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

臺大地質系沈川洲國家講座教授和博士班畢業生吳忠哲博士，與瑞士蘇黎世聯邦理工學院 (ETH)進行國際合作，此研究成果刊登於分析界最頂尖的《分析化學》Analytical Chemistry期刊。發表極為困難的雷射鈾釷定年技術(Laser ablation U-Th dating)，並獲選為封面文章之一 。此技術將雷射鈾釷定年極限推進至萬年以內，最年輕地質標本僅1千年，是國際上最前緣的分析方法。

鈾釷定年系統，是測定岩石標本形成年紀的一種定年法；主要是分析母核種（鈾238與鈾234） 和子核種（釷230） 的比例，以計算出標本年齡。鈾釷定年系統適用範圍從數年到60、70萬年，廣泛應用於地球科學不同領域中。但是此定年法，牽涉到4個不穩定核種 - 鈾238、鈾234、釷232和釷230，是最複雜的定年系統；而應用最多的石灰岩標本中，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；況且整個實驗流程中，容器與藥品就含有這些核種，不可避免的實驗流程汙染也是一大問題，所以要精準分析核種間的比例，困難重重。因為理論複雜與技術門檻極高，所以世界上一流的鈾釷定年實驗室寥寥可數。

沈教授主持的臺大地質系很嗨實驗室(HISPEC)的鈾釷定年技術，是以鑽頭在岩石標本的拋光表面上鑽取約0.1-0.5克標本進行化學處理，純化出鈾與釷元素，再進行儀器分析，提供高精度 (±0.1-0.4% , 2σ) 的定年結果。但此技術有其侷限性，包括採樣鑽取點需約1 釐米 (mm)，以及繁複化學處理步驟與可能的實驗過程汙染問題。雷射剝蝕感應耦合質譜儀 (LA-ICPMS) 提供一個可以快速、直接、高解析的技術優勢；用雷射剝蝕標本，取樣點僅有數十微米，剝蝕出的微小顆粒直接導入儀器，進行測量，省去化學步驟。此技術具備有微小取樣與快速分析的優點，但因其低靈敏度差和誤差大的缺點，大大限制此技術的應用範圍，況且僅數千年年齡的樣本，無法分析。

沈教授表示，此研究主要由博士班畢業生吳忠哲博士在瑞士蘇黎世聯邦理工學院擔任博士後研究員期間完成，吳博士攜帶很嗨實驗室採集的全球不同地區，不同時間段的天然石筍標本。耗時超過4年的時間，經歷無數次的失敗與試驗，終於克服技術瓶頸，成功開發出高靈敏度的前緣雷射鈾釷定年分析技術。吳博士指出，首先研究團隊進行儀器改良，提高質譜儀的靈敏度到1% 以上，以偵測更多的釷230核種，提高定年精準度。同時透過添加3種人工核種，釷229-鈾233-鈾236 當作示蹤劑，混合雷射剝蝕產生的微小樣品顆粒，進入質譜儀進行分析，以確保準確度。

這項研究最大的亮點是突破以往的雷射鈾釷定年技術極限，能夠分析萬年以內的標本，並成功地測量出僅一千年的「年輕」地質標本。此前緣定年技術，將可廣泛應用在古氣候學、海洋學、地磁學、人類學、環境科學等領域上。研究第一作者兼通訊作者為吳忠哲博士，為臺大地質科學系畢業的本土博士，現為南京師範大學海洋科學與工程學院副教授。臺大畢業後以科技部的千里馬博士後計畫支持，於2019年至全球排名前10頂尖大學瑞士蘇黎世聯邦理工學院擔任博士後研究員，並於2020年榮獲歐盟地平線項目居禮夫人獨立博士後計畫，持續發展此前緣技術。此成果也代表臺灣大學地質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