Разработано программное обеспечение для оценки содержания рения в породе
Сотрудники Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН) вместе с коллегами из Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН) и МХТУ им. Д.И. Менделеева разработали методику обнаружения малых концентраций рения в природных образцах, позволяющую создать экспресс-методы для интегральной оценки содержания рения в новых месторождениях.
Ученые определили, что после лазерной ионизации методом MALDI образца рений-содержащей руды из фумарольных полей вулкана Кудрявый (остров Итуруп, Россия) масс-спектрометрический детектор зафиксировал кластерные образования сульфидов рения, содержащие до 10 атомов металла. Подтвержденная склонность рения к образованию кластерных соединений, создающих типичные линии на масс-спектре, облегчает оценку его содержания приборными методами.
Рений — металл, сочетающий в себе уникальные тугоплавкость, твердость и пластичность. Он незаменим в авиационной и аэрокосмической отраслях. Его используют в сплавах, которые применяются в зонах высоких температур и повышенных нагрузок. Также рений используется в катализе, например, для производства высокооктанового бензина. При этом рений — очень редкий химический элемент, а спрос на него постоянно растет.
Дефицит рения связан в первую очередь с тем, что он не образует собственных месторождений. Как примесь металл присутствует в молибденовых, вольфрам-молибденовых и медно-молибденовых, урановых рудах и фумарольных газах вулканов. Даже в самых богатых рудах содержание рения не превышает 1 грамм на тонну руды. Поэтому оценить запасы рения в новом месторождении очень сложно.
Для определения элементного состава образца геологи часто используют лазерную абляцию. Мощный луч лазера испаряет вещество с поверхности и переводит его в состояние плазмы, которая анализируется методом эмиссионной спектрометрии или масс-спектрометрии. Метод очень точный: если там, куда направлен лазер, имеется хотя бы пикограмм рения, он будет обнаружен. Однако этот метод не дает возможности делать выводы ни об интегральном содержании химического элемента, ни о форме его существования, поскольку лазер разрушает молекулы.
Методом MALDI производится мягкая ионизация, что позволяет определять молекулярную форму соединений. Масс-спектрометрический детектор подсчитывает количество ионов с определенным отношением заряда к массе и формирует гистограмму — масс-спектр. Пики на масс-спектре при MALDI-ионизации соответствуют молекулярным ионам (заряженным молекулам), в том числе кластерам. Идентификация соединений проводилась с помощью разработанной в ИФХЭ РАН программы для подбора вероятных брутто-формул для серий сигналов, зарегистрированных в ходе масс-спектрометрического эксперимента.
«Чтобы оперативно определять, какие ионы отвечают каким пикам на масс-спектре, было создано программное обеспечение для подбора брутто-формулы. Эта формула показывает, какие атомы в каком количестве входят в состав молекулы», — рассказал автор программы, инженер лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии ИФХЭ РАН Вячеслав Лебедев.
Для контроля и калибровки MALDI-масс-спектрометрических методов и сопутствующих программ ученые разрабатывают альтернативные пути измерения количества рения в породе. Существующие способы, требующие предварительного растворения малорастворимых соединений, являются и трудоемкими, и дорогими. Для определения малых концентраций используются сверхчистые реактивы, что еще больше удорожает работу.
«Идеал, к которому мы стремимся — собрать библиотеку масс-спектров для неорганических соединений и отработать процесс так, чтобы полностью отказаться от растворения. Чтобы можно было взять пробы руды, ионизировать вещество лазером, получить масс-спектр и расшифровать его с помощью нашей программы. Тогда, проанализировав 10-15 проб с разных глубин, можно будет подсчитать среднее содержание металла в породе и решать, стоит ли разрабатывать это месторождение», — подвел итог Вячеслав Лебедев.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.