新感測器可檢測廢棄資源中的稀土元素

一種新的發光感測器可以從複雜的廢棄資源樣品（如酸性礦井排水）中檢測出稀土元素（REE）。賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發的這種感測器，利用了一種能與REE結合的蛋白質，可以利用這一感測器來説明開發這些金屬的國內供應。稀土金屬被用於智慧型電話、電動汽車電池和節能照明等技術。描述該感測器的論文發表在《美國化學學會雜誌》上。

鋱是最稀有的REE之一，在手機顯示幕中產生綠色，也被用於高效照明和固態設備。然而，從環境中獲取鋱和其他REE存在著各種化學、環境和政治挑戰。開發這些金屬的新來源還需要強大的檢測方法，這構成了另一個挑戰。例如，檢測樣品中REE的標準方法叫做ICP-MS的質譜法，這種方法成本高昂，而且不便於攜帶。然而，可擕式方法的靈敏度不高，因為酸性條件和其他金屬會干擾檢測，所以在複雜的環境樣品中表現不佳。

賓夕法尼亞州立大學化學系助理教授兼Louis Martarano職業發展教授Joseph Cotruvo Jr.說：“目前沒有像鋱這樣的REE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、酸性礦井排水和電子廢物，”他是該大學關鍵礦物中心的成員，也是該研究的高級作者。“在這項研究中，我們開發了一種基於發光的感測器，可用於檢測甚至量化複雜的酸性樣品中的低濃度鋱。”

蛋白質lanmodulin已被開發成一種感測器，可以從複雜的環境中識別REE鋱，例如酸性礦井排水。這種感測器，當與鋱結合時，會發出綠光。

這種新的感測器依賴於lanmodulin，這是一種研究人員先前發現的蛋白質，它與REE的結合能力比與其他金屬的結合能力要好近10億倍。這種蛋白質與REE結合選擇性是感測器的理想選擇，因為它最有可能與REE而不是廢棄資源樣品中常見的其他金屬結合。

為了專門優化lanmodulin作為鋱的感測器，研究人員通過在蛋白質中添加色氨酸來改變該蛋白質。

Cotruvo說：“色氨酸是所謂的鋱的感光劑，這意味著被色氨酸吸收的光可以傳遞給鋱，然後鋱以不同的波長發射出來。這種發射的綠色實際上是鋱被用於智慧手機顯示幕等技術的主要原因之一。對於我們的目的，當色氨酸-lanmodulin化合物與鋱結合時，我們可以觀察到發射的光，以測量樣品中鋱的濃度。”

研究人員開發了許多色氨酸-lanmodulin感測器的變體，優化了色氨酸的位置，使其不干擾蘭姆多林與REE結合的能力。

這些變體提供了對該蛋白的關鍵特徵的重要見解，這些特徵使其能夠以如此高的選擇性結合稀土元素。然後，他們測試了最優的變體，以確定感測器在理想化條件下，在沒有其他金屬的干擾下，能夠檢測到的最低濃度的鋱。即使在高酸性條件下，如在酸性礦井排水中發現的情況，該感測器也能檢測到環境相關水準的鋱。

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