科學(xué)家采用近紅外和中紅外自由電子激光直接從纖維素聚集體中獲得葡萄糖和低分子量糖類的綠色方法。紅外自由電子激光是一種基于同步輻射的皮秒脈沖激光器，其振蕩波長(zhǎng)可在3至10 μm之間調(diào)諧。電噴霧電離質(zhì)譜分析顯示，葡萄糖(203 Da)、纖維二糖(365 Da)、三糖(527 Da)和四糖(689 Da)的質(zhì)量峰被清晰地檢測(cè)到，在粉末纖維素被紅外自由電子激光連續(xù)照射至9.1微米(ν°C–O)之后的7.2微米(δH–C–O)或3之后，可溶性部分中的每個(gè)鈉離子加合物都被檢測(cè)到如質(zhì)譜分析所示，這些糖的產(chǎn)量高于在9.1微米下通過單次輻射獲得的產(chǎn)量。本文提出的激光輻照系統(tǒng)基于振動(dòng)模式選擇性多光子吸收反應(yīng)，并且不需要助溶劑并且不需要高溫和高壓來發(fā)揮輻照效果。在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下，一天的操作可以處理數(shù)百毫克的固體纖維素樣品。

隨著氣候危機(jī)迫在眉睫的威脅籠罩著我們，開發(fā)化石燃料的高效替代品變得至關(guān)重要。一種選擇是使用被稱為生物燃料的清潔燃料，這種燃料可以從自然資源如生物質(zhì)中生產(chǎn)。植物基聚合物纖維素是全球最豐富的生物質(zhì)形式，可轉(zhuǎn)化為葡萄糖和木糖等原料，用于生產(chǎn)生物乙醇(一種生物燃料)。但是這一過程具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榉肿拥膭傂院椭旅芙Y(jié)構(gòu)使其不溶于水。全球的化學(xué)家和生物技術(shù)學(xué)家已經(jīng)使用傳統(tǒng)的技術(shù)，如微波輻射、水解和超聲波處理來降解這種聚合物，但是這些過程需要極端的條件，因此是不可持續(xù)的。

圖1. 將纖維素有效降解為有用產(chǎn)品的新型激光策略。圖片來源：東京科技大學(xué)

為此，日本的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在《能源與燃料》上發(fā)表了一項(xiàng)新的研究，其中包括川崎隆保博士（東京科技大學(xué)），陳海順博士（京都大學(xué)高級(jí)能源研究所），早川康史教授（日本大學(xué)量子科學(xué)研究所電子束研究與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室），立命館大學(xué)高級(jí)研究中心的大田俊明教授和東京科技大學(xué)的筑山浩一教授開發(fā)了一種新的纖維素降解技術(shù)。該技術(shù)基于一種稱為無紅外電子激光器（IR-FEL）的激光器，其波長(zhǎng)在3至20μm的范圍內(nèi)可調(diào)。這種新方法是用于纖維素零排放降解的有前途的綠色技術(shù)。川崎博士表示IR-FEL的獨(dú)特之處之一是它可以誘導(dǎo)分子吸收多光子并可以改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。到目前為止，該這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于物理、化學(xué)和醫(yī)學(xué)基本領(lǐng)域，但我們希望用它來推動(dòng)環(huán)境技術(shù)的進(jìn)步。

科學(xué)家們知道紅外自由電子激光可以用來對(duì)各種生物分子進(jìn)行解離反應(yīng)。纖維素是一種生物聚合物，由碳、氧和氫分子組成，它們彼此形成不同長(zhǎng)度和角度的共價(jià)鍵。該聚合物具有波長(zhǎng)為9.1、7.2和3.5微米的三個(gè)紅外波段，分別對(duì)應(yīng)于三種不同的鍵:碳氧拉伸模式、氫氧彎曲模式和碳?xì)淅炷Ｊ??；诖耍茖W(xué)家們通過將紅外自由電子激光的波長(zhǎng)調(diào)至這三個(gè)波長(zhǎng)來照射粉狀纖維素。

圖2. 非輻射的ESI-MS譜圖(a)，在7.2μm之后以9.1μm進(jìn)行連續(xù)照射(b)，在3.5μm之后以9.1μm進(jìn)行連續(xù)照射(c)。綠色數(shù)字表示單糖、二糖、三糖和四糖，按降序排列。

激光照射之前(a)和在3.5微米之后在9.1進(jìn)行激光照射之后(b)的纖維素原纖維的SEM圖像。

顯然，與沒有輻照的情況相比，輻照后檢測(cè)到許多峰，這表明這些輻照導(dǎo)致纖維素聚集體的結(jié)構(gòu)斷裂。有趣的是，在輻照后的兩個(gè)曲線中，在203.0、263.1、365.1、425.1、527.2、587.2和689.2處檢測(cè)到質(zhì)量峰，伴隨著每種脫水產(chǎn)物(18 Da)，而在非輻照樣品中未檢測(cè)到這些質(zhì)量峰。因此，通過激光照射，除了單糖和二糖，寡聚糖也從纖維素聚集體中獲得。

接下來，科學(xué)家通過質(zhì)譜分析法估計(jì)了纖維二糖和葡萄糖的產(chǎn)率。懸浮在水中的纖維素粉末的可溶性部分在液相色譜柱中洗脫（如下圖所示）。與未輻照（黑色）相比，在9.1μm（紅色）單次輻照的情況下，纖維二糖（左）和葡萄糖（右）的離子峰均明顯被檢測(cè)到。有趣的是，在3.5μm（紫色）之后的9.1μm和7.2μm（綠色）下的9.1μm連續(xù)輻照提供了更多的纖維二糖，而在3.5μm以下的輻照對(duì)于產(chǎn)生葡萄糖最有效。

圖3. 激光照射前(黑色)和照射后9.1微米(紅色)、9.1微米繼7.2微米(綠色)、9.1微米繼3.5微米(紫色)和3.0微米(藍(lán)色)的纖維二糖(左側(cè))和葡萄糖(右側(cè))的質(zhì)譜圖。每個(gè)質(zhì)量峰檢測(cè)為鈉離子加合物，纖維二糖為365 Da，葡萄糖為203 Da。

川崎博士表示是世界上第一種通過紅外自由電子激光從纖維素中有效獲取葡萄糖的方法。因?yàn)檫@種方法不需要苛刻的反應(yīng)條件，如有害的有機(jī)溶劑、高溫和高壓，所以它優(yōu)于其他常規(guī)方法。

這種激光系統(tǒng)可以在室溫和大氣條件下工作，不需要助溶劑?？梢灶A(yù)期，紅外自由電子激光的使用有助于從碳水化合物生物質(zhì)生產(chǎn)葡萄糖的綠色工藝。此外，川崎博士樂觀地認(rèn)為，他們的方法不僅對(duì)加工有用纖維素而且還包括其他木材成分，可以證明是回收森林生物質(zhì)的創(chuàng)新方法。他們希望這項(xiàng)研究將有助于“無石油”社會(huì)的發(fā)展。