新型传感器检测来自非传统来源的有价值的稀土元素铽

蛋白质lanmodulin已被开发成一种传感器，用于从复杂环境中识别稀土元素铽，例如酸性矿山排水。图中所示的传感器在与铽结合时会发出绿光。学分：艾米丽·费瑟斯顿，宾夕法尼亚州立大学

一种新的发光传感器可以从复杂的环境样品（如酸性矿山废物）中检测铽，这是一种有价值的稀土元素。该传感器由宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发，利用了一种非常特异性地与稀土元素结合的蛋白质，并可用于帮助开发这些金属的国内供应，这些金属用于智能手机，电动汽车电池和节能照明等技术。一篇描述该传感器的论文发表在25月<>日的《美国化学学会杂志》上。

铽是稀有的稀土元素之一，在手机显示屏中产生绿色，也用于照明和固态设备。然而，从环境中获取铽和其他稀土元素存在各种化学、环境和政治挑战。开发这些金属的新来源也需要强大的检测方法，这带来了另一个挑战。例如，检测样品中稀土元素的金标准方法（一种称为ICP-MS的质谱法）价格昂贵且不便携。然而，便携式方法不那么灵敏，在复杂的环境样品中表现不佳，酸性条件和其他金属会干扰检测。

“目前没有像铽这样的稀土元素的国内供应链，但它们实际上在美国的非传统来源中相当丰富，包括煤炭副产品，酸性矿山排水和电子废物，”宾夕法尼亚州立大学化学助理教授和路易斯·马塔拉诺职业发展教授Joseph Cotruvo，Jr.说，他是宾夕法尼亚州立大学关键矿物的成员， 和该研究的作者。“在这项研究中，我们开发了一种基于发光的传感器，可用于检测甚至量化复杂酸性样品中的低浓度铽。

新的传感器依赖于lanmodulin，研究人员之前发现的一种蛋白质，其与稀土元素的结合比其他金属好近十亿倍。该蛋白质结合稀土元素的选择性是传感器的理想选择，因为它有可能与稀土结合，而不是环境样品中常见的其他金属。

为了优化兰调蛋白作为铽的传感器，研究人员通过在蛋白质中添加氨基酸色氨酸来改变蛋白质。

一种新的传感器可以让研究人员从复杂的环境样本中检测稀土元素铽，例如酸性矿山排水 - 如图所示污染宾夕法尼亚州的溪流。学分：雷切尔·布伦南，宾夕法尼亚州立大学

“色氨酸是所谓的铽的'敏化剂'，这意味着色氨酸吸收的光可以传递到铽，然后铽以不同的波长发射，”Cotruvo说。“这种发射的绿色实际上是铽用于智能手机显示器等技术的主要原因之一。就我们的目的而言，当色氨酸-兰调蛋白化合物与铽结合时，我们可以观察发射光或发光，以测量样品中铽的浓度。

研究人员开发了色氨酸 - 兰调蛋白传感器的许多变体，优化了色氨酸的位置，使其不会干扰色氨酸与稀土元素结合的能力。这些变体为蛋白质的关键特征提供了重要的见解，使其能够以如此高的选择性结合稀土。然后，他们测试了有希望的变体，以确定传感器在理想条件下可以检测到的低铽浓度 - 没有其他金属干扰。即使在高酸性条件下，如在酸性矿井排水中发现的条件下，传感器也可以检测到与环境相关的铽水平。“提取稀土元素的一个挑战是你需要将它们从岩石中取出，”Cotruvo说。“通过酸性矿山排水，大自然已经为我们做到了这一点，但寻找稀土就像大海捞针一样。我们拥有现有的基础设施来处理活跃和非活跃矿山的酸性矿山排水站点，以减轻其对环境的影响。如果我们能够使用传感器识别出具有有价值的稀土元素的地点，我们就可以更好地集中提取工作，将废物流转化为收入来源。

接下来，研究人员在宾夕法尼亚州酸性矿山排水处理设施的实际样品中测试了传感器，这是一个酸性样品，存在许多其他金属，铽含量非常低 - 十亿分之三。传感器确定样品中的铽浓度与“金标准”方法检测到的浓度相当，这表明新传感器是检测复杂环境样品中低浓度铽的可行方法。

“我们计划进一步优化传感器，使其更加灵敏，更容易使用，”Cotruvo说。“我们还希望通过这种方法针对其他特定的稀土元素。

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