Специалисты Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (Иркутск) разработали способ определения концентрации двухвалентного железа с использованием рентгенофлуоресцентного анализа. Новый метод основан на изменении характеристик определенных линий рентгеновского эмиссионного спектра, которые зависят от валентного состояния железа и его связи с другими элементами. Результаты исследования были опубликованы в международном научном журнале Talanta.
Данные о содержании валентных форм элементов в горных породах позволяют ученым реконструировать историю формирования горных массивов, развития вулканических процессов и эволюции земной поверхности. При изучении минералов они помогают уточнить их строение и происхождение, а в ходе поисковых работ — оценить качество металлических руд. Сведения о валентных формах переходных элементов, особенно железа, представляют собой особую ценность. Определение количества двухвалентного железа имеет значение как для базовых геологических исследований, так и для планирования деятельности в горнодобывающей сфере.
Определение двухвалентного железа чаще всего осуществляют с помощью окислительно-восстановительного титрования. Этот метод широко распространен в аналитических лабораториях и используется как стандартная процедура, однако он сопряжен с некоторыми ограничениями, в том числе требует достаточно сложной и продолжительной процедуры кислотного разложения. Рентгенофлуоресцентный анализ, напротив, позволяет проводить измерения образцов горных пород после минимальной подготовки, включающей прессование измельченного материала. Данная процедура исключает необходимость использования специальных реактивов и снижает трудозатраты. Можно ли применять этот метод для определения валентного состояния?
«Метод определения двухвалентного железа, ставший привычным, был впервые разработан еще в конце XIX века. Однако, определение валентных форм элементов в природных образцах до сих пор представляет собой сложную задачу, как при обычном анализе, так и при создании стандартных образцов. Использование современного аналитического подхода к определению двухвалентного железа на основе рентгенофлуоресцентного анализа способно существенно увеличить надежность данных, получаемых при разработке и аттестации стандартных образцов, — отмечает заведующий лабораторией рентгеновских методов анализа ИГХ СО РАН, кандидат химических наук Виктор Маратович Чубаров.
Метод рентгенофлуоресцентной спектроскопии применяется для определения валентного состояния элементов, хотя и не получил широкого распространения. Еще в середине прошлого века было установлено, что характеристики рентгеновских эмиссионных линий связаны с химической формой элемента в составе анализируемого объекта. Сотрудники Института геологии и геохимии СО РАН предприняли значительный шаг в практической реализации данного подхода, начав количественно определять различные формы железа в природных и антропогенных материалах с помощью рентгенофлуоресцентного анализа. В дальнейшем, логичным развитием стало использование этого метода для изготовления эталонных образцов.
«В основе нашего подхода лежит принцип, согласно которому интенсивность линии FeKβ5 рентгеновского спектра отражает валентное состояние железа, то есть характер его химической связи с другими элементами. Эта линия особенно чувствительна к особенностям химических связей переходных элементов, поскольку она формируется в результате рентгеновского перехода электрона из валентной оболочки. Для минимизации влияния различий в содержании железа в анализируемых образцах и получения наиболее информативного аналитического сигнала используется соотношение интенсивности линии FeKβ5 к интенсивности линии FeKβ1,3», — отметил Виктор Чубаров.
Горные породы представляют собой сложные системы, состоящие из различных минералов. Аналитический сигнал искажается из-за разнообразия состава горных пород, поэтому для получения достоверных результатов требуется использование градуировочных образцов с заданным фазовым и элементным составом. Для выбора оптимальных по составу и доступных образцов, включая горные породы различных типов – изверженные (от ультраосновных до кислых), осадочные и метаморфические – исследователи проанализировали 99 эталонных материалов. Полученные результаты были сопоставлены с данными метода титрования, полученными в лабораториях разных стран, в ходе межлабораторных сличительных испытаний. Например, при анализе изверженных горных пород основного состава предложенный подход демонстрирует сопоставимую с титриметрическим методом точность.
«Изучение тонкой структуры рентгеновских спектров позволило нам определить возможности применения рентгенофлуоресцентного метода не только для анализа содержания элементов в природных образцах, но и для определения их валентного состояния. Благодаря этому новому подходу, мы смогли решить важную геохимическую задачу: оценить соотношение валентных форм железа — ключевого параметра при исследовании окислительно-восстановительных условий, определяющих формирование горных пород и руд», — отметил Виктор Чубаров.
Этот подход может быть использован и для других металлов. В 2023 году в международном журнале было представлено исследование, описывающее способ определения валентного состояния марганца в океанических конкрециях и корках на основе соотношения интенсивностей линий MnKβ5 и MnKβ1,3 Minerals. Оценка содержания меди в рудах с использованием рентгенофлуоресцентного анализа завершена и готова к публикации.
«Подход пока демонстрирует свою эффективность в отношении конкретной группы объектов, перечень которых значительно увеличился с начала исследований. Однако, говорить о промышленном применении пока преждевременно. В качестве ближайшей задачи определена разработка аттестованной методики, основанной на данном подходе, — отметил ученый.
Ирина Баранова
Информация предоставлена отделом по популяризации научных достижений СО РАН