通过壳聚糖介导的能量转移增强姜 黄 提取物的光致发光，用于纺织品鉴定应用

摘要

光致发光是当今使用的最有效的认证机制之一。利用和增强具有固有光致发光特性的天然材料，并将其纳入织物基材中，可以开发用于智能应用的绿色、可持续和功能性纺织品。

摘要

用于安全标记的染料在保护纺织、制药、食品和制造业等各个领域的产品完整性方面发挥着关键作用。然而，大多数用作安全标记的商业染料价格昂贵，并且可能含有对人类健康构成风险的有毒有害物质。姜黄素是一种在姜黄中发现的天然酚类化合物，具有独特的光致发光特性以及鲜艳的黄色，使其成为认证应用的潜在候选材料。本研究展示了一种具有成本效益和环保的方法，用于开发用于纺织品认证的姜黄素染料的增强光致发光发射。采用超声辅助溶剂萃取法从 龙苷中 提取姜黄素。将提取物浸渍涂并染色到纺织基材中。壳聚糖被引入作为后媒染剂来稳定姜黄素和作为共敏剂。姜黄素与壳聚糖的共敏化触发能量转移以增强其发光强度。424nm处的紫外可见吸收峰与姜黄素的特征吸收有关。光致发光测量显示，在545 nm处有宽发射峰值，壳聚糖诱导的能量转移显著增强，因此作为天然衍生的光致发光染料在认证应用中显示出巨大的潜力。

引言

假冒伪劣被认为是全球各行各业的祸害。市场上假冒产品的迅速激增造成了经济破坏，阻碍了主要发明人的^生计1,2,3,4,5,6。这在 2020⁷ 年因对新兴假冒产品的持续关注而凸显出来，这从出版物标题中包含“反假冒”或“假冒”的出版物的日益增长的趋势中可以看出。自 2019 年上次报告以来，与假冒相关的出版物显着增加，这表明正在做出相当大的努力来打击欺诈商品的生产和分销。另一方面，它也可能非常令人担忧，因为它标志着假冒行业的发展，如果不得到有效解决，预计会持续下去。纺织业并没有摆脱这个问题，因为假冒纺织品的存在严重影响了真正的销售商、制造商和织工等人的生计 ^3,8。例如，西非的纺织业长期以来一直被认为是世界主要出口市场之一。然而，据报道⁹，大约85%的市场份额由侵犯西非纺织品商标的走私纺织品占据。亚洲、美洲和欧洲等其他大陆也报告了假冒的影响，表明这场危机已经达到了无法控制的程度，并对已经陷入困境的纺织业构成了重大威胁 2,3,4,10,11,12。

随着科学、技术和创新的快速发展，研究人员承担起了开发用于防伪应用的功能性材料的角色。使用隐蔽技术是打击欺诈性商品生产的最常见和最有效的方法之一。它涉及利用光致发光材料作为安全染料，当受到不同波长的照射时表现出特定的光发射^13,14。然而，市场上的一些光致发光染料在高浓度下可能会产生毒性，从而对人类健康和环境构成威胁^15,16。

姜黄 （Curcuma longa） 是一种必不可少的植物，用于各种应用，例如油漆、调味剂、药物、化妆品和织物染料¹⁷。根茎中存在天然存在的酚类化合物，称为姜黄素类化合物。这些姜黄素类化合物包括姜黄素、去甲氧基姜黄素和双去甲氧基姜黄素，其中姜黄素是导致鲜艳的黄色至橙色和姜黄特性的主要成分¹⁸.姜黄素，也称为1,7-双（4-羟基-3-甲氧基苯基）-1,6-庚二烯-3,5-二酮^19,20，经验分子式为C₂₁H_{20O 6}，由于其防腐、抗炎、抗菌和抗氧化特性，在生物医学和制药领域引起了大量关注17,18,21,22,23.有趣的是，姜黄素还具有光谱和光化学特性。特别值得注意的是，当受到紫外（UV）激发时，其强烈的光致发光特性仅被少数研究探索^过19,24,25。鉴于这些特性，姜黄素具有疏水性和无毒特性，成为认证标记的理想着色剂。

从姜黄中提取姜黄素最早是在 1800 年代初期报道的。在过去的几个世纪里，已经设计和改进了许多提取方法和技术，以实现更高的产量26,27,28,29,30,31,32,33。传统的溶剂萃取是一种广泛使用的方法，因为它采用有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮和己烷等，从姜黄中分离姜黄^{素 34,35}。该方法经过修改，再加上更先进的技术，如微波辅助提取 （MAE）^18,36,37、索氏提取 ^38,39、酶辅助提取 （EAE）^39,40 和超声波提取³⁶，除其他外，以提高产量。通常，溶剂萃取方法因其多功能性、低能耗和成本效益而应用于天然染料萃取，使其成为纺织等可扩展行业的理想选择。

姜黄素因其独特的黄色调而被整合为纺织品的天然染料。然而，天然染料对纺织纤维的吸附不良是一个挑战，阻碍了其商业可行性⁴¹.媒染剂，如金属、多糖和其他有机化合物，作为常见的粘合剂，以增强天然染料对织物的亲和力。壳聚糖是一种源自甲壳类动物的多糖，由于其丰富的自然含量、生物相容性和耐洗性，已被广泛用作替代媒染剂⁴²。本研究报告了一种简单而直接的方法，用于制备基于姜黄素的认证标记。通过超声辅助溶剂萃取法获得粗姜黄素提取物。在纺织基材上全面研究了提取的姜黄素的光致发光性能，并进一步增强了壳聚糖作为媒染剂。这证明了作为天然衍生的光致发光染料在认证应用中的巨大潜力。

研究方案

1.姜黄素的提取

1. 在 50 mL 离心管中称取 3 g 龙梭菌 粉。
   注：使用50 mL离心管简化离心过程，并在单个容器上处理提取。
2. 向离心管中加入 38 mL 乙醇（AR，99%）。轻轻摇晃试管，确保乙醇与 龙梭菌 粉末充分混合。
3. 在正常声波模式和高强度设置下对试管进行超声处理 30 分钟以进行提取。
4. 为了分离固体材料，将管以4430× g 离心10分钟。使用离心机前，先打开管子，再关上管子，以减压，防止泄漏。
5. 倾析以收集上清液并将其储存在干燥的环境条件下。上清液在乙醇溶剂中含有姜黄素提取物。保持容器密闭以防止溶剂泄漏很重要。

2. 傅里叶变换红外（FTIR）表征龙 桦 提取物

注意： 衰减总反射率 - 傅里叶变换红外 （ATR-FTIR） 分光光度计按照用户手册中的标准程序操作。

1. 在测量红外光谱之前，必须设置测量参数。使用“测量”选项，单击 “高级 ”选项卡，然后将样品和背景扫描时间的参数设置为 40 次扫描，扫描分辨率为 4 cm¹，范围为 4000 - 400 ^cm-1。
2. 用丙-2-醇（99.8%）清洁ATR晶体。清洁后，切换到 基本。
   注意：背景扫描对于消除环境干扰是必要的，确保红外光谱仅代表正在分析的样品。背景测量仅在开始操作仪器之前进行。在每次新的测量之前，应始终清洁ATR晶体。
3. 使用巴斯德移液管将 0.3 mL 粗 C. longa 提取物涂入 ATR 晶体中，使其干燥 3 至 5 分钟以去除乙醇的干扰。随着乙醇干燥，提取物因此积聚到晶体中，从而降低透射率读数。
4. 在软件上，单击 “测量”>“高级 ”以设置文件名。命名样品后，单击 “基本 ”选项卡并测量干燥提取物的红外透射率。
5. 重复步骤 2.3 和 2.4 最多 3 次或直到光谱分辨率提高。
   注意：分辨率的提高取决于光谱中透射率的降低。
6. 完成读数后，使用 99% 乙醇和无绒湿巾清洁 ATR 晶体。随后，使用丙-2-醇清洁ATR样品台。

3. 龙桐 提取物的紫外可见光测量

注意： 紫外可见分光光度计按照用户手册中的标准程序操作。

1. 在测量样品之前，让仪器预热 15 至 30 分钟。这将稳定光源和检测器，从而确保可重复的读数。用乙醇填充参比池。
2. 在测量吸收光谱之前，请设置测量参数。使用“设置”选项，单击“ Cary ”选项卡，然后将扫描时间设置为 0.1 s，将数据间隔设置为 1 nm，将扫描速率设置为 600 nm/min。最后，将范围设置为 200 nm 到 700 nm。
3. 使用乙醇作为溶剂，以 1：100 的增量制备 25 mL 稀释的 C . longa 提取物，范围为 1：1000 至 1：100。
4. 使用巴斯德移液管将约 3.5 mL 稀释的 C. longa 转移到石英比色皿中。为了在每次样品测量后便于清洁，请从 1：1000 稀释开始，然后工作到 1：100。
5. 如下所述测量提取物的吸光度。
   1. 用乙醇清洁比色皿，并重复测量其他稀释液。
   2. 为确保吸收的准确性，在转移测试溶液之前，用稀释的提取物彻底冲洗比色皿。
6. 对其他浓度重复步骤3.4-3.5.2。

4. 长尾草 提取物的光致发光测量

注意： 荧光光谱仪的操作遵循用户手册中的标准程序。

1. 在测量样品之前，让仪器预热 15 至 30 分钟。这将稳定光源和检测器，从而确保每次测量的可重复性。
2. 在测量荧光光谱之前，首先设置测量参数。单击 “测量 ”按钮，将积分时间设置为 0.1 s，增量为 1 nm，狭缝宽度为 1 nm。测量范围可能因激发源或发射源而异。
3. 使用巴斯德移液管，小心地将约3.5mL稀释的 C. longa 转移到石英比色皿中。为了便于在样品测量后进行清洁，请从 1：1000 到 1：100 开始测量。
4. 使用365nm激发源测量提取物的发射。将发射范围设置为 380 nm 至 625 nm。
5. 使用步骤4.4中发射率最高的波长，测量样品的激发光谱。将激发范围的下限设置为 330 nm，并使用监测的发射波长减去 15 nm 计算上限。15 nm 的余量确保在光谱上不会观察到一阶散射。
6. 使用步骤4.5中具有最高激发的波长，再次测量样品的发射光谱。使用激发波长加 15 nm 计算发射范围的下限。将上限设置为 625 nm。
7. 测量C . longa 提取物的发射激发基质，如下所述。
   1. 为了保持一致性，将激发的测量范围设置为 330-435 nm，将发射的测量范围设置为 450-650 nm。保持所有浓度的这些参数。
   2. 用乙醇清洁比色皿，并重复测量其他稀释度。为确保荧光测量的准确性，在转移测试溶液之前，用稀释的提取物冲洗比色皿。

5. 壳聚糖的光致发光测量

1. 制备 300 mL 1% w/v 壳聚糖溶液。将 3 g 壳聚糖与 1% v/v 乙酸 （99.8%） 溶液混合，直至达到 300 mL。搅拌溶液24小时或直至其均质化。
2. 如下所述测量壳聚糖的发射激发基质。
   1. 对壳聚糖使用以下测量参数：
      狭缝宽度：1 nm（发射和激发）
      积分时间：0.1 s
      发射范围：300-370 nm
      激发范围：385-450 nm
3. 如下所述测量织物的红外光谱。
   1. 将多测试仪结构（结构 #1）放在 ATR 晶体上方。多测试仪结构包含 图1A所示的六种类型的结构。使用ATR-FTIR进行测量时，请确保整个ATR晶体被样品覆盖。织物应通过拉动压样机的杠杆与 ATR 晶体完全接触。这将降低它收集的透射率。
   2. 测量织物的红外透射率。在其他织物上重复测量。

6.织物的染色

1. 称量织物以确定要使用的染料和壳聚糖整理的量。
2. 使用 99% 乙醇以 1：1、1：10、1：50、1：100、1：500 和 1：1000 的稀释度制备 C. longa 提取物溶液。
3. 通过将织物浸泡在溶液中，用稀释的 C. longa 提取物以1：25的材料 - 液体比例染色织物1小时。
4. 将织物悬挂晾干。用自来水冲洗织物并悬挂晾干。
5. 如下所述进行织物整理。
   1. 将织物浸泡在溶液中，用1%w / v壳聚糖溶液以1：40的材料与液体比例浸泡染色织物1小时。
   2. 将织物悬挂晾干。用自来水冲洗织物并悬挂晾干。

7. 染色织物的光致发光测量

1. 将织物放入样品架中。使用 AATCC 多重测试仪织物时，请确保将测试织物放置在窗口中间，并且测量区域内没有其他织物。要固定织物的位置，请使用载玻片作为支撑。织物的定位示例如 图1所示。
2. 对于织物光致发光的测量，将积分时间设置为 0.1 s，增量设置为 1 nm，狭缝宽度设置为 0.6 nm。在365nm激发下测量染色织物的荧光。与测量解决方案类似，将发射范围设置为 380-625 nm。
3. 使用步骤5.3中发射率最高的波长，测量样品的激发光谱。将激发范围的下限设置为 330 nm，并使用监测的发射波长负 15 nm 计算激发范围的上限。15 nm 的余量确保在光谱上不会观察到一阶散射。
4. 使用步骤7.3中具有最高激发的波长，测量样品的发射光谱。使用激发波长加 15 nm 计算发射范围的下限。将上限设置为 625 nm。
5. 对其他类型和不同浓度的样品织物重复测量步骤7.1至7.4。
6. 使用 365 nm 激发波长测量 1：50 稀释的壳聚糖成品 C. longa 提取物染色织物的发射光谱。
   注意：用 1：50 稀释染色的织物用于分析壳聚糖整理的效果，因为它显示出最高的光致发光。与步骤 4.4 类似，将发射范围设置为 380-625 nm。
7. 收集光谱化学数据进行解释。

8. 织物的形态分析

注意：织物的形态分析涉及两种类型的照明：白光和 365 nm 紫外线。光源的选择可以揭示染料和整理剂如何粘附在织物上。

1. 由于显微镜缺少紫外光源，因此请使用手持式 365 nm 紫外光源。牢固地固定光源以保持一致的位置，而不会影响成像过程。使用连接到铁架上的夹子安装 365 nm 紫外光，将其指向立体变焦显微镜载物台。
2. 将织物放在舞台上并打开白色光源。使用粗调旋钮将变焦设置为最低放大倍率并定位目标成像区域。逐渐将放大倍率增加到 4 倍，并使用微调旋钮对其进行细化。
3. 利用内置的成像软件插入比例尺并捕获图像。
4. 为确保成像一致，请使用以下值配置曝光参数：将曝光补偿设置为 100，将曝光时间设置为 100 毫秒，将增益设置为 20。此外，将色调值调整为红色：27、绿色：32 和蓝色：23。其他需要调整的指定参数包括锐度：75、降噪：35、饱和度：50、伽玛：6和对比度：50。
5. 关闭白光源并打开 365 nm 光源。使用相同的成像参数捕获图像。
6. 对所有类型的织物和条件（空白、染色、仅整理、染色和成品）重复步骤 8.3 至 8.6，直到捕获所有织物的图像。总共应该有 48 张织物图像。

结果

纤维的 FTIR 分析确定了多测试仪织物 #1 中代表的每种纤维的化学结构。FTIR光谱用于表征多测试织物的每个组分中存在的官能团。如 补充图 1所示，由于N-H官能团的存在而发生这种区别，这导致织物被细分为含氮（补充图 1A）和纤维素（补充图 1B）。蛋白质基纤维（如精纺羊毛和丝绸）和合成聚?...

讨论

纺织品整理是行业内的常见做法，目的是在织物上加入额外的功能特性，使其更适合特定应用45,47,48。在这项研究中，提取的姜黄素被用作天然染料，作为纺织品应用的认证机制。这些方案不仅强调了从姜黄中提取姜黄素，还强调了将这些方法用于纺织应用的不同优势。

鉴于纺织业被认为是污染最严重的?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
(Curcumin) C. longa, spray dried	N/A	N/A	Naturally Sourced
100 mL Graduated Cylinder	n/a
10 mL Serological Pipette	n/a
200 mL Beaker	n/a
365 nm UV Light	AloneFire		SV004 LG
50 mL Centeifuge Tube	n/a
AATCC Multitester Fabric	Testfabrics, Inc.	401002	AATCC Multifiber test fabric # 1 precut pieces of 2 X 2 inches, Heat Sealed
Analytical Balance	Satorius		BSA 224S-CW
Aspirator	n/a
ATR- FTIR	Bruker		Bruker Tensor II
Centrifuge	Hermle Labortechnik GmbH		Z 206 A
Chitosan	Tokyo Chemical Industries	9012-76-4
Digital  Camera	ToupTek		XCAM1080PHB
Drying Rack	n/a
Ethanol	Chem-Supply	64-17-5	Undenatured, 99.9% purity
Glacial Acetic Acid	RCI-Labscan	64-19-7	AR Grade, 99.8% purity
Glass Slide	n/a
Iron Clamp	n/a
Iron Stand	n/a
Magnetic Stirrer	Corning		PC-620D
Pasteur Pipette	n/a
Propan-2-ol	RCI-Labscan	67-63-0	AR Grade, 99.8% purity
Sonicator	Jeio Tech Inc.		UCS-20
Spectrofluorometer	Horiba (Jovin Yvon)		Horiba Fluoromax Plus
Stirring Bar	n/a
UV-Vis Spectrophotometer	Agilent		Cary UV 100
Wash bottle	n/a
Zoom Stereo Microscope	Olympus		SZ61