Proteinet lanmodulin har utvecklats till en sensor för att identifiera det sällsynta jordartselementet terbium från komplexa miljöer, såsom dränering av sura gruvor. Sensorn, illustreras här, avger grönt ljus när det binds till terbium. Kredit:Emily Featherston, Penn State
En ny självlysande sensor kan detektera terbium, ett värdefullt sällsynt jordartsmetall, från komplexa miljöprover som surt gruvavfall. Sensorn, utvecklad av forskare vid Penn State, drar fördel av ett protein som mycket specifikt binder till sällsynta jordartsmetaller och kan utnyttjas för att hjälpa till att utveckla en inhemsk tillgång på dessa metaller, som används i teknologier som smarta telefoner, elbilsbatterier, och energieffektiv belysning. Ett papper som beskriver sensorn visas den 25 augusti i Journal of the American Chemical Society .
Terbium, en av de sällsynta av de sällsynta jordartsmetallerna, producerar den gröna färgen i mobiltelefonskärmar och används även i högeffektiv belysning och solid-state-enheter. Dock, det finns en mängd olika kemikalier, miljö, och politiska utmaningar för att erhålla terbium och andra sällsynta jordartsmetaller från miljön. Att utveckla nya källor till dessa metaller kräver också robusta detektionsmetoder, vilket innebär ytterligare en utmaning. Till exempel, guldstandardmetoden för att upptäcka sällsynta jordartsmetaller i ett prov – en typ av masspektrometri som kallas ICP-MS – är dyr och inte bärbar. Bärbara metoder, dock, är inte lika känsliga och fungerar inte bra i komplexa miljöprover, där sura förhållanden och andra metaller kan störa upptäckten.
"Det finns för närvarande inte en inhemsk leveranskedja av sällsynta jordartsmetaller som terbium, men de är faktiskt ganska rikliga i icke-traditionella källor i USA, inklusive kolbiprodukter, sur min dränering, och elektroniskt avfall, sade Joseph Cotruvo, Jr., biträdande professor och Louis Martarano Karriärutvecklingsprofessor i kemi vid Penn State, en medlem av Penn State's Center for Critical Minerals, och senior författare av studien. "I den här studien, vi utvecklade en luminescensbaserad sensor som kan användas för att detektera och till och med kvantifiera låga koncentrationer av terbium i komplexa sura prov."
Den nya sensorn är beroende av Lanmodulin, ett protein som forskarna tidigare upptäckt som är nästan en miljard gånger bättre på att binda till sällsynta jordartsmetaller än till andra metaller. Proteinets selektivitet för att binda sällsynta jordartsmetaller är idealisk för en sensor, eftersom det med största sannolikhet binder till sällsynta jordartsmetaller istället för andra metaller som är vanliga i miljöprover.
För att optimera lanmodulin som en sensor för terbium specifikt, forskarna förändrade proteinet genom att lägga till aminosyran tryptofan till proteinet.
En ny sensor kan tillåta forskare att upptäcka det sällsynta jordartsmetallelementet terbium från komplexa miljöprover, t.ex. dränering av sura gruvor – på bilden här som förorenar en bäck i Pennsylvania. Kredit:Rachel Brennan, Penn State
"Tryptofan är vad som kallas en "sensibilisator" för terbium, vilket innebär att ljus absorberat av tryptofan kan passera till terbium, som terbium sedan avger vid en annan våglängd, ", sa Cotruvo. "Den gröna färgen på detta utsläpp är faktiskt en av de främsta anledningarna till att terbium används i tekniker som smarta telefonskärmar. För våra ändamål, när tryptofan-lanmodulin-föreningen binder till terbium, vi kan observera det emitterade ljuset, eller luminescens, för att mäta koncentrationen av terbium i provet."
Forskarna utvecklade många varianter av tryptofan-lanmodulin-sensorn, optimera platsen för tryptofan så att den inte stör lanmodulins förmåga att binda till sällsynta jordartsmetaller. Dessa varianter gav viktiga insikter om proteinets nyckelegenskaper som gör att det kan binda sällsynta jordartsmetaller med så hög selektivitet. Sedan, de testade den mest lovande varianten för att bestämma den lägsta koncentrationen av terbium som sensorn kunde upptäcka under idealiserade förhållanden – utan andra metaller att störa. Även under mycket sura förhållanden, som det som finns i sura gruvdränering, sensorn kan detektera miljömässigt relevanta nivåer av terbium. "En utmaning med att utvinna sällsynta jordartsmetaller är att du måste få ut dem ur berget, " sa Cotruvo. "Med sur gruvdränering, naturen har redan gjort det för oss, men att leta efter de sällsynta jordartsmetallerna är som att hitta en nål i en höstack. Vi har befintlig infrastruktur för att behandla sura gruvdräneringsplatser vid både aktiva och inaktiva gruvor för att mildra deras miljöpåverkan. Om vi kan identifiera platserna med de mest värdefulla sällsynta jordartsmetallerna med hjälp av sensorer, vi kan bättre fokusera utvinningsinsatser för att förvandla avfallsströmmar till intäktskällor."
Nästa, forskarna testade sensorn i faktiska prover från en dräneringsanläggning för sura gruvor i Pennsylvania, ett surt prov med många andra metaller närvarande och mycket låga nivåer av terbium - 3 delar per miljard. Sensorn bestämde en koncentration av terbium i provet som var jämförbar med vad de upptäckte med "guldstandardmetoden", vilket tyder på att den nya sensorn är ett gångbart sätt att upptäcka låga koncentrationer av terbium i komplexa miljöprover.
"Vi planerar att ytterligare optimera sensorn så att den är ännu känsligare och kan användas lättare, ", sa Cotruvo. "Vi hoppas också kunna rikta in oss på andra specifika sällsynta jordartsmetaller med detta tillvägagångssätt."
