La proteína lanmodulina se ha desarrollado en un sensor para identificar el elemento terbio de tierras raras de entornos complejos, como el drenaje ácido de minas. El sensor ilustrado aquí, emite luz verde cuando se une al terbio. Crédito:Emily Featherston, Penn State
Un nuevo sensor luminiscente puede detectar terbio, un valioso elemento de tierras raras, a partir de muestras ambientales complejas como los desechos ácidos de las minas. El sensor desarrollado por investigadores de Penn State, aprovecha una proteína que se une muy específicamente a elementos de tierras raras y podría aprovecharse para ayudar a desarrollar un suministro nacional de estos metales, que se utilizan en tecnologías como teléfonos inteligentes, baterías de coche eléctrico, e iluminación energéticamente eficiente. Un artículo que describe el sensor aparece el 25 de agosto en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .
Terbio, uno de los elementos de tierras raras más raros, produce el color verde en las pantallas de los teléfonos móviles y también se utiliza en iluminación de alta eficiencia y dispositivos de estado sólido. Sin embargo, hay una variedad de productos químicos, ambiental, y desafíos políticos para obtener terbio y otros elementos de tierras raras del medio ambiente. El desarrollo de nuevas fuentes de estos metales también requiere métodos de detección sólidos, lo que plantea otro desafío. Por ejemplo, el método estándar de oro para detectar elementos de tierras raras en una muestra, un tipo de espectrometría de masas llamada ICP-MS, es caro y no portátil. Métodos portátiles, sin embargo, no son tan sensibles y no funcionan bien en muestras ambientales complejas, donde las condiciones ácidas y otros metales pueden interferir con la detección.
"Actualmente no existe una cadena de suministro nacional de elementos de tierras raras como el terbio, pero en realidad son bastante abundantes en fuentes no tradicionales en los EE. UU., incluidos los subproductos del carbón, drenaje de ácido minero, y residuos electrónicos, "dijo Joseph Cotruvo, Jr., profesor asistente y profesor de desarrollo profesional Louis Martarano de Química en Penn State, miembro del Centro de Minerales Críticos de Penn State, y autor principal del estudio. "En este estudio, desarrollamos un sensor basado en luminiscencia que se puede utilizar para detectar e incluso cuantificar concentraciones bajas de terbio en muestras ácidas complejas ".
El nuevo sensor se basa en lanmodulina, una proteína que los investigadores descubrieron anteriormente 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 unir elementos de tierras raras es ideal para un sensor, ya que es más probable que se una a las tierras raras en lugar de a otros metales que son comunes en las muestras ambientales.
Para optimizar la lanmodulina como sensor de terbio específicamente, los investigadores alteraron la proteína agregando el aminoácido triptófano a la proteína.
Un nuevo sensor podría permitir a los investigadores detectar el elemento terbio de tierras raras a partir de muestras ambientales complejas, como el drenaje ácido de una mina, que se muestra aquí contaminando un arroyo de Pensilvania. Crédito:Rachel Brennan, Penn State
"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 emite el terbio en una longitud de onda diferente, ", dijo Cotruvo." El color verde de esta emisión es en realidad una de las principales razones por las que el terbio se utiliza 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 de triptófano-lanmodulina, optimizar la ubicación del triptófano para que no interfiera con la capacidad de la 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 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 idealizadas, sin otros metales que interfieran. Incluso en condiciones muy ácidas, como el que se encuentra en el drenaje ácido de las minas, el sensor podría detectar niveles de terbio relevantes para el medio ambiente. "Un desafío con la extracción de elementos de tierras raras es que debes sacarlos de la roca, ", dijo Cotruvo." Con drenaje ácido de mina, la naturaleza ya lo ha hecho por nosotros, pero buscar las tierras raras es como encontrar una aguja en un pajar. Contamos con infraestructura existente para tratar los 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 utilizando sensores, podemos enfocar mejor los esfuerzos de extracción para convertir los flujos de desechos en fuentes de ingresos ".
Próximo, los investigadores probaron el sensor en muestras reales de una instalación de tratamiento de drenaje ácido de una 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 la que detectó con el método del "estándar de oro". lo que sugiere que el nuevo sensor es una forma viable de detectar concentraciones bajas 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 ".
