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更新日期:110年7月28日

測量超微量人造核種-鈾236 海洋所主導之突破性前緣技術

本校海洋研究所林卉婷助理教授、地質系沈川洲講座教授、兩位博士後研究員姜宏偉與余采倫、以及國際合作夥伴組成的團隊,於6月9日在分析界最頂尖《分析化學》期刊(Analytical Chemistry),發表極為困難的前緣鈾同位素236U/238U比值分析技術,預計將對近代海洋學進展有莫大助益,引領出海洋環流研究的新方向。

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試中,製造出236U溶入海水,現今每克海洋表面海水約含有3 × 10-18 克超微量的236U,同時使得海洋鈾同位素236U/238U的比值從小於 10-12 “暴增”到 10-9~10-8。核爆產生的236U會隨著海洋環流從太平洋帶往全世界,不斷改變各海域的236U/238U比值;因此這個比值,成為全球與區域性的海洋循環研究最新、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展。

目前臺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的儀器訊號強度是從地面到340公里高處的太空站,而236U的訊號比一隻不到0.5 公釐的小螞蟻還要矮。天差地別的兩個同位素要同時精準測量,非常困難,況且巨大的238U訊號,會有一小部分散落在外,干擾甚至淹沒236U訊號。

從十年前開始,才有少數幾個先進的實驗室能分析236U/238U比值,利用加速質譜儀的百萬伏特的加速電壓,讓236U與238U離子經過電磁場時,產生差異極大的旋轉半徑,將兩個同位素完全分離,進行測量。第二個困難是,236U量實在太少,一克海水僅僅有數千個236U原子,而加速質譜儀最好的靈敏度約為千分之一,也就是僅能測量到幾個原子,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,進而分析。價值數億元新台幣的昂貴加速質譜儀、數十公升的樣品需求、繁瑣的化學及數小時的量測時間等因素,以致236U/238U無法普遍分析與應用。

研究團隊利用位在臺大地質系的多接受器耦合電漿質譜儀,發展出新的技術,此質譜儀的靈敏度達百分之二,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。但這質譜儀的加速電壓僅有8千伏特,有萬分之一的238U離子束,會出現在質量數236上,這一點點的干擾對236U測量而言,卻是致命性的影響,因為它比236U訊號還大上一千倍,完全淹沒236U,無法測量。林卉婷教授表示,可以利用一個適當的反向高壓,削減238U在其他質量位置的影響,來解決這個難題。另外,235U加一個氫的化合物235UH訊號會疊加到236U上,導致分析錯誤,這干擾也必須被精確扣除後,才能得到樣品中真實的236U/238U比值。林教授進一步強調,相較於加速質譜儀技術,臺大團隊是使用在全球同位素地球、海洋化學實驗室內普遍具備,且相對低成本的質譜儀,而樣品量需求量卻是目前世界上達到相同精準度的方法中最少的,測量時間也僅需20分鐘。林教授說未來研究團隊會將此技術應用在近代全球與區域海洋環流的研究上。

地質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行。但她卻能在短短2年半,利用2004年添購的老質譜儀,發展出世界上最前緣的技術,非常不容易。他相信研究團隊在林教授的帶領下,不久後必能在海洋學將有突破性的成果。

這項研究的同位素分析技術成果,是由科技部個人與卓越領航計畫、臺大核心研究群計畫與永續地球尖端科學研究中心共同資助。

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

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

  • 圖1

    236U/238U 量測方法的比較。藍色橫條是近十年來的前人研究結果,紅色橫條是本研究大大突破這類質譜儀的測定偵測下限,可量測因人類活動造成的海水與珊瑚中236238U比值。

  • 圖2

    林卉婷老師處理準備上機的樣品

  • 圖3

    林卉婷老師(左)與沈川洲老師(右)在位於台大地質系的多接受器感應耦合電漿質譜儀前合照

  • 圖4

    林卉婷老師於新海研一號上處理深海著陸器上的採樣裝置

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