《全球铁合金网》2021-9-3:宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种发光传感器,可以在酸性矿山废料等复杂环境样本中检测铽,这是最稀有的稀土元素之一。
在发表在《美国化学学会杂志》上的一篇同行评议文章中,科学家们解释说,该传感器利用了一种与稀土元素非常特异性结合的蛋白质。这意味着可以利用该设备来帮助开发这些金属的美国供应。
据研究人员介绍,尽管目前国内没有铽等稀土元素的供应链,但它们在煤炭副产品、酸性矿山排水和电子废物等非传统来源中非常丰富。然而,为了开发这些REE来源,需要稳健的检测方法,并且直到现在,黄金标准是使用一种称为ICP-MS的质谱仪,它价格昂贵且不便于携带。另一方面,便携式方法不那么灵敏,并且在复杂的环境样品中表现不佳,其中酸性条件和其他金属会干扰检测。
与这些方法不同,宾夕法尼亚州立大学的开发依赖于兰莫蛋白,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。
“色氨酸被称为铽的‘敏化剂’,这意味着色氨酸吸收的光可以传递到铽,然后铽发射出不同的波长,”该研究的资深作者Joseph Cotruvo Jr.说在媒体声明中。
“这种发射的绿色实际上是在智能手机显示器等技术中使用铽的主要原因之一。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,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,以减轻其对环境的影响。如果我们可以使用传感器识别出具有最有价值稀土元素的地点,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一个酸性矿山排水处理设施的实际样品中测试了传感器-酸性样品中存在许多其他金属,铽含量非常低-十亿分之三。该传感器确定的样品中铽浓度与他们使用“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。”