la relación directa entre la longitud de onda de los rayos X y la identidad del átomo del que se originó.
Ha habido en varios hilos históricos a la técnica microanalítica de haz de electrones. Uno fue desarrollado por James Hillier y Richard Baker en RCA. A principios de la década de 1940, construyeron una microsonda de electrones, combinando un microscopio electrónico y un espectrómetro de pérdida de energía. En 1944 se presentó una solicitud de patente. La espectroscopia de pérdida de energía de electrones es muy buena para el análisis de elementos ligeros y obtuvieron espectros de radiación C-Ka, N-Ka y O-Ka. En 1947, Hiller patentó la idea de usar un haz de electrones para producir rayos X analíticos, pero nunca construyó un modelo de trabajo. Su diseño propuso utilizar la difracción de Bragg de un cristal plano para seleccionar longitudes de onda de rayos X específicas y una placa fotográfica como detector. Sin embargo, RCA no tenía ningún interés en la comercialización de esta invención.
Un segundo hilo se desarrolló en Francia a finales de la década de 1940. En 1948-1950, Raimond Castaing, bajo la supervisión de André Guinier, construyó la primera microsonda electrónica en ONERA. Esta microsonda produjo un diámetro de haz de electrones de 1-3 µm con una corriente de haz de ~10 nanoamperios (nA) y utilizó un contador Geiger para detectar los rayos X producidos a partir de la muestra. Sin embargo, el contador Geiger no podía distinguir los rayos X producidos de elementos específicos y en 1950, Castaing agregó un cristal de cuarzo entre la muestra y el detector para permitir la discriminación de longitud de onda. También agregó un microscopio óptico para ver el punto de impacto del haz. La microsonda resultante fue descrita en la Tesis doctoral de Castaing de 1951, traducida al inglés por Pol Duwez y David Wittry, en la que sentó las bases de la teoría y la aplicación del análisis cuantitativo por microsonda electrónica, estableciendo el marco teórico para las correcciones matriciales de los efectos de absorción y fluorescencia. Castaing (1921-1999) es considerado el «padre» del análisis de microsondas electrónicas.
La década de 1950 fue una década de gran interés en el microanálisis de rayos X de haz de electrones, después de las presentaciones de Castaing en la Primera Conferencia Europea de Microscopía en Delft en 1949 y luego en la conferencia de la Oficina Nacional de Estándares sobre Física de Electrones en Washington, DC, en 1951, así como en otras conferencias a principios y mediados de la década de 1950. Muchos investigadores, principalmente científicos de materiales, comenzaron a desarrollar sus propias microsondas experimentales de electrones, a veces comenzando desde cero, pero muchas veces utilizando microscopios electrónicos excedentes.
Uno de los organizadores de la conferencia de Microscopía Electrónica de Delft de 1949 fue Vernon Ellis Cosslett en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, un centro de investigación sobre microscopía electrónica, así como microscopía electrónica de barrido con Charles Oatley, así como microscopía de rayos X con Bill Nixon. Peter Duncumb combinó las tres tecnologías y desarrolló un microanalizador de rayos X de electrones de barrido como su proyecto de tesis doctoral (publicado en 1957), que se comercializó como el instrumento Cambridge MicroScan.
Pol Duwez, un científico belga de materiales que huyó de los nazis y se estableció en el Instituto de Tecnología de California y colaboró con Jesse DuMond, se encontró con André Guinier en un tren en Europa en 1952, donde se enteró del nuevo instrumento de Castaing y la sugerencia de que CalTech construyera un instrumento similar. David Wittry fue contratado para construir un instrumento como su tesis doctoral, que completó en 1957. Se convirtió en el prototipo de la microsonda electrónica ARL EMX.
A finales de la década de 1950 y principios de la década de 1960 había más de una docena de laboratorios en América del Norte, el Reino Unido, Europa, Japón y la URSS desarrollando microanalizadores de rayos X de haz de electrones.
La primera microsonda electrónica comercial, la MS85, fue producida por CAMECA (Francia) en 1956.. Pronto fue seguido a principios de la década de 1960 por muchas microsondas de otras compañías; sin embargo, todas las compañías excepto CAMECA , JEOL y Shimadzu Corporation están ahora fuera del negocio. Además, muchos investigadores construyen microsondas electrónicas en sus laboratorios. Las mejoras y modificaciones posteriores significativas a las microsondas incluyeron el escaneo del haz de electrones para hacer mapas de rayos X (1960), la adición de detectores EDS de estado sólido (1968) y el desarrollo de cristales de difracción multicapa sintéticos para el análisis de elementos ligeros (1984). Más tarde, CAMECA se convirtió también en el pionero en la fabricación de una versión blindada de la microsonda electrónica para aplicaciones nucleares. Varios nuevos avances en instrumentos CAMECA en las últimas décadas les permitieron ampliar su gama de aplicaciones en metalurgia, electrónica, geología, mineralogía, plantas nucleares, oligoelementos, odontología, etc.