前緣雷射鈾釷定年技術(shù)榮登「分析化學(xué)」Analytical Chemistry封面研究

臺(tái)大地質(zhì)系沈川洲國(guó)家講座教授和博士班畢業(yè)生吳忠哲博士，與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 (ETH)進(jìn)行國(guó)際合作，此研究成果刊登於分析界最頂尖的《分析化學(xué)》Analytical Chemistry期刊。發(fā)表極為困難的雷射鈾釷定年技術(shù)(Laser ablation U-Th dating)，並獲選為封面文章之一 。此技術(shù)將雷射鈾釷定年極限推進(jìn)至萬(wàn)年以內(nèi)，最年輕地質(zhì)標(biāo)本僅1千年，是國(guó)際上最前緣的分析方法。

鈾釷定年系統(tǒng)，是測(cè)定巖石標(biāo)本形成年紀(jì)的一種定年法；主要是分析母核種（鈾238與鈾234） 和子核種（釷230） 的比例，以計(jì)算出標(biāo)本年齡。鈾釷定年系統(tǒng)適用範(fàn)圍從數(shù)年到60、70萬(wàn)年，廣泛應(yīng)用於地球科學(xué)不同領(lǐng)域中。但是此定年法，牽涉到4個(gè)不穩(wěn)定核種 - 鈾238、鈾234、釷232和釷230，是最複雜的定年系統(tǒng)；而應(yīng)用最多的石灰?guī)r標(biāo)本中，僅含有10^-8-10^-6克/克稀少的鈾238，10^-12-10^-10克/克微量的鈾234，10^-18-10^-14克/克 超微量的釷230，以及不定量的釷232；況且整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中，容器與藥品就含有這些核種，不可避免的實(shí)驗(yàn)流程汙染也是一大問(wèn)題，所以要精準(zhǔn)分析核種間的比例，困難重重。因?yàn)槔碚撗}雜與技術(shù)門檻極高，所以世界上一流的鈾釷定年實(shí)驗(yàn)室寥寥可數(shù)。

沈教授主持的臺(tái)大地質(zhì)系很嗨實(shí)驗(yàn)室(HISPEC)的鈾釷定年技術(shù)，是以鑽頭在巖石標(biāo)本的拋光表面上鑽取約0.1-0.5克標(biāo)本進(jìn)行化學(xué)處理，純化出鈾與釷元素，再進(jìn)行儀器分析，提供高精度 (±0.1-0.4% , 2σ) 的定年結(jié)果。但此技術(shù)有其侷限性，包括採(cǎi)樣鑽取點(diǎn)需約1 釐米 (mm)，以及繁複化學(xué)處理步驟與可能的實(shí)驗(yàn)過(guò)程汙染問(wèn)題。雷射剝蝕感應(yīng)耦合質(zhì)譜儀 (LA-ICPMS) 提供一個(gè)可以快速、直接、高解析的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；用雷射剝蝕標(biāo)本，取樣點(diǎn)僅有數(shù)十微米，剝蝕出的微小顆粒直接導(dǎo)入儀器，進(jìn)行測(cè)量，省去化學(xué)步驟。此技術(shù)具備有微小取樣與快速分析的優(yōu)點(diǎn)，但因其低靈敏度差和誤差大的缺點(diǎn)，大大限制此技術(shù)的應(yīng)用範(fàn)圍，況且僅數(shù)千年年齡的樣本，無(wú)法分析。

沈教授表示，此研究主要由博士班畢業(yè)生吳忠哲博士在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院擔(dān)任博士後研究員期間完成，吳博士攜帶很嗨實(shí)驗(yàn)室採(cǎi)集的全球不同地區(qū)，不同時(shí)間段的天然石筍標(biāo)本。耗時(shí)超過(guò)4年的時(shí)間，經(jīng)歷無(wú)數(shù)次的失敗與試驗(yàn)，終於克服技術(shù)瓶頸，成功開發(fā)出高靈敏度的前緣雷射鈾釷定年分析技術(shù)。吳博士指出，首先研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行儀器改良，提高質(zhì)譜儀的靈敏度到1% 以上，以偵測(cè)更多的釷230核種，提高定年精準(zhǔn)度。同時(shí)透過(guò)添加3種人工核種，釷229-鈾233-鈾236 當(dāng)作示蹤劑，混合雷射剝蝕產(chǎn)生的微小樣品顆粒，進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，以確保準(zhǔn)確度。

這項(xiàng)研究最大的亮點(diǎn)是突破以往的雷射鈾釷定年技術(shù)極限，能夠分析萬(wàn)年以內(nèi)的標(biāo)本，並成功地測(cè)量出僅一千年的「年輕」地質(zhì)標(biāo)本。此前緣定年技術(shù)，將可廣泛應(yīng)用在古氣候?qū)W、海洋學(xué)、地磁學(xué)、人類學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域上。研究第一作者兼通訊作者為吳忠哲博士，為臺(tái)大地質(zhì)科學(xué)系畢業(yè)的本土博士，現(xiàn)為南京師範(fàn)大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院副教授。臺(tái)大畢業(yè)後以科技部的千里馬博士後計(jì)畫支持，於2019年至全球排名前10頂尖大學(xué)瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院擔(dān)任博士後研究員，並於2020年榮獲歐盟地平線項(xiàng)目居禮夫人獨(dú)立博士後計(jì)畫，持續(xù)發(fā)展此前緣技術(shù)。此成果也代表臺(tái)灣大學(xué)地質(zhì)系培育世界頂尖科研人才的能力。

研究成果全文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c01114