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聚焦地科
聚焦地科2021-09-11
林卉婷助理教授研究團隊突破性新技術榮登分析化學重量級期刊Analytical Chemistry
林卉婷助理教授研究團隊突破性新技術榮登分析化學重量級期刊Analytical Chemistry
測量飛克等級人造鈾核種236U之豐度比值
236U/238U analysis of femtogram 236U by MC-ICPMS
海洋環流的研究除了衛星、海流儀等物理性量測方法外，利用海水中的“示蹤劑”也是方法之一。它就像於水中滴入染劑，透過觀測染劑如何的流動與稀釋就可以知道水的運動方式。海洋化學家可量測水中的“示蹤劑”的豐度，配合示蹤劑出現的位置與時間，亦可幫助我們了解海洋的海流速度與流動方式。在1950-1960年代，多次於太平洋中部海域的小島附近進行核能相關試爆，快中子撞擊235U製造並釋放原本在自然界中豐度不高的236U到大自然，其中部分的236U經由大氣的落塵方式沉降，但主要的236U直接落入周遭海域，隨著表水洋流帶往世界各地。由於236U的放射性半衰期有兩千三百多萬年之久，其豐度因放射性衰變的降低的幅度，在人類的生命周期尺度下並不顯著。
珊瑚在生長的過程中，會把海水中的鈾放入碳酸鈣骨骼中，而珊瑚骨骼中鈾同位素236U與最多的鈾同位素（238U）之豐度比值(236U /238U)會維持著與海水中相同的相對豐度比。因此當人造鈾核種236U隨著洋流帶到珊瑚生長的海域時，海水中的(236U /238U)亦會被存到珊瑚骨骼中。因洋流的流動速度與路徑在不同區域會有差異，在全球各地的珊瑚隨著時間會記錄著洋流所帶來的(236U /238U)訊號變化，透過紀錄在珊瑚骨骼中的236U /238U，我們希望可以得到1950-1970這段尚未有海流探測儀時期的古海流訊息。我們相信重建地球尚未嚴重暖化前的海流資訊，有助於我們對未來海流變化的預測可更精準。
同時236U /238U也可當作推斷鈾污染來源的方式之一，歐洲研究團隊從1969年開始收集的二枚貝類（蛤）殼體中，紀錄到愛爾蘭海中含有比由洋流帶來的試爆236U /238U還更高的比值，推斷在英國塞拉菲爾德（Sellafield）核廢料再處理廠在過去50年間有236U外洩的意外發生（Castrillejo 等人, 2020）。
雖然236U /238U兼具許多的海洋科學環與境監測的功能，卻不容易測量。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的訊號比不到0.5 公釐的一隻小螞蟻還要矮。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2010開始，世界僅有少數幾個先進的加速質譜儀實驗室開始發展其測量方式。然而，利用加速質譜儀的測量所需要的樣品量大，且樣品準備與所需量測的時間都很長，導致所耗費的經費大大提高，導致236U /238U的量測不易普及。
為了降低236U /238U所需的樣品量，且能夠讓測量更普及，臺大海洋所林卉婷助理教授帶領技術開發，和臺大地質系沈川洲講座教授、姜宏偉、余采倫博士後研究員與幾位國際學者，建立了突破性的分析方法。利用一般地球化學、海洋化學機構普遍都具備，且分析成本較低的多接受器耦合電漿質譜儀 (Multi-collector high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer, MC-ICPMS, Thermo Scientific Neptune) ，搭配二次電子增幅器 (Secondary electron multiplier, SEM) 發展新測量技術。其所需樣品量為目前世界上同等級測量的最少，樣品中僅需飛克(10-15g)的236U含量，即可準確測量到其236U /238U豐度比值。
圖一、236U/238U 量測方法的比較，紅色橫條是本研究的測定比值範圍，已經涵蓋人類活動造成的236U/238U比值區間，藍色橫條是近十年來，前人研究已發表的方法，橫條右邊的數字代表了精準測量所需的樣品量（μg-Ｕ: 微克的鈾），以及量測時間（min分鐘, hr小時）。MC-ICPMS: Multi-collector high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer多接受器耦合感應電漿質譜儀, TIMS: (multi-collector) thermal ionization mass spectrometry（多接受器）熱游離質譜儀, QQQ-ICP-MS/MS: triple quadrupole inductively coupled plasma tandem mass spectrometer三重四極桿耦合感應電漿串聯質譜儀, AMS: accelerator mass spectrometer 加速質譜儀。
我們的突破點，在於利用減速電位四極桿（Retarding Potential Quadrupole）去大幅降低238U在其他質量位置的拖尾效應，並仔細的量測與估算238U在236U的拖尾量，以及其他干擾物如235U加一個氫的化合物（235UH，236U之質量電荷比相當接近)的生成量。當這些干擾物都被精細量測並扣除後，即可以得到236U /238U在樣品中的真實豐度比值。此突破性的方法研究，被刊登在分析化學界份量最重的國際期刊Analytical Chemistry上。
這個技術將被應用於利用珊瑚骨骼紀錄重建太平洋與印度區域的古洋流，未來也有望應用於科技部的「航向南海」計畫中，進行中西太平洋海洋水層中的236U /238U的變化。此外，也可被用來監測核料安全性。此研究成果同時也展現我們團隊跨系所（海洋研究所、地質系）與跨國合作（瑞士、美國、中國）的能力，以及為了能在海洋科學上應用而突破化學分析技術困難的實力。
詳細研究成果請參閱正式發表的全文 "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
原文轉載自【國立臺灣大學海洋研究所】
http://www.oc.ntu.edu.tw/?p=21721
測量飛克等級人造鈾核種236U之豐度比值
236U/238U analysis of femtogram 236U by MC-ICPMS
海洋環流的研究除了衛星、海流儀等物理性量測方法外，利用海水中的“示蹤劑”也是方法之一。它就像於水中滴入染劑，透過觀測染劑如何的流動與稀釋就可以知道水的運動方式。海洋化學家可量測水中的“示蹤劑”的豐度，配合示蹤劑出現的位置與時間，亦可幫助我們了解海洋的海流速度與流動方式。在1950-1960年代，多次於太平洋中部海域的小島附近進行核能相關試爆，快中子撞擊235U製造並釋放原本在自然界中豐度不高的236U到大自然，其中部分的236U經由大氣的落塵方式沉降，但主要的236U直接落入周遭海域，隨著表水洋流帶往世界各地。由於236U的放射性半衰期有兩千三百多萬年之久，其豐度因放射性衰變的降低的幅度，在人類的生命周期尺度下並不顯著。
珊瑚在生長的過程中，會把海水中的鈾放入碳酸鈣骨骼中，而珊瑚骨骼中鈾同位素236U與最多的鈾同位素（238U）之豐度比值(236U /238U)會維持著與海水中相同的相對豐度比。因此當人造鈾核種236U隨著洋流帶到珊瑚生長的海域時，海水中的(236U /238U)亦會被存到珊瑚骨骼中。因洋流的流動速度與路徑在不同區域會有差異，在全球各地的珊瑚隨著時間會記錄著洋流所帶來的(236U /238U)訊號變化，透過紀錄在珊瑚骨骼中的236U /238U，我們希望可以得到1950-1970這段尚未有海流探測儀時期的古海流訊息。我們相信重建地球尚未嚴重暖化前的海流資訊，有助於我們對未來海流變化的預測可更精準。
同時236U /238U也可當作推斷鈾污染來源的方式之一，歐洲研究團隊從1969年開始收集的二枚貝類（蛤）殼體中，紀錄到愛爾蘭海中含有比由洋流帶來的試爆236U /238U還更高的比值，推斷在英國塞拉菲爾德（Sellafield）核廢料再處理廠在過去50年間有236U外洩的意外發生（Castrillejo 等人, 2020）。
雖然236U /238U兼具許多的海洋科學環與境監測的功能，卻不容易測量。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的訊號比不到0.5 公釐的一隻小螞蟻還要矮。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2010開始，世界僅有少數幾個先進的加速質譜儀實驗室開始發展其測量方式。然而，利用加速質譜儀的測量所需要的樣品量大，且樣品準備與所需量測的時間都很長，導致所耗費的經費大大提高，導致236U /238U的量測不易普及。
為了降低236U /238U所需的樣品量，且能夠讓測量更普及，臺大海洋所林卉婷助理教授帶領技術開發，和臺大地質系沈川洲講座教授、姜宏偉、余采倫博士後研究員與幾位國際學者，建立了突破性的分析方法。利用一般地球化學、海洋化學機構普遍都具備，且分析成本較低的多接受器耦合電漿質譜儀 (Multi-collector high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer, MC-ICPMS, Thermo Scientific Neptune) ，搭配二次電子增幅器 (Secondary electron multiplier, SEM) 發展新測量技術。其所需樣品量為目前世界上同等級測量的最少，樣品中僅需飛克(10-15g)的236U含量，即可準確測量到其236U /238U豐度比值。
圖一、236U/238U 量測方法的比較，紅色橫條是本研究的測定比值範圍，已經涵蓋人類活動造成的236U/238U比值區間，藍色橫條是近十年來，前人研究已發表的方法，橫條右邊的數字代表了精準測量所需的樣品量（μg-Ｕ: 微克的鈾），以及量測時間（min分鐘, hr小時）。MC-ICPMS: Multi-collector high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer多接受器耦合感應電漿質譜儀, TIMS: (multi-collector) thermal ionization mass spectrometry（多接受器）熱游離質譜儀, QQQ-ICP-MS/MS: triple quadrupole inductively coupled plasma tandem mass spectrometer三重四極桿耦合感應電漿串聯質譜儀, AMS: accelerator mass spectrometer 加速質譜儀。
我們的突破點，在於利用減速電位四極桿（Retarding Potential Quadrupole）去大幅降低238U在其他質量位置的拖尾效應，並仔細的量測與估算238U在236U的拖尾量，以及其他干擾物如235U加一個氫的化合物（235UH，236U之質量電荷比相當接近)的生成量。當這些干擾物都被精細量測並扣除後，即可以得到236U /238U在樣品中的真實豐度比值。此突破性的方法研究，被刊登在分析化學界份量最重的國際期刊Analytical Chemistry上。
這個技術將被應用於利用珊瑚骨骼紀錄重建太平洋與印度區域的古洋流，未來也有望應用於科技部的「航向南海」計畫中，進行中西太平洋海洋水層中的236U /238U的變化。此外，也可被用來監測核料安全性。此研究成果同時也展現我們團隊跨系所（海洋研究所、地質系）與跨國合作（瑞士、美國、中國）的能力，以及為了能在海洋科學上應用而突破化學分析技術困難的實力。
詳細研究成果請參閱正式發表的全文 "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
原文轉載自【國立臺灣大學海洋研究所】
http://www.oc.ntu.edu.tw/?p=21721