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在近日發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會雜志》的一篇文章中，來自賓夕法尼亞州立大學(xué)的一支研究團(tuán)隊，介紹了一種可從酸性礦山廢料等復(fù)雜環(huán)境樣品中檢出高價值稀土元素（鋱 | Tb）的新型發(fā)光傳感器。通過一種能夠與該稀土元素高度結(jié)合的特異性蛋白質(zhì)，其能夠檢出酸性礦山廢水（以及其它來源）中的低濃度鋱。

賓夕法尼亞州被礦山酸水污染的一條河流（圖自：Rachel A. Brennan）

作為地球上最稀缺的元素之一，Tb 可用于在手機(jī)屏幕中產(chǎn)生綠色、高效（節(jié)能）照明、以及電動汽車電池等固態(tài)設(shè)備。而賓夕法尼亞州立大學(xué)的這項新研究，有助于在美國本土供應(yīng)此類稀土元素。

據(jù)悉，想要從環(huán)境中提取 Tb 等稀土元素，存在著各種化學(xué)、環(huán)境和政治挑戰(zhàn)。此外開發(fā)這些金屬的新來源，還需要動用強(qiáng)大的檢測方法。

畢竟常用的 ICP-MS 質(zhì)譜法不僅昂貴，也不便于攜帶。而便攜式的監(jiān)測方法又不夠靈敏，且面對復(fù)雜環(huán)境樣品的表現(xiàn)也不佳 —— 尤其酸性條件和其它金屬會對其產(chǎn)生干擾。

該校關(guān)鍵礦物中心成員、化學(xué)系職業(yè)發(fā)展教授 Louis Martarano 表示：

盡管目前境內(nèi)缺乏 Tb 等稀土元素的供應(yīng)鏈，但它們其實在美國非傳統(tǒng)資源中的儲量非常豐富 —— 包括煤炭副產(chǎn)品、礦山排放的廢酸、以及電子廢棄物中。

而在這項新研究中，我們開發(fā)了一種可發(fā)光的傳感器，特點是能夠用于檢測、甚至量化復(fù)雜酸性樣品中的低濃度 Tb 。

具體說來是，研究人員將蘭莫蛋白（lanmodulin）開發(fā)成了一種傳感器。然后驚喜地發(fā)現(xiàn)，它與稀土元素的結(jié)合度，是其它金屬的 10 億倍。

研究配圖（來自：JACS）

為了優(yōu)化作為 Tb 傳感器的蘭莫蛋白，研究人員還通過在蛋白質(zhì)中添加色氨酸來改變其性質(zhì)。研究資深作者、該校關(guān)鍵礦物中心成員、助理教授 Joseph Cotruvo Jr. 表示：

這種氨基酸是 Tb 的‘敏化劑’，意味著色氨酸吸收的光可被傳遞到 Tb，并被后者以不同的波長發(fā)射。

這種特性也是 Tb 能夠幫助手機(jī)屏幕發(fā)出綠光的一個關(guān)鍵因素，而當(dāng)色氨酸-羊毛調(diào)節(jié)蛋白化合物與 Tb 結(jié)合時，我們就可通過觀察發(fā)光來測量樣品中的 Tb 濃度。

除了排除其它非稀土金屬元素的干擾，這套檢測方案還能夠在礦井排除的高酸性廢水等環(huán)境中交出讓人滿意的高效檢出率。

通過在該州一座礦山的廢水處理設(shè)施展開實地測試，即使 Tb 的含量低至十億分之三，新型傳感器的檢測效果也與傳統(tǒng)“金標(biāo)準(zhǔn)”相當(dāng)。

后續(xù)研究團(tuán)隊將進(jìn)一步優(yōu)化傳感器，使之能夠更加靈敏、且使用起來更加方案。展望未來，他們還希望開發(fā)出針對其它特定稀土元素的檢測方法。

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