Un nouveau capteur luminescent peut détecter le terbium, un élément précieux des terres rares, à partir d'échantillons environnementaux complexes comme 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, batteries de voiture électrique, et un éclairage écoénergétique. Un article décrivant le capteur paraît le 25 août dans le Journal de l'American Chemical Society .

Terbium, l'un des éléments les plus rares des terres rares, produit la couleur verte dans les écrans des téléphones portables et est également utilisé dans l'éclairage à haute efficacité et les dispositifs à semi-conducteurs. Cependant, il existe une variété de produits chimiques, environnemental, et les défis politiques pour obtenir du terbium et d'autres éléments des terres rares de l'environnement. Développer de nouvelles sources de ces métaux nécessite également des méthodes de détection robustes, ce qui pose un autre défi. Par exemple, la méthode de référence pour détecter les éléments des terres rares dans un échantillon - un type de spectrométrie de masse appelé ICP-MS - est coûteuse et non portable. 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 pas actuellement 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, drainage minier acide, et les déchets électroniques, " dit Joseph Cotruvo, Jr., professeur adjoint et professeur de développement de carrière Louis Martarano de chimie à Penn State, membre du Penn State's Center for Critical Minerals, 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."

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 lier les éléments des terres rares est idéale pour un capteur, car il est plus susceptible de se lier aux terres rares au lieu d'autres métaux communs dans les échantillons environnementaux.

Pour optimiser la lanmoduline en tant que capteur pour le 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' au 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 fins, 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, optimiser 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. Puis, 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 susceptible d'interférer. Même dans des conditions très acides, comme celui que l'on trouve 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, " dit 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 avec 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."

Prochain, 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. "