SISTEMI DI MISURA DI LUNGHEZZE AL MICROSCOPIO: UN CONFRONTO
Maria Laura Balestrieri
((1), Giulio Bigazzi(2) , Ariadne Fonseca do Carmo(3) & Pio Norelli(2)(1)Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Pisa, via S. Maria 53, 56126 Pisa.
(2)Istituto di Geocronologia e Geochimica Isotopica, CNR, via Cardinale Maffi 36, 56127 Pisa.
(3)Departamento de Geologia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, av. Brigadeiro Trompowski s/n°, Ilha do Fundão, 21949-900 Rio de Janeiro (RJ), Brasile.
Recentemente è stato acquisito nell'Istituto di Geocronologia e Geochimica Isotopica di Pisa un nuovo strumento per la misura delle lunghezze delle tracce di fissione. Si tratta di un sistema tavoletta digitale - computer accoppiato alla "camera lucida". Questo accessorio consiste in un sistema ottico che sovrappone l’immagine della superficie della tavoletta, posta a lato del microscopio (nel nostro caso, un Jenaval della Jena, attualmente assorbita dalla Zeiss), all'immagine proveniente dall'obiettivo.
Altri strumenti disponibili nell'Istituto stesso per le misure delle lunghezze sono il tradizionale oculare micrometrico a filo mobile (nel nostro caso, un Leitz 16x) e il Microvid della Leitz. Lo scopo di questa nota tecnica è quello di discutere le caratteristiche, gli svantaggi e i vantaggi dei tre sistemi di misura.
Oculare micrometrico. Il filo mobile viene posto a contatto con l’estremità dell’oggetto del quale si vuole misurare la lunghezza. Viene quindi fatto muovere fino a raggiungere l’altra estremità: la lunghezza si legge sulla ruota micrometrica che comanda il movimento del filo. La misura risulta molto laboriosa. Ogni traccia deve essere centrata, l’oculare deve essere ruotato per mettere il filo in posizione ortogonale alla lunghezza da misurare. Ovviamente, l’acquisizione dei dati per l’elaborazione è manuale. L’oculare micrometrico, che ha il vantaggio del costo contenuto, è particolarmente adeguato per un numero limitato di misure.
Microvid. Si tratta di un accessorio messo a punto dalla Leitz (attualmente Leica). L’immagine proveniente dall’obiettivo è sovrapposta a quella di un piccolo monitor. Il mouse del computer muove una crocetta che viene portata sull’estremo dell’oggetto da misurare: un "clic" sul tasto del mouse e il trascinamento fino all’altro estremo produce un segmento la cui lunghezza appare sullo schermo del monitor. Si tratta di un sistema molto pratico e veloce. Le misure già eseguite restano nello schermo, così è possibile controllare se siano state eseguite correttamente e impedire che lo stesso oggetto venga misurato due volte. I dati vengono memorizzati in un file che viene elaborato dal software Microvid. Quest’ultimo è nettamente insufficiente: in pratica restituisce soltanto il numero delle misure, la media e la deviazione standard. Abbiamo però messo a punto un programma in gw basic che apre il file Microvid, calcola la media, la deviazione standard, il coefficiente di asimmetria e la curtosi. Distribuisce, inoltre, le misure in canali della larghezza desiderata, consentendo la costruzione dell’istogramma. La misura di un gran numero di tracce può essere eseguita in tempi relativamente brevi. E’ quindi possibile ottenere la distribuzione delle così dette "lunghezze proiettate" delle tracce di fissione in apatite, ritenuta significativa soltanto se costruita con migliaia di misure e quindi in pratica proibitiva con il tradizionale oculare micrometrico. Le lunghezze proiettate sono le proiezioni sulla superficie del campione delle lunghezze delle tracce che attraversano la superficie stessa; le "tracce confinate", che verranno citate in seguito, sono invece le tracce interamente contenute nel campione, attaccate attraverso altre tracce o fratture dei cristalli.
Il sistema Microvid ha anche altre applicazioni: si possono eseguire conteggi, misure di aree e di velocità. Si possono anche costruire e memorizzare reticoli personalizzati, particolarmente utili specialmente nel caso di determinazioni di età con il metodo del detector esterno, che consiste nel conteggio accoppiato delle tracce naturali in una certa area di un cristallo e delle tracce indotte nell’area corrispondente di un detector irraggiato a contatto col cristallo stesso.
Il Microvid è relativamente costoso, e resta legato al microscopio sul quale viene montato.
Tavoletta digitale. Il sistema è analogo al Microvid, e ha il vantaggio di essere molto più economico e di poter essere usato con qualunque microscopio dotato di "camera lucida". La misura si ottiene con due clic, centrando la crocetta del cursore sugli estremi dell’oggetto da misurare. I dati vengono memorizzati in un file che può essere elaborato dall’opzione "statistic" del software "trace", preparato all’Institut Dolomieu dell’Università di Grenoble, che lo ha fornito gratuitamente, o dal software preparato da noi stessi.
Anche la tavoletta si presta anche ad altre applicazioni (misure di aree, disegno di oggetti osservati al microscopio, conteggi), purché venga usato un software adeguato. Il costo è estremamente contenuto: la tavoletta usata da noi, una Kurta IS/ONE, una delle più costose del mercato, ha un prezzo inferiore al milione. Il software "trace", che apre la comunicazione con il computer e permette l’acquisizione dei dati, potrebbe essere però molto costoso, se ordinato ad una ditta di informatica. Ovviamente "trace" è specifico soltanto per la tavoletta Kurta IS/ONE, ma può essere adattato a qualunque tavoletta, modificando le istruzioni chiave che aprono la porta di comunicazione con il computer. Le modifiche che abbiamo apportato sulla tavoletta si sono rivelate particolarmente utili: un lead è stato inserito al centro della crocetta del cursore. In questo modo, la tavoletta può essere tenuta in penombra, e l’unico oggetto che si sovrappone all’immagine resa dall’obiettivo del microscopio è la luce, ad intensità regolabile, del lead. Inoltre la tavoletta, che ha una certa inclinazione, è stata messa in piano inserendola in un contenitore di plexiglass.
Questo strumento presenta però qualche svantaggio rispetto al Microvid. La rapidità delle misure è infatti inferiore, e le misure non restano visibili.
Sia nel caso dei files Microvid che dei files Kurta è possibile correggere e/o cancellare dati erronei con l’editor del DOS.
I tre metodi di misura sono stati messi a confronto sugli stessi campioni: i risultati di numerosi test hanno dimostrato che i risultati sono del tutto analoghi (un esempio è riportato in Fig. 1).
La precisione dei tre strumenti è potenzialmente molto elevata. Nell’ingrandimento utilizzato per la misura delle dimensioni delle tracce nel vetro (800x) e delle lunghezze nell’apatite (1600x), una divisione dell’oculare micrometrico rappresenta ~ 0.06 µm e ~ 0.03 µm, rispettivamente. La sbarretta di calibrazione interna del Microvid corrisponde ad una lunghezza rappresentata da un numero a 5 cifre, mentre nell’unità propria della tavoletta una distanza di 10 µm corrisponde a un numero a 4 cifre. La precisione di una misura di lunghezza sarebbe, quindi, migliore del 1%.
La precisione strumentale, però, deve essere confrontata con la effettiva riproducibilità della misura, che dipende da diversi fattori, tra i quali anche l’abilità stessa dell’operatore nel collimare il "traguardo" dello strumento con gli estremi dell’oggetto da misurare. Abbiamo, quindi, confrontato la "performance" del Microvid, della tavoletta digitale e dell’oculare micrometrico misurando ripetutamente tracce di dimensioni diverse (Fig. 2). Ogni punto della Fig. 2 rappresenta la deviazione standard di 20 misure della dimensione di una traccia in ossidiana. Sono state scelte dimensioni diverse nell’intervallo 2 µm - 10 µm. Come è ovvio, la deviazione standard relativa cala con l’aumento delle dimensioni, raggiungendo valori intorno al 5% - 6% (Microvid), 4% - 3% (tavoletta) e ~ 2% (oculare micrometrico) nell’intervallo 6 µm - 10 µm.
L’oculare micrometrico, quindi, risulta migliore della tavoletta, che a sua volta risulta migliore del Microvid: ma anche la velocità di uso, la praticità e la possibilità di fornire altre prestazioni migliorano nello stesso ordine. Bisogna tenere conto, inoltre del fatto che la forma delle distribuzioni della Fig. 1 deriva soltanto in secondo ordine dall’errore sperimentale delle singole misure. Le lunghezze delle tracce confinate in apatite variano sia per la variabilità della distribuzione della massa del nucleo di uranio nelle due masse dei frammenti prodotto della fissione e per la variabilità delle energie di questi ultimi, sia per il differente tasso di parziale cancellamento che le tracce naturali registrano in base alla peculiare storia termica sperimentata. La dimensione delle traccia nel vetro, invece, è soprattutto determinata dal punto in cui la traccia stessa è tagliata dalla superficie di attacco e dalla sua inclinazione rispetto alla superficie stessa. Le distribuzioni della Fig. 1, quindi, rappresentano reali variazioni di lunghezze e dimensioni.
Oltre ai metodi di misura citati, esistono sistemi di elaborazione delle immagini che potrebbero essere usati con successo. Per esempio, una misura di lunghezza potrebbe essere ottenuta facendo clic sull’immagine restituita su un monitor da una telecamera accoppiata ad un microscopio. Questo sistema avrebbe anche il vantaggio di consentire di memorizzare le immagini che si volessero conservare. Da una indagine di mercato, però, un tale sistema risulta molto più costoso e non altrettanto pratico.
Gli strumenti oggetto di questa nota tecnica sono usati nell’Istituto di Goecronologia e Geochimica Isotopica per le misure delle tracce di fissione. Potrebbero, però, essere utilizzati anche in altri campi di ricerca nell’ambito delle scienze della terra (ad esempio, analisi di sezioni sottili, analisi micropaleontologiche e palinologiche. Eventuali modifiche che si rendessero necessarie ai software potrebbero essere apportate senza troppe difficoltà.
Fig. 1. Da sinistra e dall’alto: distribuzione delle lunghezze delle tracce confinate (normalizzata a 100) misurate in un campione di apatite con il Microvid e con la tavoletta digitale Kurta; distribuzione delle dimensioni (l’asse maggiore dell’ellissoide intersezione della traccia con la superficie) di 100 tracce misurate in un campione di ossidiana con l’oculare micrometrico ed il Microvid. N: numero di misure; L (D): lunghezza (dimensione) media; s.d.: deviazione standard; skw:: coefficiente di asimmetria (skewness); ± 0.08: errore standard (1
s ).
Fig. 2. Deviazione standard relativa di 20 misure delle dimensioni di tracce selezionate in un campione di ossidiana riportata in funzione delle dimensioni.