Il potere risolutivo in microscopia: il caso della Sacra Sindone

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Spesso per poter riconoscere, analizzare o studiare un reperto o un bene culturale, è necessario ricorrere a risoluzioni microscopiche in grado di rilevare anche piccole quantità di tracce fondamentali per la sua caratterizzazione. La minima distanza tra due punti al di sotto della quali essi vengono percepiti come un unico punto definisce il potere risolutivo; questo, nel caso dell’occhio umano, è di circa 0,1 mm, a meno di variabili fisiologiche. Il limite del nostro occhio dipende, infatti, da come esso è fatto, ovvero dal diametro della pupilla, dalla distanza fra i fotorecettori e dalla loro organizzazione all'interno della retina.

La microscopia nasce dunque come necessità operativa per superare le limitazioni imposte naturali del nostro occhio. La prima tecnica microscopica nascente è la microscopia ottica: nel
1590 due olandesi, Zaccharias Janssen e suo figlio, osservarono che, aumentando il numero di lenti inserite in un tubo e regolandone in modo opportuno distanza e grandezza, era possibile osservare un oggetto con un maggiore ingrandimento. Si tratta del primo passo che porterà allo sviluppo del microscopio ottico e del cannocchiale ad opera di Galileo in Italia.

Immagine HRTEM (High Resolution Electronic Transmission Microscopy) delle nanoparticelle presenti sulla fibra della Sacra Sindone. Si notino le particelle più scure all'interno, il cui diametro è compreso tra 2 e 6 nm. Ripreso da: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0180487.g003

Il microscopio ottico si basa sull’ottica geometrica, che ne determina il potere risolutivo. Secondo il principio di Abbe infatti:

d=0,6098 λ /N_a

dove d è la distanza tra due punti risolti, λ è la lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica e N_a è l’apertura numerica del sistema ottico. La lunghezza d’onda rappresenta quindi un limite fisico per la risoluzione poiché, secondo il fenomeno della diffrazione, con nessuna sorgente si possono osservare oggetti più piccoli della λ impiegata. Considerando che la luce visibile presenta uno spettro nell'intervallo 380-780 nm, il potere risolutivo di un microscopio ottico è di circa 200 nm, 500 volte superiore a quello dell’occhio umano. I raggi X, avendo λ ~1/10 nm, rappresenterebbero quindi una sorgente adatta per osservare sistemi a livello atomico; tuttavia, esistono ancora limitazioni nella strumentazione ottica, ovvero nel design delle lenti impiegate.

Il dualismo onda-particella ci suggerisce soluzioni alternative per raggiungere un maggiore potere risolutivo. Infatti, così come la luce può essere descritta in termine di corpuscolo (fotone)  e di onda elettromagnetica, anche alle particelle, come gli elettroni, è possibile associare una lambda, secondo  la legge di De Broglie:

λ=h/mv

dove h = costante di Planck = 6.63 · 10^-34  (J · sec), m è la massa della particella e v è la sua velocità. Nel caso degli elettroni, applicando un voltaggio di 20 kV, si ha λ=0,0086 nm. Chiaramente l’impiego di una sorgente di elettroni richiederà l’impiego di un’ottica e di rivelatori opportuni.

Il microscopio a trasmissione elettronica (TEM) è in grado di raggiungere un potere risolutivo di 0.2 nm. Tuttavia, essendo gli elettroni fortemente reattivi, per ottenere il massimo delle prestazioni sarà necessario lavorare in vuoto. Nel giugno scorso, la risoluzione della tecnica TEM ha consentito di fare passi notevoli avanti nello studio delle fibre della Sacra Sindone, considerata da molti il lenzuolo di sepoltura di Gesù il Nazareno, ma ancora soggetto di un ampio dibattito. Tale studio ha messo alla luce evidenze di nanoparticelle biologiche di creatina legate a nanoparticelle di ossido di ferro, osservate su scala nanometrica. Il ricorrente legame tra la ferritina e la creatina si presenta nell'organismo umano solo se esso è stato soggetto di gravi lesioni. Questo potrebbe confermare che l’uomo avvolto nella Sacra Sindone abbia sofferto di rilevanti traumi multipli, come la tortura.

Alessandra

Riferimenti bibliografici:

- Grant R. Fowles, Introduction to Modern Optics, Dover (1975).

- Carlino E, De Caro L, Giannini C, Fanti G, Atomic resolution studies detect new biologic evidences on the Turin Shroud, PLoS ONE 12(6): e0180487 (2017) 

- http://venus.unive.it/polizzi/didattica/Microscopia/Dispensa_Microscopia%20Ottica%20ed%20Elettronica.pdf