- 新型傳感器檢測來自非傳統來源的有價值的稀土元素鋱
- 來源：互聯網 發表于 2023/8/22
蛋白質lanmodulin已被開發成一種傳感器，用于從復雜環境中識別稀土元素鋱，例如酸性礦山排水。圖中所示的傳感器在與鋱結合時會發出綠光。學分：艾米麗·費瑟斯頓，賓夕法尼亞州立大學
一種新的發光傳感器可以從復雜的環境樣品（如酸性礦山廢物）中檢測鋱，這是一種有價值的稀土元素。該傳感器由賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發，利用了一種非常特異性地與稀土元素結合的蛋白質，并可用于幫助開發這些金屬的國內供應，這些金屬用于智能手機，電動汽車電池和節能照明等技術。一篇描述該傳感器的論文發表在25月<>日的《美國化學學會雜志》上。
鋱是稀有的稀土元素之一，在手機顯示屏中產生綠色，也用于照明和固態設備。然而，從環境中獲取鋱和其他稀土元素存在各種化學、環境和政治挑戰。開發這些金屬的新來源也需要強大的檢測方法，這帶來了另一個挑戰。例如，檢測樣品中稀土元素的金標準方法（一種稱為ICP-MS的質譜法）價格昂貴且不便攜。然而，便攜式方法不那么靈敏，在復雜的環境樣品中表現不佳，酸性條件和其他金屬會干擾檢測。
“目前沒有像鋱這樣的稀土元素的國內供應鏈，但它們實際上在美國的非傳統來源中相當豐富，包括煤炭副產品，酸性礦山排水和電子廢物，”賓夕法尼亞州立大學化學助理教授和路易斯·馬塔拉諾職業發展教授Joseph Cotruvo，Jr.說，他是賓夕法尼亞州立大學關鍵礦物的成員， 和該研究的作者。“在這項研究中，我們開發了一種基于發光的傳感器，可用于檢測甚至量化復雜酸性樣品中的低濃度鋱。
新的傳感器依賴于lanmodulin，研究人員之前發現的一種蛋白質，其與稀土元素的結合比其他金屬好近十億倍。該蛋白質結合稀土元素的選擇性是傳感器的理想選擇，因為它有可能與稀土結合，而不是環境樣品中常見的其他金屬。
為了優化蘭調蛋白作為鋱的傳感器，研究人員通過在蛋白質中添加氨基酸色氨酸來改變蛋白質。
一種新的傳感器可以讓研究人員從復雜的環境樣本中檢測稀土元素鋱，例如酸性礦山排水 - 如圖所示污染賓夕法尼亞州的溪流。學分：雷切爾·布倫南，賓夕法尼亞州立大學
“色氨酸是所謂的鋱的'敏化劑'，這意味著色氨酸吸收的光可以傳遞到鋱，然后鋱以不同的波長發射，”Cotruvo說。“這種發射的綠色實際上是鋱用于智能手機顯示器等技術的主要原因之一。就我們的目的而言，當色氨酸-蘭調蛋白化合物與鋱結合時，我們可以觀察發射光或發光，以測量樣品中鋱的濃度。
研究人員開發了色氨酸 - 蘭調蛋白傳感器的許多變體，優化了色氨酸的位置，使其不會干擾色氨酸與稀土元素結合的能力。這些變體為蛋白質的關鍵特征提供了重要的見解，使其能夠以如此高的選擇性結合稀土。然后，他們測試了有希望的變體，以確定傳感器在理想條件下可以檢測到的低鋱濃度 - 沒有其他金屬干擾。即使在高酸性條件下，如在酸性礦井排水中發現的條件下，傳感器也可以檢測到與環境相關的鋱水平。“提取稀土元素的一個挑戰是你需要將它們從巖石中取出，”Cotruvo說。“通過酸性礦山排水，大自然已經為我們做到了這一點，但尋找稀土就像大海撈針一樣。我們擁有現有的基礎設施來處理活躍和非活躍礦山的酸性礦山排水站點，以減輕其對環境的影響。如果我們能夠使用傳感器識別出具有有價值的稀土元素的地點，我們就可以更好地集中提取工作，將廢物流轉化為收入來源。
接下來，研究人員在賓夕法尼亞州酸性礦山排水處理設施的實際樣品中測試了傳感器，這是一個酸性樣品，存在許多其他金屬，鋱含量非常低 - 十億分之三。傳感器確定樣品中的鋱濃度與“金標準”方法檢測到的濃度相當，這表明新傳感器是檢測復雜環境樣品中低濃度鋱的可行方法。
“我們計劃進一步優化傳感器，使其更加靈敏，更容易使用，”Cotruvo說。“我們還希望通過這種方法針對其他特定的稀土元素。
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