キトサンを介したエネルギー移動によるクルクマ・ロンガ抽出物のフォトルミネッセンスの向上(Enhanced Photoluminescence of Curcuma longa Extracts via Kitosan-Mediated Energy Transfer for Textile Authentication Applications)

要約

フォトルミネッセンスは、現在使用されている最も効果的な認証メカニズムの1つです。固有のフォトルミネッセンス特性を持つ天然由来の素材を利用および強化し、それらを布地の基材に組み込むことで、スマートアプリケーション向けのグリーンで持続可能で機能的なテキスタイルの開発につながる可能性があります。

要約

セキュリティマーキング用の染料は、繊維、医薬品、食品、製造など、さまざまな分野で製品の完全性を保護する上で極めて重要な役割を果たしています。しかし、セキュリティマーキングとして使用されるほとんどの市販の染料は高価であり、人間の健康にリスクをもたらす有毒で有害な物質が含まれている可能性があります。ターメリックに含まれる天然フェノール化合物であるクルクミンは、鮮やかな黄色に加えて独特の発光特性を備えているため、認証用途の材料候補となる可能性があります。この研究は、テキスタイル認証用のクルクミン染料からのフォトルミネッセンス発光を強化するための費用対効果が高く環境に優しいアプローチを示しています。クルクミンは、超音波処理支援溶媒抽出法を使用して C.longa から抽出されました。抽出物をディップコーティングし、テキスタイル基材に染色しました。キトサンは、クルクミンを安定化させるための媒染後剤として、また共増感剤として導入されました。クルクミンとキトサンの共感作は、その発光強度を高めるためのエネルギー移動を引き起こします。424 nmの紫外可視吸収ピークは、クルクミンの特徴的な吸収に関連しています。フォトルミネッセンス測定の結果、キトサンによるエネルギー移動による大幅な増強により、545nmをピークとした幅広い発光が見られ、天然由来のフォトルミネッセンス色素として認証用途に大きな可能性を秘めています。

概要

偽造は、世界中の広範な産業で惨劇と見なされています。市場における模倣品の急増は、経済的大混乱を引き起こし、主要な発明者^1,2,3,4,5,6の生活を妨げます。これは、2020年に表面化しました7 タイトルに偽造防止または偽造品というキーワードを含む出版物の増加傾向が示すように、新興の偽造品に対する継続的な懸念が示されました。2019年に最後に報告されて以来、偽造関連の出版物が大幅に増加しており、詐欺品の製造と流通に対抗するためにかなりの努力が払われていることを示唆しています。一方で、模倣品業界の進行を意味しており、効果的に対処しなければ存続することが予想されるため、非常に憂慮すべきことでもあります。偽造繊維製品の存在は、とりわけ本物の売り手、製造業者、織り手の生活に深刻な影響を与えているため、繊維産業はこの問題と無縁ではありません^3,8。例えば、西アフリカの繊維産業は、長い間、世界有数の輸出市場と考えられてきました。しかし、市場シェアの約85%は、西アフリカの繊維商標を侵害する密輸繊維製品によって占め^{られていると報告}されています9。偽造の影響は、アジア、アメリカ、ヨーロッパなどの他の大陸でも報告されており、この危機が制御不能なレベルに達しており、すでに苦戦している繊維産業に重大な脅威をもたらしていることを示しています2,3,4,10,11,12。

科学技術やイノベーションの急速な進歩に伴い、研究者は偽造防止用途を目的とした機能性材料の開発の役割を担っています。秘密技術の使用は、詐欺的な商品の生産に対抗するための最も一般的で効果的なアプローチの1つです。これは、異なる波長で照射されたときに特定の発光を示すセキュリティ色素としてフォトルミネッセンス材料を利用することを含みます^13,14。しかし、市場で入手可能な一部のフォトルミネッセンス染料は、高濃度で毒性を課す可能性があり、それによって人間の健康と環境に脅威をもたらす可能性があります^15,16。

ターメリック(Curcuma longa)は、塗料、香料、医薬品、化粧品、布地染料など、無数の用途で使用される必須植物です¹⁷。根茎には、クルクミノイドと呼ばれる天然に存在するフェノール化合物があります。これらのクルクミノイドには、クルクミン、デメトキシクルクミン、ビスデメトキシクルクミンが含まれ、その中でクルクミンは、鮮やかな黄色からオレンジ色の着色とターメリック¹⁸の特性に関与する主成分です。クルクミンは、1,7-ビス(4-ヒドロキシ-3-メトキシフェニル)-1,6-ヘプタジエン-3,5-ジオン^19,20として知られており、C₂₁H₂₀O₆の経験式は、その防腐性、抗炎症性、抗菌性、および抗酸化性により、生物医学および製薬分野で大きな注目を集めています17,18,21,22,23.興味深いことに、クルクミンはスペクトル特性と光化学特性も持っています。特に注目に値するのは、紫外線(UV)励起を受けたときのその強烈な発光特性であり、これはいくつかの研究によってのみ調査されています19,24,25。これらの特性を考えると、その疎水性と非毒性特性に加えて、クルクミンは認証マーキングの理想的な着色剤として浮上します。

ターメリックからのクルクミンの抽出は、1800年代初頭に初めて報告されました。過去何世紀にもわたって、より高い収量^{26、27、28、29、30、31、32、33}を達成するために、多くの抽出方法と技術が考案され、改善されてきました。従来の溶媒抽出は、エタノール、メタノール、アセトン、ヘキサンなどの有機溶媒を使用してターメリックからクルクミンを分離するため、広く使用されているアプローチです^34,35。この方法は、マイクロ波アシスト抽出(MAE)18,36,37、ソックスレー抽出^38,39、酵素アシスト抽出(EAE)^39,40、超音波抽出³⁶などのより高度な技術と相まって、改良によって進化してきましたとりわけ、収量を増やすため。一般に、溶媒抽出法は、その汎用性、低エネルギー要件、および費用対効果により、天然染料抽出に適用されており、繊維などのスケーラブルな産業に最適です。

クルクミンは、その独特の黄色の色合いから、繊維の天然染料として取り入れられています。しかし、天然染料の繊維への吸着性の悪さは、その商業的実行可能性を妨げる課題となっている⁴¹。金属、多糖類、その他の有機化合物などの媒染剤は、天然染料の生地への親和性を強化するための一般的なバインダーとして機能します。甲殻類由来の多糖類であるキトサンは、その豊富さ、生体適合性、および洗浄耐久性により、代替媒染剤として広く利用されてきた⁴²。この研究は、クルクミンベースの認証マーキングを準備するための簡単で簡単なアプローチを報告しています。粗クルクミン抽出物は、超音波処理支援溶媒抽出法によって得られた。抽出されたクルクミンのフォトルミネッセンス特性を繊維基材で包括的に調査し、媒染剤としてキトサンを導入することでさらに強化されました。これは、天然由来のフォトルミネッセンス色素として、認証用途に大きな可能性を秘めていることを示しています。

プロトコル

1.クルクミンの抽出

1. 50 mLの遠心チューブに C. longa 粉末3gを秤量します。
   注:遠心分離プロセスを容易にし、抽出を単一の容器で処理するために、50 mL の遠心分離チューブを使用しました。
2. 遠心チューブに38 mLのエタノール(AR、99%)を加えます。チューブを静かに振って、エタノールと C.longa 粉末が完全に混合されるようにします。
3. 通常の音波モードでチューブを30分間超音波処理し、抽出のために高強度設定にします。
4. 固体材料を分離するには、チューブを4430 x g で10分間遠心分離します。遠心分離機を使用する前に、チューブを開いてから再度閉じて、減圧して漏れを防ぎます。
5. 上清を回収し、乾燥した常温条件で保管するためのデカント。上澄み液には、エタノール溶媒中のクルクミン抽出物が含まれています。溶剤の漏れを防ぐために、容器を閉じたままにしておくことが重要です。

2. C. longa 抽出物のフーリエ変換赤外(FTIR)特性評価

注意: 減衰全反射率-フーリエ変換赤外(ATR-FTIR)分光光度計は、ユーザーマニュアルに記載されている標準的な手順に従って操作されました。

1. IRスペクトルを測定する前に、測定パラメータを設定する必要があります。[測定]オプションを使用し、[ 詳細設定 ]タブをクリックして、サンプルとバックグラウンドのスキャン時間のパラメータを40スキャンに、スキャン解像度を4 cm¹に、範囲を4000〜400 ^cm-1に設定します。
2. ATR結晶をPropan-2-ol(99.8%)で洗浄します。クリーニング後、 基本に切り替えます。
   注:バックグラウンドスキャンは、環境干渉を排除し、IRスペクトルが分析対象のサンプルのみを表すようにするために必要です。バックグラウンド測定は、機器の操作を開始する前にのみ実行されます。ATR結晶のクリーニングは、新しい測定の前に必ず行う必要があります。
3. パスツールピペットを使用して、0.3 mLの粗C .ロンガ 抽出物をATR結晶に塗布し、3〜5分間乾燥させてエタノールの干渉を取り除きます。エタノールが乾燥すると、抽出物が結晶に蓄積し、透過率の読み取り値が低下します。
4. ソフトウェアで、[測定] >[詳細] をクリックしてファイル名を設定します。サンプルに名前を付けたら、 基本 タブをクリックし、乾燥抽出物の赤外透過率を測定します。
5. ステップ 2.3 と 2.4 を最大 3 倍まで、またはスペクトルの分解能が向上するまで繰り返します。
   注意: 分解能の向上は、スペクトルの透過率の低下によって決まります。
6. 読み取りが完了したら、99%エタノールと糸くずの出ないワイプを使用してATRクリスタルを清掃します。続いて、Propan-2-olを使用してATRサンプルステージを洗浄します。

3. C. longa 抽出物の紫外可視測定

注意: 紫外可視分光光度計は、ユーザーマニュアルに記載されている標準的な手順に従って操作されました。

1. サンプルを測定する前に、装置を15〜30分間ウォームアップします。これにより、光源と検出器が安定し、再現性のある測定値が保証されます。参照セルにエタノールを入れます。
2. 吸収スペクトルを測定する前に、測定パラメータを設定します。[セットアップ]オプションを使用して[ ケアリー ]タブをクリックし、スキャン時間を0.1秒、データ間隔を1 nm、スキャンレートを600 nm/分に設定します。最後に、200nmから700nmの範囲を設定します。
3. エタノールを溶媒として使用して、1:1000 から 1:100 の範囲で 1:100 刻みで C. longa 抽出物を 25 mL 希釈液を調製します。
4. 希釈した C. longa を約3.5 mL、パスツールピペットを用いて石英キュベットに移します。各サンプル測定後の洗浄を容易にするために、1:1000の希釈から始めて、1:100まで作業します。
5. 抽出物の吸光度を以下のように測定します。
   1. キュベットをエタノールで洗浄し、他の希釈液についても測定を繰り返します。
   2. 吸収の正確さを確保するために、試験溶液を移す前に、希釈した抽出物でキュベットを完全にすすいでください。
6. 他の濃度についても、手順3.4〜3.5.2を繰り返します。

4. C. longa 抽出物のフォトルミネッセンス測定

注意: 蛍光分光計の操作は、ユーザーマニュアルに記載されている標準的な手順に従ったものです。

1. サンプルを測定する前に、装置を15〜30分間ウォームアップします。これにより、光源と検出器が安定し、各測定の再現性が確保されます。
2. 蛍光スペクトルを測定する前に、まず測定パラメータを設定します。 Measure ボタンをクリックし、積分時間を0.1秒、増分を1nm、スリット幅を1nmに設定します。測定範囲は、励起源または発光源によって異なる場合があります。
3. パスツールピペットを使用して、約3.5 mLの希釈した C.longa を石英キュベットに慎重に移します。サンプル測定後の洗浄を容易にするために、1:1000から1:100まで測定を開始します。
4. 365 nmの励起源を用いて抽出物の発光を測定します。発光範囲を380nmから625nmに設定します。
5. ステップ4.4で発光が最大になった波長を使用して、試料の励起スペクトルを測定します。励起範囲の下限を330nmとし、監視した発光波長から15nmを引いた値で上限を算出します。15 nmの許容値により、スペクトル上で一次散乱が観察されません。
6. ステップ4.5で励起が最も高い波長を使用して、サンプルの発光スペクトルを再度測定します。励起波長プラス15nmを使用して発光範囲の下限を計算します。上限を625nmに設定します。
7. C. longa抽出物の発光励起マトリックスを以下のように測定します。
   1. 一貫性を保つために、励起の測定範囲を330〜435nmに設定し、発光を450〜650nmに設定します。すべての濃度でこれらのパラメータを維持します。
   2. キュベットをエタノールで洗浄し、他の希釈液についても測定を繰り返します。蛍光測定の精度を確保するために、試験溶液を移す前に希釈した抽出物でキュベットをすすぎます。

5. キトサンのフォトルミネッセンス測定

1. キトサンの1%w/v溶液を300mL調製します。300 mLに達するまで1% v/v酢酸(99.8%)の解決にキトサンの3 gを混合して下さい。溶液を24時間または均質になるまで攪拌します。
2. キトサンの発光励起行列を以下のように測定します。
   1. キトサンには、以下の測定パラメータを使用します。
      スリット幅:1nm(発光・励起とも)
      積分時間:0.1秒
      発光範囲:300-370 nm
      励起範囲:385-450 nm
3. 以下に説明するように、布地のIRスペクトルを測定します。
   1. マルチテスターファブリック(ファブリック#1)をATRクリスタルの上に置きます。マルチテスター・ファブリックには、 図 1A に示す 6 種類のファブリックが含まれています。ATR-FTIRを使用して測定する場合は、ATR結晶全体がサンプルで覆われていることを確認してください。生地は、サンプルプレッサーのレバーを引くことによってATRクリスタルと完全に接触する必要があります。これにより、収集される透過率が低下します。
   2. 生地のIR透過率を測定します。他の生地で測定を繰り返します。

6. 生地の染色

1. 生地の重量を量って、使用する染料とキトサン仕上げの量を決定します。
2. 99%エタノールを使用して、1:1、1:10、1:50、1:100、1:500、および1:1000の希釈率で C.longa 抽出液を調製します。
3. 希釈した C.ロンガ 抽出物で、材料と液の比率が1:25の状態で布地を溶液に浸して1時間染色します。
4. 布を吊るして乾かします。生地を水道水ですすぎ、吊るして乾かします。
5. 以下のように生地の仕上げを行います。
   1. 染色した布地を溶液に浸し、1:40の材料と液の比率で1%w/vキトサン溶液を浸します。
   2. 布を吊るして乾かします。生地を水道水ですすぎ、吊るして乾かします。

7. 染色布のフォトルミネッセンス測定

1. 布をサンプルホルダーに入れます。AATCCマルチテスターファブリックを使用する場合は、テストされたファブリックがウィンドウの中央に配置され、他のファブリックが測定領域内にないことを確認してください。生地の位置を固定するには、スライドガラスをサポートとして使用します。布地の位置決めの例を 図1に示します。
2. 布帛のフォトルミネッセンスの測定では、積分時間を0.1秒、刻み値を1nm、スリット幅を0.6nmに設定します。染色された布地の蛍光を365 nmの励起で測定します。測定ソリューションと同様に、発光範囲を380〜625nmに設定します。
3. ステップ5.3で発光が最大になった波長を使用して、サンプルの励起スペクトルを測定します。励起範囲の下限を330nmに設定し、監視した発光波長マイナス15nmを使用して励起範囲の上限を計算します。15 nmの許容値により、スペクトル上で一次散乱が観察されません。
4. ステップ7.3で励起が最も高い波長を使用して、サンプルの発光スペクトルを測定します。励起波長プラス15nmを使用して発光範囲の下限を計算します。上限を625nmに設定します。
5. 測定ステップ7.1〜7.4を、他のタイプのサンプル生地について、濃度を変えて繰り返します。
6. 365 nmの励起波長を使用して、1:50希釈キトサン仕上げの C.longa 抽出染色布の発光スペクトルを測定します。
   注:1:50希釈で染色された生地は、最高のフォトルミネッセンスを示すため、キトサン仕上げの効果の分析に使用されます。ステップ4.4と同様に、発光範囲を380〜625nmに設定します。
7. 解釈のために分光化学データを収集します。

8. 織物の形態学的解析

注:布地の形態学的分析には、白色光と365nmUV光の2種類の照明が含まれます。光源の選択により、染料と仕上げが生地にどのように付着するかを明らかにすることができます。

1. 顕微鏡にはUV光源がないため、ハンドヘルド365nmUV光源を使用してください。光源をしっかりと固定して、イメージングプロセスに影響を与えることなく一貫した位置を維持します。鉄製のスタンドに取り付けられたクランプを使用して、365 nmのUV光を取り付け、ステレオズーム顕微鏡ステージに向けます。
2. 布をステージに置き、白色光源を開きます。粗調整ノブを使用して、ズームを最低倍率に設定し、ターゲットイメージング領域を見つけます。倍率を4倍まで徐々に上げ、微調整つまみで微調整します。
3. 内蔵のイメージングソフトウェアを利用してスケールバーを挿入し、画像をキャプチャします。
4. 一貫したイメージングを確保するには、露出補正を 100 に、露光時間を 100 ミリ秒に、ゲインを 20 に設定して、露出パラメーターを設定します。さらに、色相の値を赤:27、緑:32、青:23に調整します。調整が必要なその他の指定パラメータには、シャープネス:75、ノイズ除去:35、彩度:50、ガンマ:6、コントラスト:50があります。
5. 白色光源をオフにし、365nm光源をオンにします。同じイメージングパラメータを使用してイメージをキャプチャします。
6. すべての生地の画像がキャプチャされるまで、すべてのタイプの生地と条件(空白、染色、仕上げのみ、染色と仕上げ)について手順8.3〜8.6を繰り返します。合計で、生地の画像が48枚あるはずです。

結果

繊維のFTIR分析により、マルチテスターファブリック#1に代表される各繊維の化学構造が決定されます。FTIR分光法は、マルチテストファブリックの各コンポーネントに存在する官能基を特徴付けるために利用されました。 補足図 1に示すように、N-H官能基の存在により区別が生じ、その結果、生地は窒素系(補足図 1A)とセルロース...

ディスカッション

テキスタイル仕上げは、ファブリックに追加の機能特性を組み込み、特定の用途により適したものにするために、業界内で一般的な方法です45,47,48。本研究では、抽出したクルクミンを天然色素として利用し、繊維用途の認証機構として利用しました。プロトコルは、ターメリックからのクルクミンの抽出だけでなく、こ?...

資料

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