Un nouveau capteur pourrait permettre aux chercheurs de détecter le terbium, un élément des terres rares, à partir d’échantillons environnementaux complexes, tels que le drainage minier acide, illustré ici en train de polluer un ruisseau de Pennsylvanie. Crédit : Rachel A. Brennan, Penn State
De faibles concentrations de terbium ont pu être identifiées à partir de acide drainage minier et autres sources de déchets.
Un nouveau capteur luminescent peut détecter le terbium, un élément précieux des terres rares, à partir d’échantillons environnementaux complexes tels que les déchets miniers acides. Le capteur, développé par des chercheurs de Penn State, tire parti d’une protéine qui se lie très spécifiquement aux éléments des terres rares et pourrait être exploitée pour aider à développer un approvisionnement domestique de ces métaux, qui sont utilisés dans des technologies telles que les téléphones intelligents, les batteries de voitures électriques. , et un éclairage économe en énergie. Un article décrivant le capteur a été publié dans le Journal de l’American Chemical Society.
Le terbium, l’un des éléments les plus rares des terres rares, produit la couleur verte des écrans de téléphones portables et est également utilisé dans l’éclairage à haute efficacité et les appareils à semi-conducteurs. Cependant, il existe une variété de défis chimiques, environnementaux et politiques pour obtenir du terbium et d’autres éléments des terres rares de l’environnement. Le développement de nouvelles sources de ces métaux nécessite également des méthodes de détection robustes, ce qui pose un autre défi. Par exemple, la méthode standard de détection des éléments des terres rares dans un échantillon – un type de spectrométrie de masse appelé ICP-MS – est coûteuse et non portable. Les méthodes portables, cependant, ne sont pas aussi sensibles et ne fonctionnent pas bien dans des échantillons environnementaux complexes, où des conditions acides et d’autres métaux peuvent interférer avec la détection.
“Il n’y a actuellement pas de chaîne d’approvisionnement nationale d’éléments de terres rares comme le terbium, mais ils sont en fait assez abondants dans les sources non traditionnelles aux États-Unis, y compris les sous-produits du charbon, le drainage minier acide et les déchets électroniques”, a déclaré Joseph Cotruvo Jr., professeur adjoint. et Louis Martarano, professeur de chimie en développement de carrière à Penn State, membre du Center for Critical Minerals de l’Université et auteur principal de l’étude. « Dans cette étude, nous avons développé un capteur basé sur la luminescence qui peut être utilisé pour détecter et même quantifier de faibles concentrations de terbium dans des échantillons acides complexes. »
La protéine lanmoduline a été développée en un capteur capable d’identifier le terbium, élément des terres rares, dans des environnements complexes, tels que le drainage minier acide. Le capteur, illustré ici, émet une lumière verte lorsqu’il est lié au terbium. Crédit : Emily Featherston, Penn State
Le nouveau capteur repose sur la lanmoduline, une protéine que les chercheurs ont précédemment découverte et qui se lie presque un milliard de fois mieux aux éléments des terres rares qu’aux autres métaux. La sélectivité de la protéine pour se lier aux éléments des terres rares est idéale pour un capteur, car elle est plus susceptible de se lier aux terres rares au lieu d’autres métaux qui sont courants dans les échantillons environnementaux.
Pour optimiser la lanmoduline en tant que capteur de terbium en particulier, les chercheurs ont modifié la protéine en ajoutant l’acide aminé tryptophane à la protéine.
“Le tryptophane est ce qu’on appelle un” sensibilisateur “pour le terbium, ce qui signifie que la lumière absorbée par le tryptophane peut être transmise au terbium, que le terbium émet alors à une longueur d’onde différente”, a déclaré Cotruvo. « La couleur verte de cette émission est en fait l’une des principales raisons pour lesquelles le terbium est utilisé dans des technologies telles que les écrans de téléphones intelligents. Pour nos besoins, lorsque le composé tryptophane-lanmoduline se lie au terbium, nous pouvons observer la lumière émise, ou luminescence, pour mesurer la concentration de terbium dans l’échantillon.
Les chercheurs ont développé de nombreuses variantes du capteur tryptophane-lanmoduline, optimisant l’emplacement du tryptophane afin qu’il n’interfère pas avec la capacité de la lanmoduline à se lier aux éléments des terres rares. Ces variantes ont fourni des informations importantes sur les principales caractéristiques de la protéine qui lui permettent de se lier aux terres rares avec une sélectivité aussi élevée. Ensuite, ils ont testé la variante la plus prometteuse pour déterminer la plus faible concentration de terbium que le capteur pourrait détecter dans des conditions idéalisées – sans aucun autre métal à interférer. Même dans des conditions très acides, comme celles trouvées dans le drainage minier acide, le capteur pourrait détecter des niveaux de terbium pertinents pour l’environnement.
“L’un des défis de l’extraction des éléments de terres rares est que vous devez les extraire de la roche”, a déclaré Cotruvo. « Avec le drainage minier acide, la nature l’a déjà fait pour nous, mais chercher les terres rares, c’est comme trouver une aiguille dans une botte de foin. Nous avons une infrastructure existante pour traiter les sites de drainage minier acide dans les mines actives et inactives afin d’atténuer leur impact environnemental. Si nous pouvons identifier les sites contenant les éléments de terres rares les plus précieux à l’aide de capteurs, nous pouvons mieux concentrer les efforts d’extraction pour transformer les flux de déchets en sources de revenus. »
Ensuite, les chercheurs ont testé le capteur dans des échantillons réels provenant d’une installation de traitement de drainage minier acide en Pennsylvanie – un échantillon acide avec de nombreux autres métaux présents et de très faibles niveaux de terbium – 3 parties par milliard. Le capteur a déterminé une concentration de terbium dans l’échantillon qui était comparable à ce qu’ils ont détecté avec la méthode “gold standard”, suggérant que le nouveau capteur est un moyen viable de détecter de faibles concentrations de terbium dans des échantillons environnementaux complexes.
“Nous prévoyons d’optimiser davantage le capteur afin qu’il soit encore plus sensible et puisse être utilisé plus facilement”, a déclaré Cotruvo. “Nous espérons également cibler d’autres éléments spécifiques des terres rares avec cette approche.”
Référence : « Probing Lanmodulin’s Lanthanide Recognition via Sensitized Luminescence Yields a Platform for Quantification of Terbium in Acid Mine Drainage » par Emily R. Featherston, Edward J. Issertell et Joseph A. Cotruvo Jr., 25 août 2021, Journal de l’American Chemical Society.
DOI : 10.1021/jacs.1c06360
En plus de Cotruvo, l’équipe de recherche de Penn State comprend Emily Featherson, étudiante diplômée en chimie, et Edward Issertell, étudiant de premier cycle au moment de la recherche. Cette recherche est soutenue par la National Science Foundation et le Penn State Eberly College of Science.
