Der neue Lumineszenzsensor kann Terbium, ein wertvolles Element der Seltenen Erden, aus komplexen Umweltproben wie Abraum von Säureminen nachweisen. Der von Forschern der Penn State entwickelte Sensor nutzt ein Protein, das spezifisch an Seltene Erden bindet und könnte genutzt werden, um eine lokale Versorgung mit diesen Mineralien zu fördern, die in Technologien wie Smartphones, Elektroautobatterien und energieeffiziente Beleuchtung. Ein Papier, das den Sensor beschreibt, erscheint am 25. August in Zeitschrift der American Chemical Society.

Terbium, eines der seltensten seltene ErdvorkommenGrün wird in Handy-Bildschirmen produziert und wird auch in hocheffizienten Beleuchtungs- und Halbleitergeräten verwendet. Die Gewinnung von Terbium und anderen Seltenerdelementen aus der Umwelt ist jedoch mit einer Vielzahl chemischer, umweltbezogener und politischer Herausforderungen verbunden. Die Erschließung neuer Quellen für diese Mineralien erfordert auch robuste Nachweismethoden, die eine weitere Herausforderung darstellen. Zum Beispiel ist die Goldstandardmethode zum Nachweis von Seltenerdelementen in einer Probe – eine Art Massenspektrometrie namens ICP-MS – teuer und nicht tragbar. Tragbare Methoden sind jedoch nicht empfindlich und funktionieren in komplexen Umgebungsproben, in denen saure Bedingungen und andere Metalle den Nachweisprozess stören können, nicht gut.

„Es gibt derzeit keine heimische Lieferkette für Seltenerdelemente wie Terbium, aber sie sind in den Vereinigten Staaten tatsächlich reichlich in unkonventionellen Quellen vorhanden, einschließlich Kohlenebenprodukten, Säureminenabflussund Elektroschrott“, sagte Joseph Kotrovo Jr., außerordentlicher Professor und Professor für Karriereentwicklung für Chemie am Penn State Luis Martarano, Mitglied des Penn State Center for Critical Minerals und leitender Autor der Studie. In dieser Studie haben wir einen lumineszenzbasierten Sensor entwickelt, mit dem sich niedrige Terbiumkonzentrationen in komplexen sauren Proben erkennen und sogar messen lassen.“

Der neue Sensor basiert auf Lanmodulin, einem Protein, von dem Forscher zuvor entdeckt hatten, dass es fast eine Milliarde Mal besser an Seltenerdelemente bindet als andere Metalle. Die Selektivität des Proteins, Seltenerdelemente zu binden, ist für den Sensor ideal, da es eher an Seltene Erden als an andere in Umweltproben übliche Metalle bindet.

Um Lanmodulin als Terbiumsensor gezielt zu verbessern, veränderten die Forscher das Protein, indem sie dem Protein die Aminosäure Tryptophan zusetzten.

„Tryptophan ist ein sogenannter ‚Sensibilisator‘ für Terbium, was bedeutet, dass das vom Tryptophan absorbierte Licht auf das Terbium übertragen werden kann, das dann das Terbium mit einer anderen Wellenlänge emittiert“, sagte Kotrovo. „Die grüne Farbe dieser Emission ist tatsächlich einer der Hauptgründe, warum Terbium in Technologien wie Smartphone-Bildschirmen verwendet wird. Für unsere Zwecke können wir, wenn die Tryptophan-Lanmodulin-Verbindung an Terbium bindet, das emittierte Licht oder die Leuchtkraft überwachen, um zu messen die Konzentration von Terbium in der Probe.“

Die Forscher entwickelten mehrere Varianten des Tryptophan-Lanmodulin-Sensors und optimierten die Position von Tryptophan, damit es die Fähigkeit von Lanmodulin, an REEs zu binden, nicht beeinträchtigt. Diese Varianten lieferten wichtige Einblicke in die Schlüsseleigenschaften des Proteins, die es ihm ermöglichen, Seltene Erden mit so hoher Selektivität zu binden. Als nächstes testeten sie die vielversprechende Variante, um die niedrigste Terbiumkonzentration zu bestimmen, die der Sensor unter idealen Bedingungen erkennen konnte – ohne dass andere Metalle stören würden. Auch unter dem Hoch saure Bedingungen, wie sie in der sauren Grubenentwässerung vorkommen, kann der Sensor umweltrelevante Terbiumgehalte erkennen. „Eine der Herausforderungen bei der Gewinnung von Seltenerdelementen besteht darin, sie aus dem Gestein zu holen“, sagte Kotrovo. „Bei der sauren Minenentwässerung hat die Natur dies bereits für uns getan, aber die Suche nach Seltenen Erden ist wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Wir verfügen über eine Infrastruktur, um saure Minenentwässerungsstellen in aktiven und passiven Minen anzugehen, um deren Umweltauswirkungen zu mindern.“ wenn wir Standorte mit den wertvollsten Seltenerdelementen identifizieren können SensorenWir können die Extraktionsbemühungen besser darauf konzentrieren, Abfallströme in Einnahmequellen zu verwandeln.“

Als nächstes testeten die Forscher den Sensor in echten Proben aus einer sauren Minenentwässerungsverarbeitungsanlage in Pennsylvania, einer sauren Probe, die viele andere Mineralien und sehr niedrige Terbiumgehalte enthielt – 3 Teile pro Milliarde. Der Sensor bestimmte eine Terbiumkonzentration in der Probe, die der mit der „Goldstandard“-Methode ähnlich ist, was darauf hindeutet, dass der neue Sensor eine brauchbare Methode zum Nachweis niedriger Terbiumkonzentrationen in der Probe ist. Terbium im Komplex Umweltproben.

„Wir planen, den Sensor weiter zu verbessern, damit er empfindlicher ist und einfacher verwendet werden kann“, sagte Kotrovo. „Wir hoffen auch, auf andere spezifische seltene Boden Elemente dieses Ansatzes.