一种新的发光传感器可以从酸性矿山废料等复杂的环境样品中检测铽，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，利用一种与稀土元素非常特异性结合的蛋白质，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、电动汽车电池等技术和节能照明。一篇描述该传感器的论文于 8 月 25 日发表在美国化学学会杂志上。
铽是最稀有的稀土元素之一，在手机显示屏中产生绿色，也用于高效照明和固态设备。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还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黄金标准方法——一种称为 ICP-MS 的质谱法——既昂贵又不便于携带。然而，便携式方法并不那么灵敏，并且在复杂的环境样品中表现不佳，因为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非常丰富，包括煤炭副产品、酸性矿山排水和电子废物，”约瑟夫·科特鲁沃说。 ，宾夕法尼亚州立大学化学系助理教授和 Louis Martarano 职业发展教授，宾夕法尼亚州立大学关键矿物中心成员，该研究的资深作者。“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低浓度的铽。”
新传感器依赖于兰莫蛋白，研究人员之前发现这种蛋白质与稀土元素的结合比与其他金属的结合要好近 10 亿倍。该蛋白质结合稀土元素的选择性非常适合传感器，因为它最有可能与稀土而不是环境样品中常见的其他金属结合。
为了优化作为铽传感器的lanmodulin，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。
“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，”科特鲁沃说。“这种发射的绿色实际上是铽被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-羊毛调节蛋白化合物与铽结合时，我们可以观察发射的光或发光，以测量样品中铽的浓度。”
研究人员开发了色氨酸-羊毛调节蛋白传感器的许多变体，优化了色氨酸的位置，使其不会干扰羊毛调节蛋白与稀土元素结合的能力。这些变体提供了对蛋白质关键特征的重要见解，使其能够以如此高的选择性结合稀土。然后，他们测试了最有希望的变体，以确定传感器在理想条件下可以检测到的最低铽浓度——没有其他金属干扰。即使在酸性矿井排水等高酸性条件下，传感器也可以检测与环境相关的铽水平。
“提取稀土元素的一个挑战是你必须将它们从岩石中取出，”科特鲁沃说。“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。我们现有的基础设施可以处理活跃和非活跃矿山的酸性矿山排水点，以减轻它们对环境的影响. 如果我们可以使用传感器识别出稀土元素最有价值的地点，我们就可以更好地集中开采工作，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，该酸性样品含有许多其他金属，铽含量非常低 - 十亿分之三。该传感器确定的样品中铽的浓度与他们用“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，使其更灵敏，更易于使用，”Cotruvo 说。“我们还希望通过这种方法针对其他特定的稀土元素。”
