南京大学，Nature Nanotechnology！

米测MeLab

2025-03-04

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

稀土元素（REE）是元素周期表1中IIIB族的17种元素。稀土元素由钪（Sc）、钇（Y）和15种镧系元素（Ln）组成，是具有独特的电、发光和磁性能的战略资源，被广泛应用于催化剂、磁体、陶瓷、荧光和电极材料制造等多个领域。

关键问题

然而，稀土元素的识别和分离主要存在以下问题：

1、 稀土元素的鉴定和分离面临着巨大的挑战

由于不同的Ln元素具有相似的价电子，导致它们具有相似的化学性质，因此在REE的鉴定和分离方面面临着巨大的挑战。

2、稀土元素的常规分析方法受到多种限制

稀土元素的常规分析方法包括中子活化分析、X射线荧光光谱法和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）。中子活化分析受到耗时的过程和长时间冷却的限制。

新思路

有鉴于此，南京大黄硕教授等人在孔收缩处含有氨三乙酸配体的耻垢分枝杆菌( Mycobacterium smegmatis )孔蛋白A纳米孔。通过进一步引入次级配体N_α，N_α-双(羧甲基) - L -赖氨酸水合物( ANTA )，建立了双靶传感策略。该策略的一个独特之处在于，多种REE ( III )离子报告了包含三能级跃迁的特征阻塞特征，这对于区分不同的REE ( III )a至关重要。REE (Ⅲ)s的纳米孔事件也显示出明显的周期性，表明在单分子状态下观察到镧系收缩效应。在机器学习的辅助下，所有16种天然存在的REE (Ⅲ)均被纳米孔识别，且准确率较高。    

技术方案：

1、开发了单配体策略用于识别REE（III）

作者通过工程化MSP纳米孔开发单配体传感策略检测REE (III)离子，但仅能区分部分离子，镧和铽以上离子区分能力受限。

2、开发了一种基于MSP纳米孔的双配体传感策略

作者开发了基于MSP纳米孔的双配体传感策略，成功区分了16种REE(III)s离子，并利用机器学习算法，实现高精度、自动化检测。

3、评估了纳米孔双配体传感技术在矿物中REE(III)分析中的应用潜力

作者评估了纳米孔双配体传感技术在矿物中REE(III)分析中的应用，验证了其高准确性和抗干扰能力。    

4、证实了纳米孔技术科用于实际矿石中稀土元素的定量分析

作者通过制备含有已知数量REE（III）的标准样品，验证了纳米孔技术在稀土元素定量分析中具有较高的准确性和可靠性。

技术优势：

1、建立了双靶传感策略，实现了对不同稀土离子的高精度区分

作者通过在耻垢分枝杆菌孔蛋白A纳米孔中引入氨三乙酸配体和次级配体ANTA，构建了双靶传感策略，该策略利用多种REE (III)s离子的三能级跃迁特征阻塞信号，实现了对不同REE (III)s离子的高精度区分。

2、结合机器学习实现了高精度识别

作者利用机器学习算法对纳米孔检测到的16种天然存在的REE (III)s离子进行分析，实现了高准确率的识别。同时，通过观察REE (III)s离子的纳米孔事件周期性，揭示了单分子状态下镧系收缩效应的存在。

技术细节

通过单配体策略识别REE（III）

作者通过制备含有NTA适配器的工程化MSP纳米孔（MSPA-NTA），开发了单配体和双配体传感策略用于REE(III)离子的检测。在单配体策略中，NTA配体固定在纳米孔收缩处，可逆地捕获REE（III）离子，产生特征阻塞事件。实验表明，随着REE（III）离子的原子序数增加，阻塞水平（I_REE）降低，但该方法仅能区分部分REE（III）离子，如镧（La³⁺）和铽（Tb³⁺）以上离子的区分能力受限。尽管如此，通过二维散点图分析，仍可观察到不同REE（III）离子的事件特征差异。    

图  单配体策略鉴定稀土元素（III）的纳米孔

通过双靶策略区分REE（III）

作者还开发了一种基于MSP纳米孔的双配体传感策略，用于检测和区分REE(III)离子。研究中首先通过在纳米孔中固定NTA配体，并引入移动配体ANTA，形成三明治复合物，实现了对16种天然REE（III）s离子的完全区分。实验发现，双配体事件的特征（如阻塞水平、停留时间等）与REE（III）离子的离子半径密切相关，且通过机器学习算法，实现了对REE（III）s离子的快速、准确和自动化检测，模型验证精度达到0.994。研究还发现，随着REE（III）s离子的离子半径增加，双配体事件的平均停留时间（τ_OFF）显著降低，这与镧系收缩效应一致。此外，该方法还展示了在复杂样本（如天然矿石）中的应用潜力。这种基于纳米孔的双配体传感策略不仅能够高精度区分REE（III）离子，还为稀土元素的定量分析提供了一种新的技术手段。    

图  双配体策略鉴别稀土元素（III）的纳米孔

图  通过机器学习识别稀土元素（III）

石英中REE（III）的快速鉴定

作者评估了纳米孔双配体传感技术在矿物中REE(III)分析中的应用潜力。研究选择不含REE（III）的石英矿物作为参考，纳米孔检测中未观察到REE（III）事件，表明该技术对非REE矿物成分无干扰。随后，将石英分别与CeCl₃·6H₂O、SmCl₃·6H₂O、DyCl₃·6H₂O以及NdCl₃·6H₂O、EuCl₃·6H₂O、ErCl₃·6H₂O混合后进行纳米孔测量，成功检测并区分了相应的REE（III）离子。三维事件散点图清晰显示了不同REE（III）离子的特征群体，且通过机器学习算法确认了离子种类，结果与添加的REE（III）一致。这表明该技术能够有效检测和区分矿物中的REE（III）离子，具有较高的准确性和抗干扰能力。    

图  石英中掺稀土元素（III）的快速鉴定

氟碳铈矿中REE（III）的鉴定

为了验证纳米孔技术在稀土元素（REE）(III)定量分析中的应用潜力，作者制备了含有已知数量的四种REE（III）的标准样品，并分别采用ICP-MS和纳米孔技术进行分析。结果显示，两种方法的分析结果高度一致，表明纳米孔技术在REE（III）定量分析中具有较高的准确性。纳米孔技术能够有效检测氟碳铈矿中的REE（III），且与ICP-MS的结果总体一致，尽管存在一些细微差异，但验证了该技术在天然矿石样品中REE（III）定量分析的可行性。这表明纳米孔技术可以作为一种快速、有效的分析工具，用于实际矿石中稀土元素的定量分析。    

图  氟碳铈矿中稀土元素（III）的纳米孔分析

展望

总之，本工作开发了一种基于工程化耻垢分枝杆菌孔蛋白A（MspA）纳米孔的双配体传感策略，用于稀土元素（REE）(III)离子的检测。通过引入次级配体ANTA，实现了对所有16种天然REE (III)离子的明确区分，检测极限达到纳摩尔级别，与电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）相当。此外，该方法还观察到单分子水平的镧系收缩效应，并成功应用于天然黄铁矿矿石的分析，展示了其在地质勘探和材料分析中的潜在应用价值。

参考文献：

Sun, W., Xiao, Y., Wang, K. et al. Nanopore discrimination of rare earth elements. Nat. Nanotechnol. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01864-w