Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania han desarrollado un sensor luminiscente que puede detectar terbio, uno de los elementos de tierras raras más raros, en muestras ambientales complejas como los desechos ácidos de las minas.
En un artículo revisado por pares publicado en el Journal of the American Chemical Society, los científicos explican que el El sensor aprovecha una proteína que se une muy específicamente a elementos de tierras raras. Esto significa que el dispositivo podría aprovecharse para ayudar a desarrollar un suministro estadounidense de estos metales.
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Según los investigadores, aunque actualmente no existe una cadena de suministro nacional de elementos de tierras raras como el terbio, son bastante abundantes en fuentes no tradicionales como los subproductos del carbón. , drenaje ácido de mina, y residuos electrónicos. Sin embargo, para desarrollar estas fuentes de REE se requieren métodos de detección robustos y, hasta ahora, el estándar de oro era usar un tipo de espectrometría de masas llamada ICP-MS, que es costosa y no portátil. Los métodos portátiles, por otro lado, no son tan sensibles y no funcionan bien en muestras ambientales complejas, donde las condiciones ácidas y otros metales pueden interferir con la detección.
La proteína lanmodulina se ha desarrollado en un sensor que puede identificar el terbio de entornos complejos, como el drenaje ácido de una mina. El sensor, ilustrado aquí, emite luz verde cuando se une al terbio. (Imagen de Emily Featherstone, cortesía de Penn State University).
A diferencia de estos métodos, el desarrollo de Penn State se basa en lanmodulina, una proteína que es casi mil millones de veces mejor para unirse a elementos de tierras raras que a otros metales. La selectividad de la proteína para unirse a elementos de tierras raras es ideal para un sensor, ya que es más probable que se una a tierras raras en lugar de a otros metales que son comunes en las muestras ambientales.
Para optimizar la lanmodulina como un sensor para el terbio específicamente, los investigadores alteraron la proteína agregando el aminoácido triptófano a la proteína.
«El triptófano es lo que se llama un 'sensibilizador' para el terbio, lo que significa que la luz absorbida por el triptófano puede pasar al terbio, que luego el terbio emite a una longitud de onda diferente», dijo Joseph Cotruvo Jr., autor principal del estudio. en un comunicado de prensa.
“El color verde de esta emisión es en realidad una de las principales razones por las que el terbio se usa en tecnologías como las pantallas de los teléfonos inteligentes. Para nuestros propósitos, cuando el compuesto triptófano-lanmodulina se une al terbio, podemos observar la luz emitida, o luminiscencia, para medir la concentración de terbio en la muestra.”
Los investigadores desarrollaron muchas variantes del sensor triptófano-lanmodulina, optimizando la ubicación del triptófano para que no interfiera con la capacidad de lanmodulina para unirse a elementos de tierras raras. Estas variantes proporcionaron información importante sobre las características clave de la proteína que le permiten unirse a las tierras raras con una selectividad tan alta.
Luego, probaron la variante más prometedora para determinar la concentración más baja de terbio que el sensor podría detectar en condiciones ideales, sin otros metales que interfirieran. Incluso en condiciones muy ácidas, el sensor podría detectar niveles de terbio relevantes para el medio ambiente.
“Un desafío con la extracción de elementos de tierras raras es que tienes que sacarlos de la roca”, dijo Cotruvo. “Con el drenaje ácido de minas, la naturaleza ya lo ha hecho por nosotros, pero buscar tierras raras es como encontrar una aguja en un pajar. Contamos con infraestructura existente para tratar sitios de drenaje ácido de minas tanto en minas activas como inactivas para mitigar su impacto ambiental. Si podemos identificar los sitios con los elementos de tierras raras más valiosos usando sensores, podemos enfocar mejor los esfuerzos de extracción para convertir los flujos de desechos en fuentes de ingresos”.
A continuación, los investigadores probaron el sensor en muestras reales de una instalación de tratamiento de drenaje ácido de mina en Pensilvania: una muestra ácida con muchos otros metales presentes y niveles muy bajos de terbio: 3 partes por mil millones. El sensor determinó una concentración de terbio en la muestra que era comparable a lo que detectaron con el método «estándar de oro», lo que sugiere que el nuevo sensor es una forma viable de detectar bajas concentraciones de terbio en muestras ambientales complejas.
“Planeamos optimizar aún más el sensor para que sea aún más sensible y pueda usarse más fácilmente”, dijo Cotruvo. “También esperamos apuntar a otros elementos específicos de tierras raras con este enfoque”.