第一作者：Wen Sun, Yunqi Xiao, Kefan Wang
通讯作者：Shuo Huang
通讯单位：南京大学
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01864-w
稀土元素（REEs）是周期表中III
b
族的17种元素。REEs包括钪（Sc）、钇（Y）和15种镧系（Ln）元素，其中有镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）。由于它们独特的光学、电学和磁学特性，REEs是现代技术中不可或缺的材料。REEs的工业应用包括催化剂制造、磁铁、陶瓷、荧光粉和电极材料。然而，不同的镧系元素具有相似的价电子，导致它们的化学性质相似，因此在REE的识别和分离方面面临着巨大的挑战。
本文对一种摩氏杆菌孔蛋白A纳米孔进行了工程化改造，使其在孔径狭窄处含有一个氨三乙酸配体。通过进一步引入第二种配体N
α
,N
α
-双（羧甲基）-L-赖氨酸hydrate（ANTA），建立了一种双配体传感策略。这种策略的独特之处在于，多种稀土元素（III）离子显示出包含三级跃迁的特征性阻断特征，这对于区分不同的稀土元素（III）至关重要。稀土元素（III）的纳米孔事件还表现出明显的周期性，这表明在单分子尺度上观察到了镧系收缩效应。借助机器学习的帮助，所有16种天然存在的稀土元素（III）都已通过纳米孔高精度地被识别出来。这种传感策略进一步应用于分析氟碳铈矿样品，表明它在地质勘探中的潜在应用。
图1| 通过单配体策略进行稀土元素(III)的纳米孔鉴定
1.本文首次制备了一种异八聚体MspA，其在90位点仅含有一个半胱氨酸，被称为(N90C)
1
(M2)
7
。这个半胱氨酸巯基进一步与马来酰亚胺-C3-NTA反应，形成一个附加了NTA的纳米孔（MspA-NTA）。通过单通道记录逐步观察了这个反应的过程（图1b）。作为静止配体出现在孔道狭窄处的NTA，用于可逆地捕获和释放稀土元素(III)，以产生纳米孔事件（图1a）。
2.为了定量描述所有事件，定义了由稀土元素(III)（REE(III)）引起的相对阻塞程度（%I
REE
= (I
REE
- INTA)/INTA）以及阻塞水平的标准偏差（Std）。随着所测试的稀土元素(III)的原子序数增加，%I
REE
逐渐减小。然而，正如对应的箱线图所示，从铽离子（Tb
3+
）开始，%I
REE
值变得难以区分（图1c），这表明这种感应方法仅在区分一部分稀土元素(III)时有用。使用镧离子（La
3+
）和铽离子（Tb
3+
）获得的结果报告了视觉上不同的事件特征（图1d）。对于铽离子（Tb
3+
）和钆离子（Gd
3+
），尽管它们对应的事件看起来相似，但在相应的%I
REE
和 Std 的二维散点图中仍然可以明显区分开来。
1.如报道所述，两个NTA配体可以同时结合一个稀土元素（REE）离子生成夹心复合物。因此，当MspA-NTA的固定NTA配体螯合一个稀土元素（REE）时，捕获的REE可以进一步与二级配体配位形成夹心配合物（图2a）。因此，本文选择ANTA增强单配体策略，ANTA在溶液中是可移动的，被视为移动配体。这种传感模式被定义为双配体策略（图2a），其中固定配体首先捕获目标REE，然后移动配体进一步与绑定的REE结合以报告传感信息（图2b）。
2.在实验中，当插入MspA-NTA时，最初观察到对应于未占据MspA-NTA的状态（状态i；图2c）。进一步向trans中加入HoCl
3
·6H
2
O后，立即出现了对应于结合了Ho
3+
离子的MspA-NTA的状态（状态ii-Ho；图2c）。进一步向cis中加入ANTA，导致出现对应于形成夹心配合物的状态（图2a），其中心有一个Ho
3+
（状态iii-Ho；图2c）。随后向系统中加入TmCl
3
·6H
2
O，结果后来观察到分别对应于状态ii-Tm和状态iii-Tm的状态（图2c）。状态iii的阻塞水平定义为I
b
。由Ho
3+
或Tm
3+
引起的状态iii事件是正向的（I
b
> I
REE
）并包含多级跃迁。图2c中状态i的电报噪声应该是由孔径收缩处的NTA适配器运动引起的。当NTA螯合了一个Ho
3+
，结合的Ho
3+
可能在孔腔内的氨基酸与NTA适配器之间建立相互作用，从而产生低噪声和降低的电流水平。当NTA-Ho
3+
复合物进一步与ANTA结合时，它从孔腔中释放出来，孔径收缩更加开放，导致整体增加通道电导并出现正向事件。同时对Ho
3+
和Tm
3+
传感的更广泛展示表明，状态iii的事件特征有助于区分绑定的REE(III)。由于只有当两个配体同时结合到孔上时才会出现状态iii事件，因此所有状态iii事件都被定义为双配体事件。双配体事件的出现率随着ANTA浓度的增加而增加，证实了状态iii事件是由ANTA的结合引起的。
1.为了进一步实现定量、自动化和无偏见的数据分析，本文建立了一个自定义的机器算法，据报告该算法的验证准确率为0.994（图3a）。为评估模型训练的效率，生成了学习曲线结果。之前准备的测试集也用于模型测试，并展示了相应的混淆矩阵结果（图3b）。
2.利用双配体策略同时对15种稀土元素(III)进行传感（图3c）。收集所有双配体事件的结果，并使用先前训练好的机器算法进行预测。根据训练集和相应的99.9%置信椭圆分析，确认了数据分布的高度分离，这与机器学习估计的准确率一致。同时考虑多个事件参数的机器算法为稀土元素(III)的鉴定提供了一种更快速、准确和自动化的方法。
1.为评估该技术在分析矿物中稀土元素（REE）潜力，本文选择了一种不含REE的矿物——石英，作为参考对象进行研究（图4a）。对于石英，纳米孔测量完全没有观察到REE事件，这表明除REE以外的矿物成分的存在不会对测量产生任何干扰。将石英样品与CeCl
3
·6H
2
O、SmCl
3
·6H
2
O和DyCl
3
·6H
2
O混合。纳米孔测量结果清晰地报告了相应的REE事件（图4b）。在相应的三维事件散点图中，可以清楚地观察到三个不同的事件群体（图4c）。根据机器学习预测结果，这些事件被确认为Ce
3+
、Sm
3+
和Dy
3+
，与添加的REE的身份一致。上述演示还使用石英进行，但混合了NdCl
3
·6H
2
O、EuCl
3
·6H
2
O和ErCl
3
·6H
2
O。根据产生的纳米孔痕迹（图4d）和相应的三维事件散点图（图4e），检测到的REE被确认为Nd
3+
、Eu
3+
和Er
3+
。
1.为了展示稀土元素（REE）的定量分析，本文制备了一个包含四种已知数量的REE(III)的标准样品，并分别将其送往进行ICP-MS和纳米孔分析，根据这些分析获得了高度一致的结果。稀土元素在地壳中高度分散，这意味着很难找到具有足够经济价值大量的稀土矿石。为了展示该技术对实际矿石中REE(III)快速分析的潜力，本文采用了主要包含轻稀土元素碳酸盐和氟化物的氟碳铈矿，对其进行酸水解以进行纳米孔分析（图5a）。展示了纳米孔获取的原始痕迹（图5b）。在定量结果中（图5c,d），尽管存在一些微小的差异，但ICP-MS和纳米孔技术产生的结果是大致一致的，这确认了这种纳米孔技术可以用于自然矿石样本中REE(III)的定量分析。
利用含有NTA适配体的工程化MspA纳米孔，进行了稀土元素（III）的纳米孔分析。开发了两种传感模式，分别定义为单配体或双配体策略。单配体策略只需要在孔径狭窄处安装固定的NTA配体，简单直接。然而，它无法完全区分所有稀土元素（III）。双配体策略包括一个次要的ANTA配体，可以明确地区分所有16种天然存在的稀土元素（III）。在此，检测限被定义为在连续测量10分钟内检测到至少2个双配体事件的稀土元素（III）的最低浓度。对于稀土元素（III），可以实现纳摩尔级的检测限，这与电感耦合等离子体-原子发射光谱法相当，但低于电感耦合等离子体质谱法的检测限。通过优化配体或使用高密度纳米孔阵列，可能会进一步提高检测限。并行测量也可能提高稀土元素（III）定量的准确性和效率。观察到的事件特征还展示了单分子中的镧系收缩现象。尽管本研究未展示Pm
3+
的传感，但根据所有其他稀土元素（III）离子产生的纳米孔结果观察到的原则，预计Pm
3+
的事件特征将介于Nd
3+
和Sm
3+
之间。这种传感方法进一步应用于天然氟碳铈矿的分析，表明其在地质勘探和材料分析中的潜在应用。
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