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I microscopi: nozioni, differenze e curiosità

Il microscopio è lo strumento che consente di osservare oggetti piccoli e vicini a forte ingrandimento.

Il microscopio ottico fu inventato tra il XVI e il XVII secolo; la sua paternità è controversa, ma la maggior parte delle fonti la attribuisce all’olandese Zacharias Jansen, che avrebbe costruito il primo esemplare nel 1595.
Per l’invenzione del microscopio elettronico, invece, che vanta prestazioni di gran lunga superiori a quello ottico, si è dovuto aspettare la messa a punto della tecnologia elettronica: la sua invenzione risale al 1931.

Ogni microscopio ha come costituenti fondamentali un obiettivo ed un oculare.
La distanza tra oculare e oggetto dell’osservazione è invariabile in qualsiasi tipo di microscopio, la messa a fuoco dell’oggetto avviene attraverso spostamento del sistema ottico utilizzato.
L’oggetto (o preparato o provino), viene per lo più ridotto in una lamina sottile e posto su una lastrina di vetro (vetrino) ed illuminato dal basso tramite un condensatore ottico (illuminazione per trasparenza o a campo chiaro) oppure lateralmente (illuminazione in campo scuro).
Per ottenere una maggiore risoluzione può essere aggiunto, tra il preparato e l’obiettivo, un liquido rifrangente (obiettivo a immersione).

Esistono sostanzialmente 2 tipologie di microscopi:
i MICROSCOPI BIOLOGICI e gli STEREOMICROSCOPI.

I microscopi biologici hanno ottiche in grado di raggiungere ingrandimenti elevati, dai 20x fino a 1000x o anche 2000x (virtuali) nel caso di strumenti più professionali.
Proprio per questo essi si prestano all’osservazione di cellule, funghi, batteri, polline, e comunque di vetrini preparati. Non sono adatti all’osservazione di corpi opachi o con spessore elevato.
Esistono sia biologici monoculari (si osserva con un solo occhio), binoculari (si osserva con entrambi gli occhi) e trinoculari (per l’aggiunta di videocamera o macchina fotografica), ma comunque l’immagine non risulterà tridimensionale, in quanto l’obiettivo di osservazione è singolo.

Gli stereomicroscopi sono caratterizzati da una visione 3D di ciò che si sta osservando in quanto sono dotati di coppie di obiettivi e oculari che lavorano simultaneamente dando una visione realistica del soggetto.
Di solito questi tipi di strumenti hanno ingrandimenti che variano da 10x a 90x, ma possono arrivare fino a 180x nel caso di strumenti più sofisticati e per scopi professionali.
Gli stereomicroscopi sono adatti all’osservazione di insetti, foglie, pietre e comunque oggetti opachi e dotati di un certo spessore. Sono molto utili anche per osservazione di circuiti elettronici, fibre o tessuti.

Vari tipi di microscopi biologici

Microscopio monoculare
Microscopio composto dotato di un tubo ottico che permette all’osservatore di guardare con un solo occhio.

Microscopio binoculare
Microscopio composto dotato di due tubi ottici che permettono all’osservatore di guardare con entrambi gli occhi. Alcuni tipi particolari di microscopi binoculari, detti stereoscopici, consentono una migliore visione tridimensionale degli oggetti.

Microscopio invertito
Particolare tipo di microscopio composto, proposto verso il 1850, nel quale il preparato è illuminato dall’alto e osservato dal basso (quindi da qui il nome "invertito" ovvero rovesciato).
Sotto il preparato si trova infatti un prisma che riflette i raggi luminosi nel tubo ottico. Grazie a questo accorgimento è possibile osservare reazioni chimiche senza che i gas o le effervescenze da esse generate disturbino la visione. Per tale ragione i microscopi di questo tipo sono anche detti chimici. Adatto anche alla visualizzazione di preparati in capsule petri o fiasche per la coltura dei tessuti.

Microscopio polarizzatore
Microscopio composto nel quale è possibile far passare attraverso il preparato un fascio di luce polarizzata generata da un apposito prisma (ad esempio di Nicol). Un prisma analogo inserito nell’oculare funge da analizzatore. I microscopi di questo tipo sono spesso utilizzati in cristallografia e mineralogia per studiare le strutture cristalline grazie alle particolari immagini e colorazioni da esse fornite quando sono attraversate dalla luce polarizzata.

Microscopio a contrasto di fase
Il microscopio a contrasto di fase sfrutta l’interferenza tra la luce diretta proveniente dalla sorgente e quella diffratta (deviata) dal preparato, per far risaltare meglio i particolari del campione. Un dispositivo di forma anulare riduce l’intensità della luce diffusa e, contemporaneamente, introduce uno sfasamento di un quarto di lunghezza d’onda tra due raggi paralleli incidenti sul campione.
Particolarmente indicato per lo studio di tessuti biologici, questo tipo di microscopio trova largo impiego in biologia e in medicina; presenta infatti il vantaggio di non dover ricorrere a colorazioni artificiali, consentendo l’osservazione di preparati viventi.

Microscopio a campo chiaro
Nella microscopia in campo chiaro a luce riflessa, la luce colpisce i particolari piatti nel campione (perpendicolari all’asse ottico) e viene riflessa nell’obbiettivo dove appare chiara nell’immagine. Il contrasto è ottenuto in presenza di variazioni significative di assorbimento e riflessione della superficie piatta. La luce che colpisce zone non piatte della superficie viene deviata e appare scura nell’immagine. Questo permette di ricostruire la microstruttura in modo indiretto. Specifici trattamenti superficiali (chimici e meccanici) permettono di evidenziare ciò che si vuole ottenere dall’analisi (fasi, grani, geminati, inclusioni, dislocazioni, etc…)

Microscopio a campo scuro
L’illuminazione in campo scuro produce l’inverso del contrasto di immagine che si ottiene dall’analisi in campo chiaro. La luce che viene deviata viene raccolta ed appare chiara nell’immagine, mentre la luce che si riflette direttamente non dà alcun contributo nella formazione dell’immagine. Tuttavia per superfici che presentano inclinazioni locali, si può ottenere una riflessione che contribuisce all’immagine e produce macchie brillanti. Questa tecnica è perciò molto sensibile a irregolarità della superficie e particolari quali bordi di grano e geminati, linee di scorrimento, graffi, etc. Inoltre questa tecnica permette in alcuni casi di distinguere gli effetti di colore della microstruttura, che spesso non possono essere apprezzati nell’analisi in campo chiaro. L’illuminazione per la riflessione in campo scuro è ottenuta usando uno specchio a forma di anello che circonda il percorso del raggio luminoso e rimpiazza lo specchio semiriflettente.
Per l’utilizzo di un obiettivo a 100x, con la tecnica del campo scuro, è necessario un condensatore ad alta luminosità particolare.

Microscopio metallografico
Il microscopio metallografico differisce dal microscopio comune a causa del campione metallico usato.
I campioni metallici infatti non possono essere osservati per trasparenza, per la loro opacità, anche in sezione sottile e quindi vengono osservati per riflessione.
L’obiettivo del microscopio raccoglie non la luce che ha attraversato il campione ma la luce che è riflessa dal campione.
Il microscopio metallografico permette di vedere i costituenti di una lega quando, o dopo semplice pulitura, o più generalmente dopo un attacco, i costituenti stessi si differenziano per il colore, oppure quando ci sia un altorilievo, con conseguente effetto di luce ed ombra, oppure quando la superficie del campione sia costituita da tanti piccoli piani (le facce dei cristalli o grani che costituiscono la lega) diversamente orientati e che quindi riflettono in misura diversa la luce nell’obiettivo del microscopio. In questi due ultimi casi gli effetti di luce ed ombra variano e possono anche invertirsi variando l’angolo sotto il quale la luce colpisce il campione.

Stereomicroscopi

Stereomicroscopio
Lo stereomicroscopio è uno strumento che vi permette di vedere in tre dimensioni fotografie, disegni ed oggetti osservando il campione da due angoli leggermente diversi rispetto a quello biologico e ottenendo le due immagini necessarie per la visione stereoscopica.
Lo stereomicroscopio osserva gli oggetti principalmente per mezzo della luce riflessa e il suo ingrandimento, tipicamente compreso fra 8-50 volte, ed ha ingrandimenti inferiori di quelli del microscopio biologico; con questo strumento non è possibile osservare microbi, ma esistono una grande varietà di oggetti che si possono osservare con questo tipo di strumenti.
Anche se il minore ingrandimento dello stereomicroscopio può apparire una limitazione, esso ha invece i suoi vantaggi: infatti è adatto ad osservare oggetti che si possono già scorgere ad occhio nudo, come insetti, fiori, etc… e questo rende il suo impiego molto semplice.
Al contrario, con il microscopio biologico si devono osservare soltanto campioni minuscoli, invisibili ad occhio nudo; per tale ragione è spesso necessario effettuare delle complesse preparazioni dei campioni per poterli osservare.
Questa maggiore facilità d’uso rende lo stereomicroscopio più adatto ad iniziare i giovani alla natura.
E’ un microscopio diverso, adatto all’entomologia, alla mineralogia, alla botanica, quindi è largamente impiegato in numerosi campi di ricerca, come in medicina e chirurgia (inseminazione artificiale) e in numerosi settori della produzione industriale.

Illuminazione
Esistono diversi sistemi di illuminazione del campione, a seconda delle sue caratteristiche di trasparenza o opacità. I sistemi più utilizzati sono quello a trasmissione (o a campo chiaro) e a diffusione (o a campo scuro). Nel primo caso, la luce proveniente da una lampada a incandescenza che attraversa completamente il campione; nel secondo, colpisce il campione e ne viene diffusa. Più precisamente, nel sistema a diffusione il fascio incide sul campione lungo una direzione quasi perpendicolare all’asse dello strumento, per cui l’obiettivo raccoglie solo la luce diffratta (deviata) dal campione. Il risultato è che le parti libere del campione appaiono come un fondo scuro su cui risaltano i particolari in esame. La tecnica è particolarmente utile per l’osservazione di campioni biologici limpidi e trasparenti, e per oggetti talmente piccoli da risultare invisibili con il sistema di illuminazione normale.

DOMANDE PIU’ FREQUENTI SUI MICROSCOPI
1) Come si fa a calcolare l’ingrandimento di un microscopio?
2) Posso fare fotografie con il microscopio?
3) Esistono microscopi con camere digitali incorporate?
1) Come si fa a calcolare l’ingrandimento di un microscopio?
La formula è semplice: bisogna moltiplicare l’ingrandimento dell’obiettivo per l’ingrandimento dell’oculare.
Per esempio un obiettivo 4x unito ad un oculare 10x darà 40 ingrandimenti, mentre se utilizziamo un obiettivo 10x otterremo 100 ingrandimenti.
I microscopi stereo economici dispongono di un obiettivo a ingrandimento fisso (di solito 2x o 4x), mentre quelli di fascia superiore dispongono di obiettivi con 2 tipi ingrandimenti selezionabili (2x, 4x) o addirittura obiettivi zoom (ingrandimento regolabile da 0.65 a 4.5x).
I biologici hanno torrette multiple (da 4 o 5 obiettivi) con obiettivi standard 4x, 10x, 40x (e anche 100x sulle serie professionali).
Di solito gli oculari standard in dotazione sono 10x.
2) Posso fare fotografie con il microscopio?
E’ possibile utilizzare il microscopio per realizzare fotografie, qualora esso sia compatibile con adattatori fotografici.
Tutte le fotocamere reflex e le digitali più diffuse sono compatibili, anche se queste ultime necessitano di specifici raccordi.
I microscopi più avanzati dispongono di quella che si chiama "testa trinoculare" cioè due obiettivi più una torretta per il raccordo fotografico: in questo modo si può osservare e fotografare contemporaneamente.
I microscopi più economici dispongono di adattattori opzionali da applicare al posto dell’oculare.
3) Esistono microscopi con camere digitali incorporate?
Esistono diversi modelli sia stereo che biologici con camere digitali incorporate.
La maggior parte di essi dispone di camera CCD da 752×582 che permette di realizzare filmati o fotografie digitali del soggetto inquadrato dal microscopio. Altri di fascia superiore sono dotati di camera CMOS da 1,3 megapixel, che dona un’immagine più dettagliata e di maggiori dimensioni.
Ogni camera è venduta assieme al software di gestione; nel caso di videocamere da 752×582 il software consente di acquisire le immagini ed i video ed effettuare alcune elaborazioni; nel caso della videocamera ad alta definizione a 1,3 megapixel viene dato in dotazione il software ImageFocus che permette di acquisire immagini ad alta risoluzione a 1280×1024 pixel, di eseguire elaborazioni, misure micrometriche sugli oggetti osservati, e tanto altro…

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