新传感器可检测废弃资源中的稀土元素

一种新的发光传感器可以从复杂的废弃资源样品（如酸性矿井排水）中检测出稀土元素（REE）。宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发的这种传感器，利用了一种能与REE结合的蛋白质，可以利用这一传感器来帮助开发这些金属的国内供应。稀土金属被用于智能电话、电动汽车电池和节能照明等技术。描述该传感器的论文发表在《美国化学学会杂志》上。

铽是最稀有的REE之一，在手机显示屏中产生绿色，也被用于高效照明和固态设备。然而，从环境中获取铽和其他REE存在着各种化学、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，这构成了另一个挑战。例如，检测样品中REE的标准方法叫做ICP-MS的质谱法，这种方法成本高昂，而且不便于携带。然而，便携式方法的灵敏度不高，因为酸性条件和其他金属会干扰检测，所以在复杂的环境样品中表现不佳。

宾夕法尼亚州立大学化学系助理教授兼Louis Martarano职业发展教授Joseph Cotruvo Jr.说：“目前没有像铽这样的REE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、酸性矿井排水和电子废物，”他是该大学关键矿物中心的成员，也是该研究的高级作者。“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的酸性样品中的低浓度铽。”

蛋白质lanmodulin已被开发成一种传感器，可以从复杂的环境中识别REE铽，例如酸性矿井排水。这种传感器，当与铽结合时，会发出绿光。

这种新的传感器依赖于lanmodulin，这是一种研究人员先前发现的蛋白质，它与REE的结合能力比与其他金属的结合能力要好近10亿倍。这种蛋白质与REE结合选择性是传感器的理想选择，因为它最有可能与REE而不是废弃资源样品中常见的其他金属结合。

为了专门优化lanmodulin作为铽的传感器，研究人员通过在蛋白质中添加色氨酸来改变该蛋白质。

Cotruvo说：“色氨酸是所谓的铽的感光剂，这意味着被色氨酸吸收的光可以传递给铽，然后铽以不同的波长发射出来。这种发射的绿色实际上是铽被用于智能手机显示屏等技术的主要原因之一。对于我们的目的，当色氨酸-lanmodulin化合物与铽结合时，我们可以观察到发射的光，以测量样品中铽的浓度。”

研究人员开发了许多色氨酸-lanmodulin传感器的变体，优化了色氨酸的位置，使其不干扰兰姆多林与REE结合的能力。

这些变体提供了对该蛋白的关键特征的重要见解，这些特征使其能够以如此高的选择性结合稀土元素。然后，他们测试了最优的变体，以确定传感器在理想化条件下，在没有其他金属的干扰下，能够检测到的最低浓度的铽。即使在高酸性条件下，如在酸性矿井排水中发现的情况，该传感器也能检测到环境相关水平的铽。

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