Neuer Sensor zum Nachweis seltener Erden in sauren Minenabfällen

Forscher der Penn State University haben einen Lumineszenzsensor entwickelt, der Terbium, eines der seltensten Seltenerdelemente, in komplexen Umweltproben wie sauren Minenabfällen nachweisen kann. In einem von Experten begutachteten Artikel, der im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde, erklären die Wissenschaftler, dass sich der Sensor ein Protein zunutze macht, das sehr spezifisch an Seltenerdelemente bindet. Das bedeutet, dass das Gerät dazu genutzt werden könnte, die Versorgung der USA mit diesen Metallen zu verbessern. Den Forschern zufolge gibt es zwar derzeit keine heimische Versorgungskette für Seltene Erden wie Terbium, aber sie sind in nicht-traditionellen Quellen wie Kohle-Nebenprodukten, sauren Minenabwässern und Elektronikschrott recht reichlich vorhanden. Zur Erschließung dieser REE-Quellen sind jedoch robuste Nachweismethoden erforderlich, und bisher war der Goldstandard die Verwendung einer Art Massenspektrometrie namens ICP-MS, die teuer und nicht tragbar ist. Tragbare Methoden wiederum sind nicht so empfindlich und eignen sich nicht für komplexe Umweltproben, in denen saure Bedingungen und andere Metalle den Nachweis stören können. Das Protein Lanmodulin wurde zu einem Sensor entwickelt, der Terbium in komplexen Umgebungen wie sauren Minenabläufen nachweisen kann. Der hier abgebildete Sensor sendet grünes Licht aus, wenn er an Terbium gebunden ist. (Bild von Emily Featherstone, mit freundlicher Genehmigung der Penn State University). Im Gegensatz zu diesen Methoden stützt sich die Entwicklung der Penn State University auf Lanmodulin, ein Protein, das sich fast eine Milliarde Mal besser an Seltene Erden binden kann als an andere Metalle. Die Selektivität des Proteins bei der Bindung von Seltenen Erden ist ideal für einen Sensor, da es am ehesten an Seltene Erden bindet und nicht an andere Metalle, die in Umweltproben häufig vorkommen. Um Lanmodulin speziell als Sensor für Terbium zu optimieren, veränderten die Forscher das Protein, indem sie ihm die Aminosäure Tryptophan hinzufügten. "Tryptophan ist ein so genannter 'Sensibilisator' für Terbium, was bedeutet, dass Licht, das von Tryptophan absorbiert wird, an das Terbium weitergegeben werden kann, das dann bei einer anderen Wellenlänge emittiert", sagte Joseph Cotruvo Jr. "Die grüne Farbe dieser Emission ist einer der Hauptgründe, warum Terbium in Technologien wie Smartphone-Displays verwendet wird. Für unsere Zwecke können wir, wenn die Tryptophan-Lanmodulin-Verbindung an Terbium bindet, das emittierte Licht oder die Lumineszenz beobachten, um die Konzentration von Terbium in der Probe zu messen." Die Forscher entwickelten zahlreiche Varianten des Tryptophan-Lanmodulin-Sensors, wobei sie die Position des Tryptophans so optimierten, dass es die Fähigkeit des Lanmodulins zur Bindung an Seltene Erden nicht beeinträchtigt. Diese Varianten lieferten wichtige Einblicke in die Schlüsselmerkmale des Proteins, die es ihm ermöglichen, Seltene Erden mit solch hoher Selektivität zu binden. Dann testeten sie die vielversprechendste Variante, um die niedrigste Konzentration von Terbium zu bestimmen, die der Sensor unter idealisierten Bedingungen - ohne störende andere Metalle - nachweisen kann. Selbst unter stark sauren Bedingungen konnte der Sensor umweltrelevante Mengen an Terbium nachweisen. "Eine Herausforderung bei der Gewinnung von Seltenen Erden ist, dass man sie aus dem Gestein herausholen muss", so Cotruvo. "Bei der sauren Minenentwässerung hat die Natur das bereits für uns getan, aber die Suche nach den Seltenen Erden ist wie die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen. Wir verfügen über eine bestehende Infrastruktur zur Behandlung von saurem Grubenwasser in aktiven und inaktiven Minen, um deren Umweltauswirkungen zu mindern. Wenn wir die Standorte mit den wertvollsten Seltenen Erden mit Hilfe von Sensoren identifizieren können, können wir die Abbauanstrengungen besser fokussieren, um Abfallströme in Einnahmequellen zu verwandeln". Als Nächstes testeten die Forscher den Sensor in tatsächlichen Proben aus einer Aufbereitungsanlage für saure Minenabwässer in Pennsylvania - einer sauren Probe mit vielen anderen Metallen und sehr geringen Mengen an Terbium - 3 Teile pro Milliarde. Der Sensor ermittelte eine Terbiumkonzentration in der Probe, die mit der Goldstandardmethode vergleichbar war, was darauf hindeutet, dass der neue Sensor eine praktikable Möglichkeit darstellt, niedrige Terbiumkonzentrationen in komplexen Umweltproben nachzuweisen. "Wir planen, den Sensor weiter zu optimieren, damit er noch empfindlicher wird und einfacher eingesetzt werden kann", so Cotruvo. "Wir hoffen, dass wir mit diesem Ansatz auch andere spezifische Seltene Erden nachweisen können.