当一种新的传感器与用于智能手机和其他技术的稀土金属镧(Ln)结合时，它的荧光会发生变化，这可能为检测这些难以捉摸的金属提供一种更高效、更划算的方法。一种更高效、更经济的检测镧系元素的方法——用于智能手机和其他技术的稀土金属——可能成为可能，因为一种新的基于蛋白质的传感器可以在与这些金属结合时改变其荧光。宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员从他们最近描述的一种蛋白质中开发出了这种传感器，随后用它来探索使用镧系元素的细菌的生物学特性。一项描述这种传感器的研究发表在《美国化学学会杂志》(Journal of the American Chemical Society)的网络版上。

来源:宾夕法尼亚州立大学Cotruvo实验室

宾夕法尼亚州立大学化学专业助理教授兼路易斯·马尔塔拉诺职业发展教授、该研究的资深作者约瑟夫·科特鲁沃说:“镧系元素被广泛应用于当前的各种技术中，包括智能手机的屏幕和电子产品、电动汽车的电池、卫星和激光器。”这些元素被称为稀土，它们包括元素周期表上原子量为57到71的化学元素。从环境或工业样品中提取稀土，比如从矿山废水或煤炭废料中提取，既困难又昂贵。我们开发了一种基于蛋白质的传感器，可以检测样本中微量的镧系元素，让我们知道是否值得投入资源来提取这些重要的金属。”

研究小组重新设计了一种用于检测钙的荧光传感器，用他们最近发现的一种蛋白质取代了传感器中与钙结合的部分，这种蛋白质与镧系元素的结合能力是其他金属的几百万倍。当这种蛋白质与镧系元素结合时，其形状会发生变化，而镧系元素是传感器荧光“打开”的关键。

Cotruvo说:“检测样品中每一种元素的黄金标准是一种叫做ICP-MS的质谱技术。”“这项技术非常敏感，但它需要大多数实验室没有的专业仪器，而且价格不菲。我们开发的基于蛋白质的传感器允许我们检测样品中镧系元素的总量。它不能识别每一个单独的元素，但它可以在采样地点快速、廉价地完成。”

研究小组还利用该传感器研究了一种使用镧系元素的细菌的生物学特性。镧系元素结合蛋白最初就是从这种细菌中发现的。早期的研究已经在细菌的外周质(细胞外膜之间的空间)中发现了镧系元素，但是，通过传感器，研究小组还在细菌的胞浆中发现了镧系元素，胞浆是充满细胞的液体。

科特鲁沃说:“我们发现，元素周期表上镧和钕之间最轻的元素能够进入细胞质，但较重的元素则不能。”“我们仍在试图确切地理解这是如何发生的，为什么会发生，但这告诉我们，细胞质中有一些蛋白质处理镧系元素，这是我们以前不知道的。了解这种高摄取选择性背后的原因，也有助于开发新的方法来分离一种镧系元素，而这目前是一个非常困难的问题。”

研究小组还确定，细菌吸收镧的方式与许多细菌吸收铁的方式非常相似;它们分泌与金属紧密结合的小分子，整个复合物被带入细胞。这表明有小分子可能比高选择性传感器更紧密地与镧系元素结合。

Cotruvo说:“我们希望进一步研究这些小分子和细胞醇中的任何蛋白质，它们最终可能比我们在传感器中使用的蛋白质更容易与镧系元素结合。”“研究这些元素是如何与镧系元素结合并相互作用的，可能会启发我们在收集镧系元素用于当前技术时，如何复制这些过程。”除了科楚沃，研究小组还包括宾夕法尼亚州立大学的约瑟夫·马托克斯和杰克逊·何。