Ny sensor registrerer værdifuldt sjældent jordelement terbium fra utraditionelle kilder

En ny selvlysende sensor kan registrere terbium, et værdifuldt sjældent jordelement, fra komplekse miljøprøver som surmineaffald. Sensoren, udviklet af forskere ved Penn State, udnytter et protein, der meget specifikt binder til sjældne jordartselementer og kan udnyttes til at hjælpe med at udvikle en indenlandsk forsyning af disse metaller, der bruges i teknologier som f.eks. elektriske bilbatterier, og energieffektiv belysning. Et papir, der beskriver sensoren, vises 25. august i Journal of the American Chemical Society .

Terbium, en af ​​de sjældneste af de sjældne jordartselementer, producerer den grønne farve på mobiltelefons skærme og bruges også i højeffektiv belysning og solid state-enheder. Imidlertid, der er en række forskellige kemikalier, miljø, og politiske udfordringer med at skaffe terbium og andre sjældne jordartselementer fra miljøet. Udvikling af nye kilder til disse metaller kræver også robuste detektionsmetoder, hvilket udgør en anden udfordring. For eksempel, guldstandardmetoden til påvisning af sjældne jordarters elementer i en prøve-en type massespektrometri kaldet ICP-MS-er dyr og ikke bærbar. Bærbare metoder, imidlertid, ikke er så følsomme og ikke fungerer godt i komplekse miljøprøver, hvor sure betingelser og andre metaller kan forstyrre påvisning.

"Der er i øjeblikket ikke en indenlandsk forsyningskæde af sjældne jordartselementer som terbium, men de er faktisk ret rigelige i ikke-traditionelle kilder i USA, herunder kulbiprodukter syredyn dræning, og elektronisk affald, "sagde Joseph Cotruvo, Jr., adjunkt og Louis Martarano Karriereudviklingsprofessor i kemi i Penn State, medlem af Penn State's Center for Critical Minerals, og seniorforfatter af undersøgelsen. "I dette studie, vi udviklede en luminescensbaseret sensor, der kan bruges til at detektere og endda kvantificere lave koncentrationer af terbium i komplekse sure prøver. "

Den nye sensor er afhængig af lanmodulin, et protein, som forskerne tidligere opdagede, der er næsten en milliard gange bedre til at binde sig til sjældne jordartselementer end til andre metaller. Proteinets selektivitet til at binde sjældne jordartselementer er ideel til en sensor, da det højst sandsynligt vil binde til sjældne jordarter i stedet for andre metaller, der er almindelige i miljøprøver.

For at optimere lanmodulin som en sensor til terbium specifikt, forskerne ændrede proteinet ved at tilføje aminosyren tryptophan til proteinet.

"Tryptophan er det, der kaldes en 'sensibiliserende' for terbium, hvilket betyder, at lys absorberet af tryptophan kan ledes til terbium, som terbiet derefter udsender ved en anden bølgelængde, "sagde Cotruvo." Den grønne farve på denne emission er faktisk en af ​​hovedårsagerne til, at terbium bruges i teknologier som smarttelefonskærme. Til vores formål, når tryptophan-lanmodulinforbindelsen binder til terbium, vi kan observere det udsendte lys, eller luminescens, for at måle koncentrationen af ​​terbium i prøven. "

Forskerne udviklede mange varianter af tryptophan-lanmodulin sensoren, optimering af tryptophans placering, så det ikke forstyrrer lanmodulins evne til at binde til sjældne jordartselementer. Disse varianter gav vigtig indsigt i proteinets hovedtræk, der gør det muligt at binde sjældne jordarter med så høj selektivitet. Derefter, de testede den mest lovende variant for at bestemme den laveste koncentration af terbium, sensoren kunne registrere under idealiserede forhold - uden at andre metaller skulle forstyrre. Selv under meget sure forhold, ligesom det, der findes i syredrainafvanding, sensoren kunne registrere miljømæssigt relevante niveauer af terbium. "En udfordring med at udtrække sjældne jordarters elementer er, at du skal få dem ud af klippen, "sagde Cotruvo." Med sur minedrænage, naturen har allerede gjort det for os, men at lede efter de sjældne jordarter er som at finde en nål i en høstak. Vi har eksisterende infrastruktur til behandling af syredrainafvandingssteder ved både aktive og inaktive miner for at afbøde deres miljøpåvirkning. Hvis vi kan identificere lokaliteterne med de mest værdifulde sjældne jordartselementer ved hjælp af sensorer, vi kan bedre fokusere indvindingsindsatsen for at gøre affaldsstrømme til indtægtskilder. "

Næste, forskerne testede sensoren i faktiske prøver fra et syreaminedræneringsbehandlingsanlæg i Pennsylvania, en sur prøve med mange andre metaller til stede og meget lave terbiumniveauer - 3 dele pr. milliard. Sensoren bestemte en koncentration af terbium i prøven, der var sammenlignelig med, hvad de opdagede med metoden "guldstandard", tyder på, at den nye sensor er en levedygtig måde at detektere lave koncentrationer af terbium i komplekse miljøprøver.

"Vi planlægger at optimere sensoren yderligere, så den er endnu mere følsom og lettere kan bruges, "sagde Cotruvo." Vi håber også at kunne målrette mod andre specifikke sjældne jordartselementer med denne tilgang. "