Ученые представили новый подход к измерению содержания редкоземельных элементов в растениях без необходимости их срезания. Это значимый шаг для развития технологии «растительного майнинга», которая подразумевает извлечение ценных компонентов из загрязненных почв с последующей переработкой, как у руды.
Редкоземельные элементы необходимы почти всему высокотехнологичному миру — от смартфонов и ветряков до электродвигателей и усилителей. При этом «редкими» они считаются скорее условно: в земной коре их довольно много, однако обычно они находятся в очень низких концентрациях, что делает их добычу технически сложной и экологически небезопасной. Поэтому ученые постоянно ищут альтернативные источники редкоземельных металлов и разрабатывают экологически чистые и менее разрушительные методы их извлечения.
Один из подходов — использовать отходы горнодобывающей промышленности и другие токсичные грунты, где концентрации редкоземельных элементов выше средних. Проблема заключается в том, что даже в таких местах их все равно недостаточно для традиционного извлечения. Тем не менее, некоторые растения способны поглощать эти элементы из почвы и накапливать их в своих тканях — в таком случае достаточно дождаться, когда растение накопит максимальное количество нужного элемента, и переработать его, что проще и безопаснее, чем обрабатывать руду. Однако для успешного применения этой стратегии необходимо быстро и точно измерять, сколько металла уже «собрало» растение и когда его лучше всего собрать для переработки.
Коллин Догерти и Майкл Куденов из Университета штата Северная Каролина решили эту задачу с помощью флуоресцентной спектроскопии. Суть метода заключается в том, что некоторые элементы, поглощая свет, излучают его обратно — на других длинах волн и в течение определенного времени. Если знать, как именно и как долго светится тот или иной элемент, можно определить его наличие и оценить концентрацию по яркости сигнала.
Сложность заключается в том, что сами растения также «флуоресцируют» — их собственное свечение значительно маскирует сигнал металлов. Ученые сосредоточились на диспрозии — редкоземельном элементе, который имеет важное значение для электроники и «зеленой» энергетики. Его преимущество в том, что он светится дольше, чем растительная ткань. После кратковременного воздействия глубокого ультрафиолета «растительный» сигнал быстро исчезает, а диспрозий продолжает излучать, что позволяет его выделить и измерить.
В ходе экспериментов использовались растения, выращенные на субстрате с добавлением диспрозия. Листья снаружи обработали раствором вольфрамата натрия, который усиливает свечение диспрозия. Затем лазером возбуждали флуоресценцию и фиксировали спектр и интенсивность излучения. Этот метод позволил надежно обнаруживать диспрозий и достаточно точно оценивать его содержание в тканях.
Основное преимущество этой методики заключается в том, что измерения проводятся быстро и не наносят ущерба растению, один и тот же куст можно проверять многократно и «ловить» момент максимального накопления в нем нужного металла. Авторы уже продемонстрировали, что такой подход эффективен и для тербия и европия, а с небольшими настройками — и для эрбия и неодима.