稀土包括鈧（Sc）、釔（Y）和鑭系（Ln）共17種元素。稀土元素具有優(yōu)異的光、電、磁等物理和化學(xué)特性，各懷“絕技”，在現(xiàn)代科技和工業(yè)等眾多領(lǐng)域有著廣泛且重要的用途。鑒于稀土的重大價值，各國紛紛加大投入力度，開采稀土礦石資源。2025年1月16日，中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布了一則振奮人心的消息：在云南省紅河地區(qū)發(fā)現(xiàn)了超大規(guī)模離子吸附型稀土礦，鞏固了我國在稀土領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。這一報道也從側(cè)面凸顯了稀土資源在當(dāng)今時代至關(guān)重要的戰(zhàn)略地位。然而，由于稀土具有相似的外層電子排布，導(dǎo)致其化學(xué)性質(zhì)相似，為勘探、檢測和分離稀土帶來了極大的技術(shù)難題。
常見的檢測稀土的方法都存在一些通病，如儀器體積龐大、價格昂貴、操作難度高等問題。因此，研發(fā)出一種高效、快速、成本低廉且能準(zhǔn)確鑒定所有稀土元素的分析方法是地質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域亟待攻克的難關(guān)。
近日，我?；瘜W(xué)化工學(xué)院黃碩教授課題組基于異質(zhì)恥垢分枝桿菌膜蛋白A（MspA）孔道，實現(xiàn)了所有稀土的同時區(qū)分。在本工作中，研究團(tuán)隊提出兩種策略：單配體策略和雙配體策略，優(yōu)化稀土的區(qū)分效果。在單配體策略中（圖1），該團(tuán)隊在孔道收縮區(qū)域引入了固定的單個次氮基三乙酸（NTA）適配器?；诠潭ㄅ潴wNTA和三價稀土離子的配位作用，直接實現(xiàn)了部分稀土的區(qū)分。
圖1: 單配體策略檢測稀土
為了進(jìn)一步提高對稀土的區(qū)分能力，該團(tuán)隊在單配體策略的基礎(chǔ)上引入第二個游離配體，創(chuàng)新性地提出雙配體策略（圖2）。當(dāng)孔道上的固定配體（NTA）螯合三價稀土離子時，此時稀土離子仍可以與游離配體（N,N-雙 (羧甲基)-L-賴氨酸，ANTA）發(fā)生配位作用，匯報出特異性事件，機(jī)器學(xué)習(xí)識別準(zhǔn)確率高達(dá)99.6%，這是世界上第一個能完全分辨所有稀土的納米孔。
圖2: 雙配體策略檢測稀土
隨后該團(tuán)隊將雙配體策略應(yīng)用到真實稀土礦石—氟碳鈰礦的分析中（圖3），利用納米孔進(jìn)行定性和定量分析，成功鑒定出氟碳鈰礦中的稀土種類和豐度，展示其在礦石勘探領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
圖3: 氟碳鈰礦中稀土的納米孔分析
該工作以“Nanopore discrimination of rare earth elements”為題，于2025年2月10日發(fā)表在《Nature Nanotechnology》（論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-01864-w）。我校黃碩教授為該論文通訊作者，化學(xué)化工學(xué)院博士生孫雯、肖云麒和王可凡為該論文共同第一作者。此項研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等經(jīng)費支持。
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