科學家采用近紅外和中紅外自由電子激光直接從(cong) 纖維素聚集體(ti) 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於(yu) 同步輻射的皮秒脈衝(chong) 激光器，其振蕩波長可在3至10 μm之間調諧。電噴霧電離質譜分析顯示，葡萄糖(203 Da)、纖維二糖(365 Da)、三糖(527 Da)和四糖(689 Da)的質量峰被清晰地檢測到，在粉末纖維素被紅外自由電子激光連續照射至9.1微米(ν°C–O)之後的7.2微米(δH–C–O)或3之後，可溶性部分中的每個(ge) 鈉離子加合物都被檢測到如質譜分析所示，這些糖的產(chan) 量高於(yu) 在9.1微米下通過單次輻射獲得的產(chan) 量。本文提出的激光輻照係統基於(yu) 振動模式選擇性多光子吸收反應，並且不需要助溶劑並且不需要高溫和高壓來發揮輻照效果。在當前的實驗室規模下，一天的操作可以處理數百毫克的固體(ti) 纖維素樣品。

隨著氣候危機迫在眉睫的威脅籠罩著我們(men) ，開發化石燃料的高效替代品變得至關(guan) 重要。一種選擇是使用被稱為(wei) 生物燃料的清潔燃料，這種燃料可以從(cong) 自然資源如生物質中生產(chan) 。植物基聚合物纖維素是全球最豐(feng) 富的生物質形式，可轉化為(wei) 葡萄糖和木糖等原料，用於(yu) 生產(chan) 生物乙醇(一種生物燃料)。但是這一過程具有挑戰性，因為(wei) 分子的剛性和致密結構使其不溶於(yu) 水。全球的化學家和生物技術學家已經使用傳(chuan) 統的技術，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，因此是不可持續的。

圖1. 將纖維素有效降解為(wei) 有用產(chan) 品的新型激光策略。圖片來源：東(dong) 京科技大學

為(wei) 此，日本的一個(ge) 研究團隊在《能源與(yu) 燃料》上發表了一項新的研究，其中包括川崎隆保博士（東(dong) 京科技大學），陳海順博士（京都大學高級能源研究所），早川康史教授（日本大學量子科學研究所電子束研究與(yu) 應用實驗室），立命館大學高級研究中心的大田俊明教授和東(dong) 京科技大學的築山浩一教授開發了一種新的纖維素降解技術。該技術基於(yu) 一種稱為(wei) 無紅外電子激光器（IR-FEL）的激光器，其波長在3至20μm的範圍內(nei) 可調。這種新方法是用於(yu) 纖維素零排放降解的有前途的綠色技術。川崎博士表示IR-FEL的獨特之處之一是它可以誘導分子吸收多光子並可以改變物質的結構。到目前為(wei) 止，該這項技術已經應用於(yu) 物理、化學和醫學基本領域，但我們(men) 希望用它來推動環境技術的進步。

科學家們(men) 知道紅外自由電子激光可以用來對各種生物分子進行解離反應。纖維素是一種生物聚合物，由碳、氧和氫分子組成，它們(men) 彼此形成不同長度和角度的共價(jia) 鍵。該聚合物具有波長為(wei) 9.1、7.2和3.5微米的三個(ge) 紅外波段，分別對應於(yu) 三種不同的鍵:碳氧拉伸模式、氫氧彎曲模式和碳氫拉伸模式。基於(yu) 此，科學家們(men) 通過將紅外自由電子激光的波長調至這三個(ge) 波長來照射粉狀纖維素。

圖2. 非輻射的ESI-MS譜圖(a)，在7.2μm之後以9.1μm進行連續照射(b)，在3.5μm之後以9.1μm進行連續照射(c)。綠色數字表示單糖、二糖、三糖和四糖，按降序排列。

激光照射之前(a)和在3.5微米之後在9.1進行激光照射之後(b)的纖維素原纖維的SEM圖像。

顯然，與(yu) 沒有輻照的情況相比，輻照後檢測到許多峰，這表明這些輻照導致纖維素聚集體(ti) 的結構斷裂。有趣的是，在輻照後的兩(liang) 個(ge) 曲線中，在203.0、263.1、365.1、425.1、527.2、587.2和689.2處檢測到質量峰，伴隨著每種脫水產(chan) 物(18 Da)，而在非輻照樣品中未檢測到這些質量峰。因此，通過激光照射，除了單糖和二糖，寡聚糖也從(cong) 纖維素聚集體(ti) 中獲得。

接下來，科學家通過質譜分析法估計了纖維二糖和葡萄糖的產(chan) 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(yu) 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到。有趣的是，在3.5μm（紫色）之後的9.1μm和7.2μm（綠色）下的9.1μm連續輻照提供了更多的纖維二糖，而在3.5μm以下的輻照對於(yu) 產(chan) 生葡萄糖最有效。

圖3. 激光照射前(黑色)和照射後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(藍色)的纖維二糖(左側(ce) )和葡萄糖(右側(ce) )的質譜圖。每個(ge) 質量峰檢測為(wei) 鈉離子加合物，纖維二糖為(wei) 365 Da，葡萄糖為(wei) 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(cong) 纖維素中有效獲取葡萄糖的方法。因為(wei) 這種方法不需要苛刻的反應條件，如有害的有機溶劑、高溫和高壓，所以它優(you) 於(yu) 其他常規方法。

這種激光係統可以在室溫和大氣條件下工作，不需要助溶劑。可以預期，紅外自由電子激光的使用有助於(yu) 從(cong) 碳水化合物生物質生產(chan) 葡萄糖的綠色工藝。此外，川崎博士樂(le) 觀地認為(wei) ，他們(men) 的方法不僅(jin) 對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的創新方法。他們(men) 希望這項研究將有助於(yu) “無石油”社會(hui) 的發展。