測(cè)量超微量人造核種-鈾236 海洋所主導(dǎo)之突破性前緣技術(shù)

本校海洋研究所林卉婷助理教授、地質(zhì)系沈川洲講座教授、兩位博士後研究員姜宏偉與余采倫、以及國(guó)際合作夥伴組成的團(tuán)隊(duì)，於6月9日在分析界最頂尖《分析化學(xué)》期刊(Analytical Chemistry)，發(fā)表極為困難的前緣鈾同位素²³⁶U/²³⁸U比值分析技術(shù)，預(yù)計(jì)將對(duì)近代海洋學(xué)進(jìn)展有莫大助益，引領(lǐng)出海洋環(huán)流研究的新方向。

海水中原本就含有均勻，但很少量的鈾元素 (U)，濃度為每公克海水中有3 × 10^-9 克鈾，而三個(gè)主要自然存在的同位素為²³⁸U (99.275%)、²³⁵U (0.720%) 、²³⁴U (0.005%)。西元1950-1960年，一系列的太平洋核爆測(cè)試中，製造出²³⁶U溶入海水，現(xiàn)今每克海洋表面海水約含有3 × 10^-18 克超微量的²³⁶U，同時(shí)使得海洋鈾同位素²³⁶U/²³⁸U的比值從小於 10^-12 “暴增”到 10^-9～10^-8。核爆產(chǎn)生的²³⁶U會(huì)隨著海洋環(huán)流從太平洋帶往全世界，不斷改變各海域的²³⁶U/²³⁸U比值；因此這個(gè)比值，成為全球與區(qū)域性的海洋循環(huán)研究最新、且最有潛力的工具。但分析²³⁶U/²³⁸U比值很不容易，因而阻礙其研究的發(fā)展。

目前臺(tái)灣附近表層海水中的²³⁶U與²³⁸U的比值約為1 : 10⁹，差別非常懸殊，想像一下，若²³⁸U的儀器訊號(hào)強(qiáng)度是從地面到340公里高處的太空站，而²³⁶U的訊號(hào)比一隻不到0.5 公釐的小螞蟻還要矮。天差地別的兩個(gè)同位素要同時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量，非常困難，況且巨大的²³⁸U訊號(hào)，會(huì)有一小部分散落在外，干擾甚至淹沒(méi)²³⁶U訊號(hào)。

從十年前開(kāi)始，才有少數(shù)幾個(gè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室能分析²³⁶U/²³⁸U比值，利用加速質(zhì)譜儀的百萬(wàn)伏特的加速電壓，讓²³⁶U與²³⁸U離子經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生差異極大的旋轉(zhuǎn)半徑，將兩個(gè)同位素完全分離，進(jìn)行測(cè)量。第二個(gè)困難是，²³⁶U量實(shí)在太少，一克海水僅僅有數(shù)千個(gè)²³⁶U原子，而加速質(zhì)譜儀最好的靈敏度約為千分之一，也就是僅能測(cè)量到幾個(gè)原子，於是需要有20至40公升的海水才行，然後將鈾元素純化濃縮，進(jìn)而分析。價(jià)值數(shù)億元新臺(tái)幣的昂貴加速質(zhì)譜儀、數(shù)十公升的樣品需求、繁瑣的化學(xué)及數(shù)小時(shí)的量測(cè)時(shí)間等因素，以致²³⁶U/²³⁸U無(wú)法普遍分析與應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)利用位在臺(tái)大地質(zhì)系的多接受器耦合電漿質(zhì)譜儀，發(fā)展出新的技術(shù)，此質(zhì)譜儀的靈敏度達(dá)百分之二，大大降低樣品需求量，僅需要0.5至1公升的海水，含有飛克 (10^-15 克) 的²³⁶U就足夠分析。但這質(zhì)譜儀的加速電壓僅有8千伏特，有萬(wàn)分之一的²³⁸U離子束，會(huì)出現(xiàn)在質(zhì)量數(shù)236上，這一點(diǎn)點(diǎn)的干擾對(duì)²³⁶U測(cè)量而言，卻是致命性的影響，因?yàn)樗?sup>236U訊號(hào)還大上一千倍，完全淹沒(méi)²³⁶U，無(wú)法測(cè)量。林卉婷教授表示，可以利用一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪蚋邏?，削減²³⁸U在其他質(zhì)量位置的影響，來(lái)解決這個(gè)難題。另外，²³⁵U加一個(gè)氫的化合物²³⁵UH訊號(hào)會(huì)疊加到²³⁶U上，導(dǎo)致分析錯(cuò)誤，這干擾也必須被精確扣除後，才能得到樣品中真實(shí)的²³⁶U/²³⁸U比值。林教授進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，相較於加速質(zhì)譜儀技術(shù)，臺(tái)大團(tuán)隊(duì)是使用在全球同位素地球、海洋化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)普遍具備，且相對(duì)低成本的質(zhì)譜儀，而樣品量需求量卻是目前世界上達(dá)到相同精準(zhǔn)度的方法中最少的，測(cè)量時(shí)間也僅需20分鐘。林教授說(shuō)未來(lái)研究團(tuán)隊(duì)會(huì)將此技術(shù)應(yīng)用在近代全球與區(qū)域海洋環(huán)流的研究上。

地質(zhì)系沈川洲講座教授表示，林卉婷老師是年輕的助理教授，教學(xué)的壓力較為沉重，還有小孩與家庭要照顧，研究常常需要在深夜與周末加班進(jìn)行。但她卻能在短短2年半，利用2004年添購(gòu)的老質(zhì)譜儀，發(fā)展出世界上最前緣的技術(shù)，非常不容易。他相信研究團(tuán)隊(duì)在林教授的帶領(lǐng)下，不久後必能在海洋學(xué)將有突破性的成果。

這項(xiàng)研究的同位素分析技術(shù)成果，是由科技部個(gè)人與卓越領(lǐng)航計(jì)畫(huà)、臺(tái)大核心研究群計(jì)畫(huà)與永續(xù)地球尖端科學(xué)研究中心共同資助。

詳細(xì)研究論文請(qǐng)參閱正式發(fā)表之全文 “²³⁶U/²³⁸U Analysis of Femtograms of ²³⁶U by MC-ICPMS, Anal. Chem., 2021, 93, 8442-8449”。

文章連結(jié)：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.1c00409