本文由东京大学农学生命科学研究科生物材料科学系的Gaoyuan Hou、Korawit Chitbanyong、Izumi Shibata和Akira Isogai* (通讯作者)共同完成，发表于期刊 Carbohydrate Polymers 第367卷 (2025年)，文章编号124035，在线发布于2025年7月9日。

本研究属于高分子科学、材料科学及生物质化学的交叉领域，旨在探究一个核心的纤维素结构基础问题。化学改性纳米纤维素，如磷酸化纤维素纳米纤丝 (P-CNFs) 和TEMPO氧化纤维素纳米纤丝 (TO-CNFs)，因其优异的性能而备受关注。理想的改性反应被认为仅在纤维素微纤丝 (Cellulose microfibril) 的结晶区表面选择性地引入官能团（如磷酸酯基或C6-羧基）。然而，在非均相的水相反应体系中，官能团在微纤丝内部的真实分布情况并不明确，尤其是不清楚是否所有纤维素分子链都带有这些化学基团，抑或微纤丝内部仍存在未改性的“纯净”纤维素链段。这一结构认知对理解改性机理和材料性能至关重要。因此，本研究旨在通过一种创新的溶剂萃取策略，间接探测磷酸化及TEMPO氧化处理的纸浆及其纳米纤丝 (CNFs) 中改性基团的分布模式。具体目标是通过8% (w/w) LiCl/DMAC溶剂体系对样品进行提取，分析可溶与不可溶部分的组成和结构，从而推断出化学基团在纤维素微纤丝三维结构中的分布情况。

详细研究流程 研究流程系统性地分为样品制备、溶剂萃取、溶解组分分析以及不溶组分结构表征四个主要环节。研究首先制备了四类关键样品：磷酸化软木漂白硫酸盐浆 (P-SBKP)、TEMPO氧化软木漂白硫酸盐浆 (TO-SBKP)、TEMPO氧化硬木漂白硫酸盐浆 (TO-HBKP)，以及通过超声处理从上述纸浆得到的相应纳米纤丝样品 (P-SBKP-CNF, TO-SBKP-CNF, TO-HBKP-CNF)。所有样品均经水分散后冻干备用。

溶剂萃取实验是核心环节，但针对不同样品采用了不同的预处理策略。对于纸浆样品（P-SBKP, TO-SBKP, TO-HBKP），首先采用乙二胺 (EDA) 进行预处理。该步骤旨在破坏纤维素I的晶体结构，使其转变为无序结构，以便后续能溶解于LiCl/DMAC溶剂中。具体操作为：将冻干样品在室温下浸于乙二胺中4天，之后通过反复离心，将溶剂从甲醇置换为DMAC。对于磷酸化纸浆 (P-SBKP)，额外增加了20% NaOH的预处理方案，以考察碱处理后转化为纤维素II或无序结构后，其溶解行为是否改变。预处理后的样品分散于8% (w/w) LiCl/DMAC中，室温下搅拌两周并静置两周，以充分提取可溶的纤维素分子。对于纳米纤丝样品（P-CNF, TO-CNFs），则省去了乙二胺预处理步骤，直接将冻干样品投入LiCl/DMAC中进行萃取。这可能是考虑到纳米纤丝尺寸小，无需预先破坏晶体结构即可被溶剂接触。萃取结束后，向混合物中加入新鲜DMAC以将LiCl浓度稀释至1% (w/v)，然后通过高速离心分离出不溶物。上清液经滤膜过滤后，其溶解部分进行后续分析。

对于LiCl/DMAC溶解的部分，研究采用配备多角度激光光散射和示差折光检测器的尺寸排阻色谱法 (SEC/MALLS/RI) 进行分析。这是一种分析高分子溶液摩尔质量和分布的强大技术。通过测量洗脱曲线和光散射信号，可以计算出被提取出的纤维素分子组分的绝对摩尔质量及其在溶液中的含量（质量）。该技术能有效区分真实的溶解分子与聚集的颗粒，确保了数据的可靠性。对于LiCl/DMAC不溶的部分，研究采用了X射线衍射 (XRD) 和固态 13C-核磁共振 (NMR) 进行结构表征。XRD用于分析残余物的晶体结构（如纤维素I、纤维素II或无定形结构），而固态NMR则能提供分子层面官能团（如C=O信号对应羧基）和化学环境的信息。这两种技术的结合，能够揭示预处理和萃取后样品中纤维素的超分子结构变化。

主要研究结果 首先，从宏观溶解现象来看，无论是对纸浆样品进行乙二胺或NaOH预处理，还是对纳米纤丝样品直接处理，所有样品在LiCl/DMAC中均未形成透明溶液，而是形成分散液，表明均存在大量不溶物。

SEC/MALLS/RI分析提供了定量的溶解数据。原始的未改性SBKP和HBKP在乙二胺预处理后，能几乎完全溶解于LiCl/DMAC，其SEC谱图显示出典型的高浓度纤维素/半纤维素峰，计算质量回收率接近100%。与此形成鲜明对比的是，改性样品的溶解部分含量极低。对于乙二胺预处理的TO-SBKP和TO-HBKP纸浆，其LiCl/DMAC提取组分的质量比分别为5.6%和9.0%；而P-SBKP的提取率更低，仅为约2.2%（经EDA预处理）和小于4.6%（经NaOH预处理）。对于纳米纤丝样品，所有三种改性CNF的提取率均低于2.8%。这些数据清晰地表明，超过90%甚至97%以上的改性纤维素样品在LiCl/DMAC中是不溶的。

结构表征结果进一步揭示了不溶物保持不溶的结构原因。XRD和固态NMR分析显示，对于乙二胺预处理的TO-SBKP和TO-HBKP样品，其LiCl/DMAC不溶残留物的纤维素I晶体结构已被破坏，转变为无序结构，这与乙二胺的作用机制相符。然而，有趣的是，对于乙二胺预处理的P-SBKP样品，其不溶残留物仍保持着原始的纤维素I晶体结构。作者推测，磷酸酯基团可能与乙二胺分子形成了盐类复合物，这种“屏障”结构阻碍了乙二胺进一步渗入微纤丝内部，从而保护了内部的纤维素I晶体不被破坏。这一发现至关重要，因为它解释了为何即使晶体结构被破坏（对于TO样品）或保持（对于P样品，经EDA处理后），改性样品的溶解率都极低。此外，从固态NMR谱图中可以观察到不溶残留物中存在C=O信号，直接证实了TEMPO氧化产生的C6-羧基（或其与EDA形成的盐）存在于不溶物中，这是它们不溶于LiCl/DMAC的关键化学原因。

综合低提取率和不溶物的结构信息，研究者排除了几种纤维素微纤丝的结构模型。结果不支持“核-壳”模型（图8a），即微纤丝内部为纯净纤维素、仅表面改性的模型，因为该模型预测会有大量核心纯净纤维素被提取。结果也不完全支持“周期性无序区域仅部分改性”的模型（图8b），因为该模型同样预期会有更多可提取的纯净纤维素。研究结果与以下模型一致：在磷酸化或TEMPO氧化过程中，化学基团几乎随机地分布到微纤丝中大部分或全部的纤维素分子链上，而不仅仅是表面（图8c， d， e）。特别是，作者基于本研究及前期关于TEMPO氧化纤维素中羧基沿分子链长度均匀分布的研究，倾向于认为模型8e（即官能团在微纤丝内部和表面随机形成）最能解释实验现象。这意味着，在纸浆纤维的固态非均相反应条件下，试剂能够渗透并作用于微纤丝内部，导致纤维素分子链几乎全部（或绝大多数）都带有至少一个磷酸酯基或C6-羧基，正是这些基团的存在使得整个分子链在LiCl/DMAC中的溶解性大大降低。

结论 本研究的主要结论是：使用8% (w/w) LiCl/DMAC溶剂体系从磷酸化和TEMPO氧化的纸浆及其纳米纤丝中提取高分子量纤维素分子的效率非常低（质量比仅为2–9%）。这一结果支持了作者的初始假设，即在这些改性材料中，几乎所有的纤维素分子都含有一定数量的磷酸酯基或C6-羧基，正是这些基团导致其在LiCl/DMAC中不溶。因此，那种将改性纤维素微纤丝简单划分为“纯净纤维素核心”和“改性外壳”的两分法模型是不合理的。研究还发现，乙二胺预处理对TO样品有效破坏了纤维素I晶体，但对P样品却因磷酸酯-乙二胺盐的形成而得以保持其晶体结构，这揭示了不同化学改性对纤维素超分子结构稳定性的差异影响。

研究意义与价值 本研究的科学价值在于为纤维素化学改性，特别是磷酸化和TEMPO氧化的机理提供了关键的间接结构证据。它首次系统地将LiCl/DMAC溶解萃取与SEC/MALLS/RI、XRD、固态NMR等分析技术相结合，作为一种创新的“探针”方法，用于评估官能团在纤维素微纤丝三维空间中的分布深度，挑战了“仅在表面改性”的传统简化认知。这对于精确设计和控制纤维素纳米材料的化学结构、理解其性能（如分散性、反应性、力学强度）的来源具有重要的理论指导意义。在应用层面，该研究结果提示，要获得在特定溶剂（如LiCl/DMAC）中可溶的纤维素衍生物，可能需要开发更均匀的改性方法或使用不同的溶剂体系。

研究亮点 本研究的亮点突出体现在方法和发现上。方法上，创造性地利用了LiCl/DMAC溶剂对纯净纤维素可溶、但对含特定离子基团的纤维素不溶的特性，结合多种先进表征手段，建立了一套评估纤维素微纤丝内部化学改性程度和分布的有效分析流程。研究发现上，获得了极具说服力的量化数据（极低的提取率）和结构证据（不溶物的NMR和XRD谱图），强有力地证明了化学基团在微纤丝中的分布远比表面改性模型更为广泛和均匀。此外，关于乙二胺对磷酸化纤维素晶体结构的特殊保护作用的发现，也颇具新意，加深了对纤维素-试剂相互作用的理解。总体而言，这是一项设计巧妙、数据详实、结论严谨的基础研究，深化了我们对纤维素这一重要生物高分子在纳米尺度上化学结构的基本认识。