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元素周期表IIIB族中，鈧（Sc）、釔（Y）、鑭系（Ln）共17種元素被統(tǒng)稱為稀土元素。稀土元素具有優(yōu)異的光、電、磁等物理和化學特性，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。例如，釹和釤作為稀土界的明星元素，是制造高性能永磁材料的關(guān)鍵成分，推動新能源發(fā)展；鈰在汽車尾氣凈化領(lǐng)域大顯身手，可作為催化劑，有效降低汽車尾氣對環(huán)境的污染。因此，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。然而，由于稀土具有相似的外層電子排布，導致其化學性質(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各有利弊。中子活化分析技術(shù)（NAA）靈敏度高，可多元素同時分析，但設(shè)備復雜，對某些元素的冷卻時間長，導致其無法在現(xiàn)場進行快速檢測。X射線熒光光譜分析（XRF）常用于分析固體樣品，但靈敏度偏低。當下，電感耦合等離子體-質(zhì)譜法（ICP-MS）是檢測稀土元素的主流方法，但其常受到氧化物和氫氧根離子造成的光譜干擾等。且這些檢測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?；诖?，研發(fā)出一種高效、快速、成本低廉且能準確鑒定所有稀土元素的分析方法是地質(zhì)科學等領(lǐng)域亟待攻克的難關(guān)。

近日，我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，該團隊提出兩種策略：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），該團隊在孔道內(nèi)最靈敏的識別位點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，實現(xiàn)了部分稀土的區(qū)分。

圖1: 單配體策略檢測稀土

　為了進一步提高對稀土的區(qū)分能力，該團隊在單配體策略的基礎(chǔ)上引入第二個游離的配體，創(chuàng)新性地提出雙配體策略（圖2）。當孔道上的固定配體（NTA）螯合三價稀土離子時，此時稀土離子還有多余的空軌道可以與游離配體（N,N-雙 (羧甲基)-L-賴氨酸，ANTA）發(fā)生配位作用，從而匯報出專屬于該稀土離子的特異性事件，機器學習識別準確率高達99.6%，這是世界上第一個能完全分辨所有稀土的納米孔。同時，該團隊也通過稀土離子的特異性事件在單分子水平上觀測到鑭系收縮規(guī)律。

圖2: 雙配體策略檢測稀土

　隨后該團隊將雙配體策略應(yīng)用到真實稀土礦石—氟碳鈰礦的分析中（圖3），通過酸解凍干提取氟碳鈰礦中的稀土，并利用納米孔進行鑒定和定量分析，成功鑒定出氟碳鈰礦中的稀土種類和豐度，且納米孔檢測結(jié)果與ICP-MS結(jié)果相一致。這一結(jié)果體現(xiàn)了該方法的實用性，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》（文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01864-w，DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-025-01864-w）。我院黃碩教授為論文通訊作者，我院博士生孫雯、肖云麒和王可凡為該論文共同第一作者。此項研究得到了生命分析化學國家重點實驗室以及南京大學化學和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院（ChemBIC）的重要支持，科技部國家重點研發(fā)計劃（項目編號：2022YFA1304602，2023YFF1205900）、國家自然科學基金（項目編號：22225405，223B2402）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目（項目編號：020514380336）、江蘇省高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才引進計劃（個人、團體計劃）、南京大學卓越計劃（項目編號：ZYJH004）等經(jīng)費支持。