Een nieuwe lichtgevende sensor kan terbium detecteren, een waardevol zeldzaam aarde-element, van complexe milieumonsters zoals zuurmijnafval. de voeler, ontwikkeld door onderzoekers van Penn State, profiteert van een eiwit dat zeer specifiek bindt aan zeldzame aardelementen en kan worden gebruikt om een ​​binnenlandse voorraad van deze metalen te ontwikkelen, die worden gebruikt in technologieën zoals smartphones, elektrische autobatterijen, en energiezuinige verlichting. Een paper waarin de sensor wordt beschreven, verschijnt op 25 augustus in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Terbium, een van de zeldzaamste zeldzame aardelementen, produceert de groene kleur in displays van mobiele telefoons en wordt ook gebruikt in zeer efficiënte verlichting en solid-state apparaten. Echter, er zijn verschillende chemische, milieu, en politieke uitdagingen om terbium en andere zeldzame aardelementen uit het milieu te halen. Het ontwikkelen van nieuwe bronnen van deze metalen vereist ook robuuste detectiemethoden, wat een andere uitdaging vormt. Bijvoorbeeld, de gouden standaardmethode voor het detecteren van zeldzame aardelementen in een monster - een soort massaspectrometrie genaamd ICP-MS - is duur en niet draagbaar. draagbare methoden, echter, zijn niet zo gevoelig en presteren niet goed in complexe omgevingsmonsters, waar zure omstandigheden en andere metalen de detectie kunnen verstoren.

"Er is momenteel geen binnenlandse toeleveringsketen van zeldzame aardelementen zoals terbium, maar ze zijn eigenlijk vrij overvloedig in niet-traditionele bronnen in de VS, inclusief bijproducten van steenkool, zure mijnafvoer, en elektronisch afval, " zei Joseph Cotruvo, jr., assistent-professor en Louis Martarano Professor in loopbaanontwikkeling in de chemie aan Penn State, een lid van Penn State's Center for Critical Minerals, en senior auteur van de studie. "In dit onderzoek, we hebben een op luminescentie gebaseerde sensor ontwikkeld die kan worden gebruikt om lage concentraties terbium in complexe zure monsters te detecteren en zelfs te kwantificeren."

De nieuwe sensor vertrouwt op lanmoduline, een eiwit dat de onderzoekers eerder ontdekten en dat zich bijna een miljard keer beter kan binden aan zeldzame aardelementen dan aan andere metalen. De selectiviteit van het eiwit om zeldzame aardelementen te binden is ideaal voor een sensor, omdat het waarschijnlijk bindt aan zeldzame aardmetalen in plaats van andere metalen die veel voorkomen in milieumonsters.

Om lanmodulin specifiek als sensor voor terbium te optimaliseren, de onderzoekers veranderden het eiwit door het aminozuur tryptofaan aan het eiwit toe te voegen.

"Tryptofaan is een zogenaamde 'sensibilisator' voor terbium, wat betekent dat licht geabsorbeerd door tryptofaan kan worden doorgegeven aan het terbium, die het terbium vervolgens op een andere golflengte uitzendt, " zei Cotruvo. "De groene kleur van deze emissie is eigenlijk een van de belangrijkste redenen waarom terbium wordt gebruikt in technologieën zoals smartphoneschermen. Voor onze doeleinden, wanneer de tryptofaan-lanmodulineverbinding bindt aan terbium, we kunnen het uitgestraalde licht waarnemen, of luminescentie, om de concentratie van terbium in het monster te meten."

De onderzoekers ontwikkelden veel varianten van de tryptofaan-lanmodulinesensor, het optimaliseren van de locatie van het tryptofaan zodat het het vermogen van lanmoduline om te binden aan zeldzame aardelementen niet verstoort. Deze varianten gaven belangrijke inzichten in de belangrijkste kenmerken van het eiwit waardoor het zeldzame aardmetalen kan binden met zo'n hoge selectiviteit. Vervolgens, ze testten de meest veelbelovende variant om de laagste concentratie terbium te bepalen die de sensor kon detecteren in geïdealiseerde omstandigheden - zonder andere metalen die interfereren. Zelfs onder zeer zure omstandigheden, zoals die gevonden wordt in de afvoer van zure mijnen, de sensor zou milieurelevante niveaus van terbium kunnen detecteren. "Een uitdaging bij het extraheren van zeldzame aardelementen is dat je ze uit de rots moet halen, " zei Cotruvo. "Met de afvoer van zuurmijnen, de natuur heeft dat al voor ons gedaan, maar zoeken naar de zeldzame aarden is als het vinden van een speld in een hooiberg. We hebben een bestaande infrastructuur om drainagelocaties voor zuurmijnen in zowel actieve als inactieve mijnen te behandelen om hun impact op het milieu te verminderen. Als we de sites met de meest waardevolle zeldzame aardelementen kunnen identificeren met behulp van sensoren, we kunnen de winningsinspanningen beter concentreren om afvalstromen om te zetten in inkomstenbronnen."

Volgende, de onderzoekers testten de sensor in echte monsters van een zuiveringsinstallatie voor zuurmijnen in Pennsylvania, een zuur monster met veel andere metalen aanwezig en zeer lage niveaus van terbium-3 delen per miljard. De sensor bepaalde een concentratie terbium in het monster die vergelijkbaar was met wat ze detecteerden met de "gouden standaard"-methode, wat suggereert dat de nieuwe sensor een haalbare manier is om lage concentraties terbium in complexe omgevingsmonsters te detecteren.

"We zijn van plan de sensor verder te optimaliseren, zodat deze nog gevoeliger is en gemakkelijker kan worden gebruikt, " zei Cotruvo. "We hopen met deze aanpak ook andere specifieke zeldzame aardelementen te kunnen bereiken."