南京大学化学化工学院黄硕团队:纳米孔稀土分析

稀土包括钪（Sc）、钇（Y）和镧系（Ln）共17种元素。稀土元素具有优异的光、电、磁等物理和化学特性，各怀“绝技”，在现代科技和工业等众多领域有着广泛且重要的用途。鉴于稀土的重大价值，各国纷纷加大投入力度，开采稀土矿石资源。2025年1月16日，中国地质调查局发布了一则振奋人心的消息：在云南省红河地区发现了超大规模离子吸附型稀土矿，巩固了我国在稀土领域的优势地位。这一报道也从侧面凸显了稀土资源在当今时代至关重要的战略地位。然而，由于稀土具有相似的外层电子排布，导致其化学性质相似，为勘探、检测和分离稀土带来了极大的技术难题。

常见的检测稀土的方法都存在一些通病，如仪器体积庞大、价格昂贵、操作难度高等问题。因此，研发出一种高效、快速、成本低廉且能准确鉴定所有稀土元素的分析方法是地质科学等领域亟待攻克的难关。

近日，我校化学化工学院黄硕教授课题组基于异质耻垢分枝杆菌膜蛋白A（MspA）孔道，实现了所有稀土的同时区分。在本工作中，研究团队提出两种策略：单配体策略和双配体策略，优化稀土的区分效果。在单配体策略中（图1），该团队在孔道收缩区域引入了固定的单个次氮基三乙酸（NTA）适配器。基于固定配体NTA和三价稀土离子的配位作用，直接实现了部分稀土的区分。

图1: 单配体策略检测稀土

为了进一步提高对稀土的区分能力，该团队在单配体策略的基础上引入第二个游离配体，创新性地提出双配体策略（图2）。当孔道上的固定配体（NTA）螯合三价稀土离子时，此时稀土离子仍可以与游离配体（N,N-双 (羧甲基)-L-赖氨酸，ANTA）发生配位作用，汇报出特异性事件，机器学习识别准确率高达99.6%，这是世界上第一个能完全分辨所有稀土的纳米孔。

图2: 双配体策略检测稀土

随后该团队将双配体策略应用到真实稀土矿石—氟碳铈矿的分析中（图3），利用纳米孔进行定性和定量分析，成功鉴定出氟碳铈矿中的稀土种类和丰度，展示其在矿石勘探领域的应用潜力。

图3: 氟碳铈矿中稀土的纳米孔分析

该工作以“Nanopore discrimination of rare earth elements”为题，于2025年2月10日发表在《Nature Nanotechnology》（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-01864-w）。我校黄硕教授为该论文通讯作者，化学化工学院博士生孙雯、肖云麒和王可凡为该论文共同第一作者。此项研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等经费支持。