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

臺大地質系博士班畢業生吳忠哲博士，與沈川洲國家講座教授，以及瑞士蘇黎世聯邦理工學院 (ETH) 的國際研究合作團隊，於8月6日在分析界最頂尖的「分析化學」《Analytical Chemistry》期刊 (1)，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 (圖一)。此技術將雷射鈾釷定年極限推進至萬年以內，最年輕地質標本僅一千年，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六、七十萬年 (Shen et al., 2012, GCA; Cheng et al., 2013, EPSL)，廣泛應用於地球科學不同領域中。但是此定年法，牽涉到四個不穩定核種 (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 (科學人 2009年第十二期80-87頁: 2015年第三期82-86頁)。

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 (例如 Shen et al., 2012, GCA)，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 (mm)，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，大大限制了此技術的應用範圍，況且僅數千年年齡的樣本，無法分析。

沈教授表示，本研究主要由本系博士班畢業生吳忠哲博士，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，在瑞士蘇黎世聯邦理工學院擔任博士後研究員期間完成 (圖二、三)。研究團隊耗時超過四年的時間，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 (precision)。同時透過添加三種人工核種，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 (accuracy) (圖二)。

本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。

本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，以科技部的千里馬博士後計畫 (108-2917-I-564-011) 支持，2019年至全球排名前10之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 (Horizon 2020) 居禮夫人獨立博士後計畫 (Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship, No. 891710)，持續發展此前緣技術。本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。吳博士現為南京師範大學海洋科學與工程學院副教授。

(1) Wu, Chung-Che, Shen C.-C., Detlef Günther, and Bodo Hattendorf (2024) LA-ICPMS for in situ U-Th dating of Holocene stalagmites. Analytical Chemistry 96, 12640-12648.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c01114

圖一： 全新世石筍雷射鈾釷定年分析技術榮登「分析化學」《Analytical Chemistry》期刊封面研究之一。

圖二：本研究的實驗設計示意圖。

圖三：吳忠哲博士於瑞士蘇黎世聯邦理工學院實驗室內進行儀器分析。

圖四：吳忠哲博士 (右一)、沈川洲講座教授 (左一) 與瑞士蘇黎世聯邦理工學院 (ETH) 合作夥伴合影。