硬件|新型传感器可检测废物源中有价值的稀土元素

2021-10-10

在近日发表于《美国化学学会杂志》的一篇文章中，来自宾夕法尼亚州立大学的一支研究团队，介绍了一种可从酸性矿山废料等复杂环境样品中检出高价值稀土元素（铽 | Tb）的新型发光传感器。通过一种能够与该稀土元素高度结合的特异性蛋白质，其能够检出酸性矿山废水（以及其它来源）中的低浓度铽。

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宾夕法尼亚州被矿山酸水污染的一条河流（图自：Rachel A. Brennan）
作为地球上最稀缺的元素之一，Tb 可用于在手机屏幕中产生绿色、高效（节能）照明、以及电动汽车电池等固态设备。而宾夕法尼亚州立大学的这项新研究，有助于在美国本土供应此类稀土元素。
据悉，想要从环境中提取 Tb 等稀土元素，存在着各种化学、环境和政治挑战。此外开发这些金属的新来源，还需要动用强大的检测方法。
【硬件|新型传感器可检测废物源中有价值的稀土元素】毕竟常用的 ICP-MS 质谱法不仅昂贵，也不便于携带。而便携式的监测方法又不够灵敏，且面对复杂环境样品的表现也不佳 —— 尤其酸性条件和其它金属会对其产生干扰。
该校关键矿物中心成员、化学系职业发展教授 Louis Martarano 表示：

尽管目前境内缺乏 Tb 等稀土元素的供应链，但它们其实在美国非传统资源中的储量非常丰富 —— 包括煤炭副产品、矿山排放的废酸、以及电子废弃物中。
而在这项新研究中，我们开发了一种可发光的传感器，特点是能够用于检测、甚至量化复杂酸性样品中的低浓度 Tb。

具体说来是，研究人员将兰莫蛋白（lanmodulin）开发成了一种传感器。然后惊喜地发现，它与稀土元素的结合度，是其它金属的 10 亿倍。

硬件|新型传感器可检测废物源中有价值的稀土元素

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研究配图（来自：JACS）
为了优化作为 Tb 传感器的兰莫蛋白，研究人员还通过在蛋白质中添加色氨酸来改变其性质。研究资深作者、该校关键矿物中心成员、助理教授 Joseph Cotruvo Jr. 表示：

这种氨基酸是 Tb 的‘敏化剂’，意味着色氨酸吸收的光可被传递到 Tb，并被后者以不同的波长发射。
这种特性也是 Tb 能够帮助手机屏幕发出绿光的一个关键因素，而当色氨酸-羊毛调节蛋白化合物与 Tb 结合时，我们就可通过观察发光来测量样品中的 Tb 浓度。

除了排除其它非稀土金属元素的干扰，这套检测方案还能够在矿井排除的高酸性废水等环境中交出让人满意的高效检出率。
通过在该州一座矿山的废水处理设施展开实地测试，即使 Tb 的含量低至十亿分之三，新型传感器的检测效果也与传统“金标准”相当。

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