Tecnologia Científica

Novo sensor detecta valioso elemento de terra rara térbio de fontes não tradicionais
O desenvolvimento de novas fontes desses metais também requer métodos de detecção robustos, o que representa outro desafio.
Por Pennsylvania State University - 26/08/2021


Um novo sensor luminescente pode detectar térbio, um valioso elemento de terra rara, a partir de amostras ambientais complexas, como resíduos de mineração de ácido. O sensor, desenvolvido por pesquisadores da Penn State, aproveita uma proteína que se liga muito especificamente a elementos de terras raras e poderia ser aproveitado para ajudar a desenvolver um suprimento doméstico desses metais, que são usados ​​em tecnologias como smartphones e baterias de carros elétricos e iluminação com eficiência energética. Um artigo descrevendo o sensor aparece em 25 de agosto no Journal of the American Chemical Society .

A proteína lanmodulina foi desenvolvida em um sensor para identificar
o elemento de terras raras térbio em ambientes complexos, como a
drenagem ácida de minas. O sensor, ilustrado aqui, emite luz verde quando
vinculado ao térbio. Crédito: Emily Featherston, Penn State

O térbio, um dos mais raros elementos de terras raras , produz a cor verde em telas de telefones celulares e também é usado em iluminação de alta eficiência e dispositivos de estado sólido. No entanto, há uma variedade de desafios químicos, ambientais e políticos para a obtenção de térbio e outros elementos de terras raras do meio ambiente. O desenvolvimento de novas fontes desses metais também requer métodos de detecção robustos, o que representa outro desafio. Por exemplo, o método padrão ouro de detecção de elementos de terras raras em uma amostra - um tipo de espectrometria de massa chamado ICP-MS - é caro e não portátil. Os métodos portáteis, no entanto, não são tão sensíveis e não funcionam bem em amostras ambientais complexas, onde as condições ácidas e outros metais podem interferir na detecção.

"Não existe atualmente uma cadeia de abastecimento doméstica de elementos de terras raras como o térbio, mas eles são bastante abundantes em fontes não tradicionais nos Estados Unidos, incluindo subprodutos de carvão, drenagem ácida de minas e lixo eletrônico", disse Joseph Cotruvo, Jr. , professor assistente e Professor de Química de Desenvolvimento de Carreira Louis Martarano na Penn State, membro do Centro de Minerais Críticos da Penn State e autor sênior do estudo. "Neste estudo, desenvolvemos um sensor baseado em luminescência que pode ser usado para detectar e até mesmo quantificar baixas concentrações de térbio em amostras ácidas complexas."

O novo sensor depende da lanmodulina, uma proteína que os pesquisadores descobriram anteriormente que é quase um bilhão de vezes melhor na ligação a elementos de terras raras do que a outros metais. A seletividade da proteína para ligar elementos de terras raras é ideal para um sensor, pois é mais provável que se ligue a terras raras em vez de outros metais comuns em amostras ambientais.

Para otimizar a lanmodulina como um sensor de térbio especificamente, os pesquisadores alteraram a proteína adicionando o aminoácido triptofano à proteína.

Um novo sensor pode permitir que os pesquisadores detectem o elemento terra-rara
térbio em amostras ambientais complexas, como a drenagem ácida de minas -
retratada aqui poluindo um riacho da Pensilvânia.
Crédito: Rachel Brennan, Penn State

"Triptofano é o que se chama de 'sensibilizador' do térbio, o que significa que a luz absorvida pelo triptofano pode ser passada para o térbio, que o térbio emite em um comprimento de onda diferente", disse Cotruvo. "A cor verde dessa emissão é na verdade uma das principais razões pelas quais o térbio é usado em tecnologias como telas de smartphones. Para nossos propósitos, quando o composto triptofano-lanmodulina se liga ao térbio, podemos observar a luz emitida, ou luminescência, para medir a concentração de térbio na amostra. "
 
Os pesquisadores desenvolveram muitas variantes do sensor de triptofano-lanmodulina, otimizando a localização do triptofano para que não interfira com a capacidade da lanmodulina de se ligar a elementos de terras raras. Essas variantes forneceram informações importantes sobre as principais características da proteína que a habilitam a se ligar a terras raras com alta seletividade. Em seguida, eles testaram a variante mais promissora para determinar a concentração mais baixa de térbio que o sensor poderia detectar em condições idealizadas - sem outros metais para interferir. Mesmo sob condições altamente ácidas, como aquele encontrado na drenagem ácida de minas, o sensor pode detectar níveis de térbio ambientalmente relevantes. “Um desafio com a extração de elementos de terras raras é que você tem que retirá-los da rocha”, disse Cotruvo. "Com a drenagem ácida de minas, a natureza já fez isso por nós, mas procurar as terras raras é como encontrar uma agulha em um palheiro. Temos infraestrutura existente para tratar locais de drenagem ácida de minas em minas ativas e inativas para mitigar seu impacto ambiental . Se pudermos identificar os locais com os elementos de terras raras mais valiosos usando sensores , podemos concentrar melhor os esforços de extração para transformar os fluxos de resíduos em fontes de receita. "

Em seguida, os pesquisadores testaram o sensor em amostras reais de uma instalação de tratamento de drenagem ácida de mina na Pensilvânia, uma amostra ácida com muitos outros metais presentes e níveis muito baixos de térbio - 3 partes por bilhão. O sensor determinou uma concentração de térbio na amostra que era comparável à detectada com o método "padrão ouro", sugerindo que o novo sensor é uma forma viável de detectar baixas concentrações de térbio em amostras ambientais complexas .

“Pretendemos otimizar ainda mais o sensor para que fique ainda mais sensível e possa ser usado com mais facilidade”, disse Cotruvo. "Também esperamos atingir outros elementos de terras raras específicos com esta abordagem."

 

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