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Neuartiger Sensor spürt seltenes Terbium auf

Lumineszenz verrät noch winzigste Spuren von Seltenerdmetall in Bergwerksabwässern

Abwasser
In solchen Minenabwässern kann sich das wertvolle Seltenerdmetall Terbium verbergen. Einen Sensor um dies nachzuweisen, haben US-Forscher nun entwickelt. © Rachel Brennan/ Penn State

Verräterisches Leuchten: Forscher haben einen neuartigen Sensor entwickelt, der selbst Spuren des extrem seltenen Seltenerdmetalls Terbium aufspüren kann. Er besteht aus einem selektiv ans Terbium bindenden Proteinkomplex, der eine grüne Lumineszenz erzeugt. Auf diese Weise könnte der unter anderem für Smartphonedisplays benötigte Rohstoff auch in Bergwerksabwässern nachgewiesen und aus ihnen wiedergewonnen werden.

Ohne Seltenerdmetalle geht in der modernen Technik kaum mehr etwas – das gilt auch für Terbium, einen der seltensten Vertreter dieser Rohstoffe. Das Lanthanoid kommt nur in Verbindung mit anderen Metallen vor und muss aufwendig von diesen getrennt werden. Eingesetzt wird es als Dotierung in Halbleitern und als Zusatz in Neodym-Magneten, vor allem aber als grünes Leuchtmittel in Handydisplays, Lasern, Fluoreszenzlampen und Leuchtstoffröhren.

Das Problem jedoch: Terbium ist nur schwer nachzuweisen, weil es oft in nur winzigen Mengen vorkommt. Im Labor wird dafür meist die induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) eingesetzt, das teure Geräte erfordert und nicht vor Ort einsetzbar ist. Tragbare Analysemethoden wiederum sind oft nicht sensitiv genug, gerade wenn es beispielsweise darum geht, Terbium in komplexeren Proben wie Bergwerksabwässern, Elektroschrott oder Kohle-Beiprodukten nachzuweisen.

Terbiumsensor
Der aus dem Protein Lanmodulin mit der Aminosäure Tryptophan bestehende Sensor bringt Terbium zum Leuchten. © Emily Featherston/ Penn State

Ein Protein als Fahndungshelfer

Abhilfe schaffen könnte hier ein neuartiger Detektor, den Emily Featherston von der Pennsylvania State University und ihre Kollegen entwickelt haben. Er macht sich zunutze, dass das Protein Lanmodulin hochselektiv an Terbium bindet – selbst Gegenwart anderer Metalle. Schon winzigste Mengen des Lanthanoids reichen aus, um das Protein an sich zu ziehen und zu binden.

Um diese Bindung nachweisen zu können, ergänzten die Forschenden das Protein um die Aminosäure Tryptophan. „Tryptophan ist ein sogenannter Sensitizer für Terbium: Das Tryptophan gibt das von ihm absorbierte Licht ans Terbium weiter und regt dieses an“, erklärt Featherstons Kollege Joseph Cotruvo. Dies löst eine Lumineszenz beim Terbium aus – es beginnt grün zu leuchten und kann so mithilfe eines Photodetektors nachgewiesen werden.

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Nachweis noch von drei Milliardstel Teilchen

Wie gut dies in der Praxis funktioniert, haben Featherston und ihre Kollegen an Proben von stark saurem und metallhaltigem Minenabwasser aus einer Anlage in Pennsylvania getestet. Das Testgerät bestand dabei aus wenig mehr als einem Probenträger mit Photosensor und den Testlösungen – wäre also auch vor Ort einsetzbar.

Das Ergebnis: „Das mit Tryptophan substituierte Lanmodulin kann noch drei parts per billion (ppb) Terbium direkt nachweisen“, schreiben die Forschenden. „Dies funktionierte selbst bei einem pH-Wert von 3,2 und in Gegenwart eines hundertfachen Überschusses anderer Seltenerdmetalle und eines 100.000-fach höheren Gehalts an anderen Metallen.“ Damit ist der neue Proteinsensor ähnlich sensitiv für Terbium wie das aufwendige ICP-MS-Verfahren.

Chance für unkonventionelle Terbium-Ressourcen

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet dieser Lumineszenz-basierte Terbiumsensor neue Möglichkeiten, das wertvolle Seltenerdmetall auch aus unkonventionellen Vorkommen zu gewinnen. „Bei den Bergwerksabwässern hat die Natur schon die Vorarbeit geleistet und die Elemente aus dem Gestein gelöst“, erklärt Cotruvo. „Aber bisher glich die Suche nach Seltenerdmetallen in diesem Schlamm eher der Suche nach der Nadel im Heuhaufen.“

Mit dem neuen Terbiumsensor hat sich dies geändert. „Wenn wir damit die Standorte und Abwässer identifizieren können, an denen am meisten wertvolle Seltenerdelemente vorhanden sind, könnten wir unsere Extraktionsbemühungen gezielter auf diese konzentrieren. Das Minenabwasser könnte so zu einer neuen Quelle der Rohstoffe werden“, sagt Cotruvo.

Das Forschungsteam hofft, mit diesem proteinbasierten Ansatz auch Sensoren für weitere Seltenerdmetalle entwickeln zu können. (Journal of the American Chemical Society, 2021; doi: 10.1021/jacs.1c06360)

Quelle: Pennsylvania State University

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