La proteina lanmodulina è stata sviluppata in un sensore per identificare l'elemento delle terre rare terbio da ambienti complessi, come il drenaggio di miniere acide. Il sensore, illustrato qui, emette luce verde quando è legato al terbio. Credito:Emily Featherston, Penn State
Un nuovo sensore luminescente può rilevare il terbio, un prezioso elemento di terre rare, da campioni ambientali complessi come i rifiuti acidi delle miniere. Il sensore, sviluppato dai ricercatori della Penn State, sfrutta una proteina che si lega in modo molto specifico agli elementi delle terre rare e potrebbe essere sfruttata per aiutare a sviluppare una fornitura domestica di questi metalli, utilizzati in tecnologie come smartphone, batterie per auto elettriche, e illuminazione ad alta efficienza energetica. Un documento che descrive il sensore appare il 25 agosto nel Giornale della Società Chimica Americana .
Terbio, uno dei più rari degli elementi delle terre rare, produce il colore verde nei display dei telefoni cellulari ed è utilizzato anche nell'illuminazione ad alta efficienza e nei dispositivi a stato solido. Però, ci sono una varietà di prodotti chimici, ambientale, e sfide politiche per ottenere terbio e altri elementi delle terre rare dall'ambiente. Lo sviluppo di nuove fonti di questi metalli richiede anche metodi di rilevamento robusti, che pone un'altra sfida. Per esempio, il metodo gold standard per rilevare gli elementi delle terre rare in un campione, un tipo di spettrometria di massa chiamata ICP-MS, è costoso e non portatile. Metodi portatili, però, non sono così sensibili e non si comportano bene in campioni ambientali complessi, dove condizioni acide e altri metalli possono interferire con il rilevamento.
"Attualmente non esiste una catena di approvvigionamento nazionale di elementi delle terre rare come il terbio, ma in realtà sono abbastanza abbondanti nelle fonti non tradizionali negli Stati Uniti, compresi i sottoprodotti del carbone, drenaggio acido della miniera, e rifiuti elettronici, " disse Giuseppe Cotruvo, Jr., assistente professore e Louis Martarano Career Development Professor of Chemistry alla Penn State, un membro del Center for Critical Minerals della Penn State, e autore senior dello studio. "In questo studio, abbiamo sviluppato un sensore basato sulla luminescenza che può essere utilizzato per rilevare e persino quantificare basse concentrazioni di terbio in campioni acidi complessi".
Il nuovo sensore si basa su lanmodulina, una proteina che i ricercatori hanno scoperto in precedenza che è quasi un miliardo di volte migliore nel legarsi agli elementi delle terre rare rispetto ad altri metalli. La selettività della proteina per legare gli elementi delle terre rare è ideale per un sensore, poiché è più probabile che si leghi alle terre rare invece che ad altri metalli comuni nei campioni ambientali.
Per ottimizzare la lanmodulina come sensore specifico per il terbio, i ricercatori hanno alterato la proteina aggiungendo l'aminoacido triptofano alla proteina.
Un nuovo sensore potrebbe consentire ai ricercatori di rilevare il terbio, elemento delle terre rare, da campioni ambientali complessi, come il drenaggio di una miniera acida, qui raffigurata che inquina un ruscello della Pennsylvania. Credito:Rachel Brennan, Penn State
"Il triptofano è quello che viene chiamato un 'sensibilizzante' per il terbio, il che significa che la luce assorbita dal triptofano può essere trasmessa al terbio, che il terbio emette poi a una lunghezza d'onda diversa, " ha detto Cotruvo. "Il colore verde di questa emissione è in realtà uno dei motivi principali per cui il terbio viene utilizzato in tecnologie come i display degli smartphone. Per i nostri scopi, quando il composto triptofano-lanmodulina si lega al terbio, possiamo osservare la luce emessa, o luminescenza, per misurare la concentrazione di terbio nel campione."
I ricercatori hanno sviluppato molte varianti del sensore triptofano-lanmodulina, ottimizzando la posizione del triptofano in modo che non interferisca con la capacità della lanmodulina di legarsi agli elementi delle terre rare. Queste varianti hanno fornito importanti informazioni sulle caratteristiche chiave della proteina che le consentono di legare le terre rare con una selettività così elevata. Quindi, hanno testato la variante più promettente per determinare la concentrazione più bassa di terbio che il sensore poteva rilevare in condizioni ideali, senza che altri metalli interferissero. Anche in condizioni altamente acide, come quello che si trova nel drenaggio acido della miniera, il sensore potrebbe rilevare livelli di terbio rilevanti per l'ambiente. "Una sfida con l'estrazione di elementi delle terre rare è che devi estrarli dalla roccia, — disse Cotruvo. — Con il drenaggio acido della miniera, la natura lo ha già fatto per noi, ma cercare le terre rare è come trovare un ago in un pagliaio. Disponiamo di infrastrutture esistenti per trattare i siti di drenaggio delle miniere acide sia nelle miniere attive che in quelle inattive per mitigare il loro impatto ambientale. Se siamo in grado di identificare i siti con gli elementi di terre rare di maggior valore utilizzando i sensori, possiamo concentrare meglio gli sforzi di estrazione per trasformare i flussi di rifiuti in fonti di reddito".
Prossimo, i ricercatori hanno testato il sensore in campioni reali provenienti da un impianto di trattamento del drenaggio di una miniera acida in Pennsylvania, un campione acido con molti altri metalli presenti e livelli molto bassi di terbio, 3 parti per miliardo. Il sensore ha determinato una concentrazione di terbio nel campione che era paragonabile a quella rilevata con il metodo "gold standard", suggerendo che il nuovo sensore è un modo praticabile per rilevare basse concentrazioni di terbio in campioni ambientali complessi.
"Abbiamo in programma di ottimizzare ulteriormente il sensore in modo che sia ancora più sensibile e possa essere utilizzato più facilmente, " ha detto Cotruvo. "Speriamo anche di prendere di mira altri elementi specifici delle terre rare con questo approccio".
