Die Immunmarkierung ist ein Verfahren, das die Lokalisierung eines Antigens in einer Probe ermöglicht. Im ersten Schritt bindet der primäre Antikörper (spezifisch) an das gesuchte Antigen. Im zweiten Schritt erfolgt die Zugabe eines Gold-markierten sekundären Antikörpers, der an den primären Antikörper bindet. Die Goldpartikel sind im Elektronenmikroskop gut sichtbar und geben Rückschlüsse über die Verteilung des Antigens in der Probe. Durch die Verwendung verschiedener sekundärer Antikörper mit unterschiedlichen Größen der Goldpartikel sind auch Mehrfachmarkierungen möglich.

Vor der Immunmarkierung muss die Probe entsprechend vorbereitet werden. Wichtig ist hierbei, dass das Antigen dabei nicht maskiert wird.
Im LEM kann die Immunmarkierung entweder an (a) Kryoschnitten oder (b) Harzschnitten durchgeführt werden.

(a) Immunmarkierung an Kryoschnitten

Die Probe wird zunächst mit Paraformaldehyd und einer für das Antigen noch tolerierbaren Konzentration an Glutaraldehyd, die vorher mittels Westerblot ermittelt wurde, fixiert. Nach dem Zusatz kryoprotektiver Substanzen wird die Probe in flüssigem Stickstoff (-196 °C) eingefroren und anschließend mittels Kryo-Ultramikrotom im gefrorenen Zustand geschnitten. In einer Methylcellulose-Saccharose-Mischung werden die Schnitte auf die Trägernetzchen überführt. Die anschließende Immunmarkierung beginnt mit der Blockierung von Aldehydgruppen und unspezifischen Bindungsstellen. Dann folgen die Inkubation mit dem primären Antikörper und dem Gold-markierten sekundären Antikörper mit zwischenzeitlichen Waschschritten. Abschließend werden die Kryoschnitte mit Methylcellulose stabilisiert und gleichzeitig mit Uranylacetat kontrastiert.

(b) Immunmarkierung an Harzschnitten

Für diese sogenannte post-embedding-Methode wird die Probe zunächst chemisch fixiert, entwässert und in einem für die Immunmarkierung geeigneten Harz eingebettet. Nach der Polymerisierung werden unter Nutzung eines Diamantmessers mittels Ultramikrotom 50 – 70 nm dicke Schnitte von der Probe angefertigt, die anschließend auf Trägernetzchen überführt werden. Danach erfolgt die Immunmarkierung mit dem primären und anschließend mit dem Gold-markierten sekundären Antikörper. Abschließend wird die Probe mit Uranylacetat (und Bleicitrat) kontrastiert und steht dann für die Transmissionselektronenmikroskopie zur Verfügung.