蛋白质传感器助力从酸性矿井排水中提取稀土元素

研究人员开发的一种蛋白质传感器在遇到稀土元素铽时发出绿色的光，可以提升美国在酸性矿井排水中开采稀土金属的进展。

该工具是第一个基于发光的传感器，可以在酸性的复杂环境样本中以极低的水平对铽进行定量。如果实现商业化，它可以使勘探者有能力在废弃的矿山尾矿中搜寻出这种具有经济价值的元素。

稀土元素是风力涡轮机和电动汽车的重要组成部分。开采低品位稀土资源的技术，如煤炭副产品、电力废料和矿井污水。

宾夕法尼亚州立大学的化学家Joseph Cotruvo说：“这确实是一种相当简单的方法，它的灵敏度与目前的技术水平相似，该工具仍在研究和开发中，其性能与高度精确的实验室仪器一样好，但会更快，更容易操作。

匹兹堡国家能源技术实验室（NETL）的承包商Scott Crawford说：“如果该传感器可以大规模生产或重复使用，这将大大降低国内稀土生产的特征成本，他没有参与该传感器的开发。他说，增加美国的稀土生产对美国的经济、环境和国家安全至关重要。”

其他研究人员也在开发感知稀土的新方法。来自NETL的研究人员已经测试了液体中的光纤传感器，而爱达荷国家实验室的科学家们正在研究一种使用发光检测的传感器。

这种蛋白质传感器来自Methylorubrum extorquens细菌中发现的一种蛋白质，这种细菌生活在土壤、植物和其他环境中。这种传感器可以作为一种设备的一部分，当酸性矿井排水中出现铽元素时提醒现场技术人员。

蛋白质lanmodulin可以选择性地检测铽，即使在溶液中溶解有其他稀土或重金属的情况下。研究人员使用色氨酸，一种比铽更有效地吸收光的光敏剂，将能量转移到铽上以激发它。然后，铽会发出几个波长的光，最强烈的是545纳米的绿光。铽的存在越多，发光就越强烈。

铽是最有价值的稀土之一，它被认为是经济上最关键的五种稀土之一。Crawford说：“这项工作代表了稀土检测领域的一个重大进展。该传感器必须具有超强的选择性，就像在干草堆中找到传说中的针一样，专门与稀土结合，而不是与样品中的其他元素结合。”该团队在《美国化学学会杂志》上发表了其成果。

Cotruvo说，这种传感器的一个局限性是，金属必须在液体溶液中才能被检测到，他希望这种蛋白质传感器将在5年内得到全面发展。

目前，美国能源部（DOE）正在资助30多个项目，从煤矿及其废弃物中提取稀土元素。煤灰、废石、年轻的褐煤、污泥和酸性矿井排水都是稀土的宝库，但提取这些宝贵材料所需的技术尚未进入商业市场。

美国的40个硬岩矿每年产生170-270亿加仑的污染水。酸性矿井排水是由地下矿井流出的水形成的。岩石中的含硫矿物质使流经它的水变成了酸性。反过来，酸性水从岩石中浸出重金属（包括稀土）。这种高度腐蚀性的水威胁着水生生物和水供应。

据环保非营利组织Earthworks在2013年称，美国的40个硬岩矿每年产生170-270亿加仑的污染水。但将废物转化为收入已成为能源部和NETL的一个优先事项。在2017年提交给美国国会的一份报告中，这些团体表示，美国的两个煤炭和煤灰区可以提供数百万吨的稀土元素，这远远高于每年10万吨的国内需求。

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