섬유 인증 응용 분야를 위한 키토산 매개 에너지 전달을 통한 Curcuma longa 추출물의 향상된 광발광

요약

Photoluminescence는 오늘날 사용되는 가장 효과적인 인증 메커니즘 중 하나입니다. 고유한 축광 특성을 가진 천연 소재를 활용 및 강화하고 이를 직물 기판에 통합하면 스마트 애플리케이션을 위한 친환경적이고 지속 가능한 기능성 섬유를 개발할 수 있습니다.

초록

보안 표시용 염료는 섬유, 제약, 식품 및 제조와 같은 다양한 분야에서 제품의 무결성을 보호하는 데 중추적인 역할을 합니다. 그러나 보안 표시로 사용되는 대부분의 상업용 염료는 비용이 많이 들고 인체 건강에 위험을 초래하는 독성 및 유해 물질을 포함할 수 있습니다. 강황에서 발견되는 천연 페놀 화합물인 커큐민은 생생한 노란색과 함께 뚜렷한 광발광 특성을 가지고 있어 인증 응용 분야의 잠재적 후보 물질입니다. 이 연구는 섬유 인증을 위해 커큐민 염료의 향상된 축광 방출을 개발하기 위한 비용 효율적이고 친환경적인 접근 방식을 보여줍니다. 커큐민은 초음파 처리 보조 용매 추출 방법을 사용하여 C. longa 로부터 추출하였다. 추출물을 딥 코팅하고 섬유 기판에 염색했습니다. 키토산은 커큐민을 안정화하기 위한 사후 매염제와 공동 감작제로 도입되었습니다. 커큐민과 키토산의 공동 감작은 에너지 전달을 촉발하여 발광 강도를 향상시킵니다. 424nm에서 UV 가시광선 흡수 피크는 커큐민의 특징적인 흡수와 관련이 있습니다. 광발광 측정은 키토산에 의해 유도된 에너지 전달에 기인하는 상당한 향상과 함께 545nm에서 피크에 달하는 광범위한 방출을 보여주었으며, 따라서 인증 응용 분야를 위한 자연 유래 축광 염료로서의 큰 잠재력을 보여주었습니다.

서문

위조는 전 세계적으로 널리 퍼진 산업에서 골칫거리로 간주됩니다. 시장에서 위조품의 급격한 급증은 경제적 혼란을 일으켜 주요 발명자 1,2,3,4,5,6의 생계를 방해합니다. 이는 2020년⁷ 제목에 위조 방지 또는 위조라는 키워드로 구성된 출판물의 증가 추세에서 알 수 있듯이 신흥 위조 제품에 대한 지속적인 우려에 대해 전면에 나섰습니다. 2019년에 마지막으로 보고된 이후 위조 관련 출판물이 크게 증가한 것을 볼 수 있으며, 이는 사기 상품의 생산 및 유통을 근절하기 위해 상당한 노력이 이루어지고 있음을 시사합니다. 다른 한편으로는, 위조 산업의 발전을 의미한다는 점을 감안할 때 상당히 우려스러울 수 있으며, 이는 효과적으로 해결되지 않을 경우 지속될 것으로 예상됩니다. 위조 섬유 제품의 존재가 정품 판매자, 제조업체 및 직조공의 생계에 심각한 영향을 미치기 때문에 섬유 산업은 이 문제에서 격리되지 않습니다 ^3,8. 예를 들어, 서아프리카의 섬유 산업은 오랫동안 세계 최고의 수출 시장 중 하나로 간주되었습니다. 그러나 시장 점유율의 약 85%는 서아프리카 섬유 상표를 침해하는 밀수 직물이 차지하고 있는 것으로 보고되었습니다.⁹ 위조의 영향은 아시아, 아메리카 및 유럽과 같은 다른 대륙에서도 보고되었으며, 이는 이 위기가 통제할 수 없는 수준에 도달했으며 이미 어려움을 겪고 있는 섬유 산업에 심각한 위협이 되고 있음을 나타냅니다 2,3,4,10,11,12.

과학, 기술 및 혁신의 급속한 발전으로 연구원들은 위조 방지 응용 프로그램을 위한 기능성 재료를 개발하는 역할을 맡았습니다. 은밀한 기술의 사용은 사기성 상품의 생산에 대응하기 위한 가장 일반적이고 효과적인 접근 방식 중 하나입니다. 그것은 다른 파장^13,14에 의해 조사될 때 특정한 빛 방출을 나타내는 안전 염료로서 축광 물질을 이용하는 것을 포함한다. 그러나, 시중에서 구할 수 있는 일부 축광 염료는 고농도에서 독성을 부과할 수 있으며, 이에 따라 인체 건강과 환경에 위협이 될 수 있다^15,16.

강황(Curcuma longa)은 페인트, 향료, 의약품, 화장품 및 직물 염료와 같은 무수한 응용 분야에 사용되는 필수 식물입니다¹⁷. 뿌리 줄기에는 curcuminoids라고 불리는 자연적으로 발생하는 페놀 화합물이 있습니다. 이러한 커큐미노이드에는 커큐민, 데메톡시커큐민 및 비스데메톡시커큐민이 포함되며, 그 중 커큐민은 생생한 노란색에서 주황색 착색과 강황¹⁸의 특성을 담당하는 주요 성분입니다. 1,7-비스(4-하이드록시-3-메톡시페닐)-1,6-헵타디엔-3,5-디온^19,20으로 알려진 커큐민은 C₂₁H 20 O₆의 경험식 17,18,21,22,23. 흥미롭게도, 커큐민은 스펙트럼 및 광화학적 특성도 가지고 있습니다. 특히 주목할 만한 것은 자외선(UV) 여기(excitation)를 받았을 때 강렬한 축광 특성이며, 이는 소수의 연구에 의해서만 탐구되었습니다 19,24,25. 이러한 특성을 감안할 때, 소수성 특성 및 무독성 특성과 함께 커큐민은 인증 표시에 이상적인 착색제로 부상합니다.

강황에서 커큐민을 추출하는 것은 1800년대 초에 처음 보고되었습니다. 지난 수세기 동안 더 높은 수율 26,27,28,29,30,31,32,33을 달성하기 위해 수많은 추출 방법과 기술이 고안되고 개선되었습니다. 기존의 용매 추출은 에탄올, 메탄올, 아세톤 및 헥산과 같은 유기 용매를 사용하여 커큐민을 심황^34,35에서 분리하기 때문에 널리 사용되는 접근 방식입니다. 이 방법은 마이크로파 보조 추출(MAE)18,36,37, Soxhlet 추출(^38,39), 효소 보조 추출(EAE)^39,40 및 초음파 추출⁽³⁶)과 같은 고급 기술과 결합된 수정을 통해 발전했습니다, 수율을 높이기 위해. 일반적으로 용매 추출 방법은 다목적성, 낮은 에너지 요구 사항 및 비용 효율성으로 인해 천연 염료 추출에 적용되어 섬유와 같은 확장 가능한 산업에 이상적입니다.

커큐민은 독특한 노란색 색조로 인해 직물의 천연 염료로 통합되었습니다. 그러나 섬유 섬유에 대한 천연 염료의 착력이 좋지 않다는 것은 상업적 생존을 방해하는 도전 과제로 제기됩니다⁴¹. 금속, 다당류 및 기타 유기 화합물과 같은 매염제는 직물에 대한 천연 염료의 친화력을 강화하는 일반적인 결합제 역할을 합니다. 갑각류에서 추출한 다당류인 키토산(Kitosan)은 자연에 풍부하고 생체 적합성이 높으며 세척 내구성이 뛰어나 대체 매염제로 널리 활용되고 있다⁴². 이 연구는 커큐민 기반 인증 마킹을 준비하는 데 있어 쉽고 직접적인 접근 방식을 보고합니다. 조잡한 커큐민 추출물은 초음파 처리 보조 용매 추출 방법을 통해 수득하였다. 추출된 커큐민의 축광 특성은 섬유 기판에서 종합적으로 조사되었으며 살염제로서 키토산을 도입하여 더욱 향상되었습니다. 이는 인증 응용 분야를 위한 자연 유래 축광 염료로서의 상당한 잠재력을 보여줍니다.

프로토콜

1. 커큐민 추출

1. 50mL 원심분리 튜브에 C. longa 분말 3g을 넣습니다.
   참고: 50mL 원심분리 튜브를 사용하여 원심분리 과정을 용이하게 하고 단일 용기에서 추출을 처리했습니다.
2. 원심분리 튜브에 38mL의 에탄올(AR, 99%)을 추가합니다. 에탄올과 C. longa 분말이 완전히 혼합되도록 튜브를 부드럽게 흔듭니다.
3. 추출을 위해 일반 음파 모드와 고강도 설정에서 30분 동안 튜브를 초음파 처리합니다.
4. 고체 물질을 분리하려면 튜브를 4430 x g 에서 10분 동안 원심분리합니다. 원심분리기를 사용하기 전에 튜브를 열었다가 다시 닫아 압력을 낮추고 누출을 방지하십시오.
5. 상층액을 모아 건조한 주변 조건에 보관하기 위해 디캔트합니다. 상청액은 에탄올 용매에 커큐민 추출물을 함유하고 있습니다. 용매 누출을 방지하기 위해 용기를 닫아 두는 것이 중요합니다.

2. C. longa 추출물의 푸리에 변환 적외선(FTIR) 특성 분석

알림: 감쇠 총 반사율 - 푸리에 변환 적외선(ATR-FTIR) 분광 광도계는 사용 설명서에 있는 표준 절차에 따라 작동되었습니다.

1. IR 스펙트럼을 측정하기 전에 측정 매개변수를 설정해야 합니다. 측정 옵션을 사용하고 고급 탭을 클릭한 다음 샘플 및 백그라운드 스캔 시간에 대한 매개변수를 40 스캔, 스캔 해상도를 4 cm¹, 범위를 4000 - 400 ^cm-1로 설정합니다.
2. Propan-2-ol(99.8%)로 ATR 크리스탈을 청소합니다. 청소 후 기본으로 전환하십시오.
   참고: 배경 스캔은 환경 간섭을 제거하여 IR 스펙트럼이 분석 중인 샘플을 독점적으로 나타내도록 하는 데 필요합니다. 백그라운드 측정은 기기 작동을 시작하기 전에만 수행됩니다. ATR 크리스탈 청소는 항상 모든 새로운 측정 전에 이루어져야 합니다.
3. 파스퇴르 피펫을 사용하여 0.3mL의 미처리 C. longa 추출물을 ATR 결정에 적용하고 3-5분 동안 건조시켜 에탄올의 간섭을 제거합니다. 에탄올이 건조됨에 따라 추출물은 결과적으로 결정에 축적되어 투과율 판독값을 감소시킵니다.
4. 소프트웨어에서 Measure > Advanced 를 클릭하여 파일 이름을 설정합니다. 샘플의 이름을 지정한 후 기본 탭을 클릭하고 건조된 추출물의 IR 투과율을 측정합니다.
5. 2.3단계와 2.4단계를 최대 3배까지 반복하거나 스펙트럼의 분해능이 향상될 때까지 반복합니다.
   NOTE: 향상된 해상도는 스펙트럼의 투과율 감소에 의해 결정됩니다.
6. 판독을 완료한 후 99% 에탄올과 보푸라기가 없는 물티슈를 사용하여 ATR 크리스탈을 청소합니다. 그 후, Propan-2-ol을 사용하여 ATR 샘플 스테이지를 세척합니다.

3. C. longa 추출물의 UV 가시광선 측정

알림: UV 가시광선 분광 광도계는 사용 설명서에 있는 표준 절차에 따라 작동되었습니다.

1. 샘플을 측정하기 전에 기기를 15-30분 동안 예열합니다. 이렇게 하면 광원과 감지기가 안정화되어 재현 가능한 판독값이 보장됩니다. 기준 셀을 에탄올로 채웁니다.
2. 흡수 스펙트럼을 측정하기 전에 측정 매개변수를 설정하십시오. 설정 옵션을 사용하여 캐리 탭을 클릭하고 스캔 시간을 0.1초로, 데이터 간격을 1nm로, 스캔 속도를 600nm/min으로 설정합니다. 마지막으로 범위를 200nm에서 700nm로 설정합니다.
3. 에탄올을 용매로 사용하여 1:1000에서 1:100 범위의 C. longa 추출물 25mL를 1:100 증분으로 희석합니다.
4. 약 3.5mL의 희석된 C. longa 를 파스퇴르 피펫을 사용하여 석영 큐벳에 옮깁니다. 각 샘플 측정 후 더 쉽게 세척하려면 1:1000 희석으로 시작하여 최대 1:100까지 작업하십시오.
5. 아래에 설명된 대로 추출물의 흡광도를 측정합니다.
   1. 큐벳을 에탄올로 세척하고 다른 희석액에 대해 측정을 반복합니다.
   2. 흡수의 정확성을 보장하려면 테스트 용액을 옮기기 전에 희석된 추출물로 큐벳을 완전히 헹굽니다.
6. 다른 농도에 대해 3.4-3.5.2단계를 반복합니다.

4. C. longa 추출물의 Photoluminescence 측정

알림: 형광 분광계의 작동은 사용 설명서에 있는 표준 절차를 따랐습니다.

1. 샘플을 측정하기 전에 기기를 15-30분 동안 예열합니다. 이렇게 하면 광원과 감지기가 안정화되어 각 측정의 재현성이 보장됩니다.
2. 형광 스펙트럼을 측정하기 전에 먼저 측정 매개변수를 설정하십시오. 측정 버튼을 클릭하고 적분 시간을 0.1초, 증분을 1nm, 슬릿 폭을 1nm로 설정합니다. 측정 범위는 여기 또는 방출원에 따라 달라질 수 있습니다.
3. 파스퇴르 피펫을 사용하여 석영 큐벳에서 희석된 약 3.5mL의 C. longa 를 조심스럽게 옮깁니다. 샘플 측정 후 더 쉽게 청소할 수 있도록 1:1000에서 1:100까지 측정을 시작하십시오.
4. 365nm 여기 광원을 사용하여 추출물의 방출을 측정합니다. 방출 범위를 380nm에서 625nm로 설정합니다.
5. 4.4단계에서 가장 높은 방출을 가진 파장을 사용하여 샘플의 여기 스펙트럼을 측정합니다. 여기 범위의 하한을 330nm로 설정하고 모니터링된 방출 파장에서 15nm를 뺀 값을 사용하여 상한을 계산합니다. 15nm의 허용치로 스펙트럼에서 1차 산란이 관찰되지 않습니다.
6. 4.5단계에서 여기가 가장 높은 파장을 사용하여 샘플의 방출 스펙트럼을 다시 측정합니다. 여기 파장에 15nm를 더한 값을 사용하여 방출 범위의 하한을 계산합니다. 상한을 625nm로 설정합니다.
7. 아래에 설명된 대로 C. longa 추출물의 배출-여기 매트릭스를 측정합니다.
   1. 일관성을 위해 여기 측정 범위를 330-435 nm로 설정하고 방출을 450-650 nm로 설정합니다. 모든 농도에 대해 이러한 매개변수를 유지합니다.
   2. 큐벳을 에탄올로 세척하고 다른 희석액에 대해 측정을 반복합니다. 형광 측정의 정확성을 보장하려면 테스트 용액을 옮기기 전에 희석된 추출물로 큐벳을 헹굽니다.

5. 키토산의 Photoluminescence 측정

1. 키토산 1% w/v 용액 300mL를 준비합니다. 키토산 3g을 1% v/v 아세트산(99.8%) 용액에 300mL가 될 때까지 혼합합니다. 용액을 24시간 동안 또는 균질화될 때까지 저어줍니다.
2. 아래에 설명된 대로 키토산의 방출-여기 매트릭스를 측정합니다.
   1. 키토산에 대해 다음 측정 매개변수를 사용하십시오.
      슬릿 폭: 1 nm (방출 및 여기 모두)
      통합 시간: 0.1초
      방출 범위: 300-370nm
      여기 범위: 385-450 nm
3. 아래 설명된 대로 직물의 IR 스펙트럼을 측정합니다.
   1. 다중 테스터 패브릭(패브릭 #1)을 ATR 크리스탈 위에 놓습니다. 멀티 테스터 패브릭에는 그림 1A에 표시된 6가지 유형의 패브릭이 포함되어 있습니다. ATR-FTIR을 사용하여 측정할 때 전체 ATR 결정이 샘플로 덮여 있는지 확인하십시오. 직물은 샘플 압착기의 레버를 당겨 ATR 크리스탈과 완전히 접촉해야 합니다. 이렇게 하면 수집하는 투과율이 감소합니다.
   2. 직물의 IR 투과율을 측정합니다. 다른 직물에 대해 측정을 반복합니다.

6. 직물의 염색

1. 사용할 염료와 키토산 마감재의 양을 결정하기 위해 직물의 무게를 잰다.
2. 99% 에탄올을 사용하여 희석 1:1, 1:10, 1:50, 1:100, 1:500 및 1:1000에서 C. longa 추출물 용액을 준비합니다.
3. 희석된 C. longa 추출물로 직물을 용액에 담가 1시간 동안 재료-주류 비율로 1시간 동안 염색합니다.
4. 천을 걸어 말리십시오. 수돗물로 천을 헹구고 매달아 말리십시오.
5. 아래 설명에 따라 직물 마감을 수행하십시오.
   1. 직물을 용액에 담가 1시간 동안 재료 대 주류 비율로 1:40 w/v 키토산 용액으로 염색된 직물을 담그십시오.
   2. 천을 걸어 말리십시오. 수돗물로 천을 헹구고 매달아 말리십시오.

7. 염색된 직물의 Photoluminescence 측정

1. 샘플 홀더에 천을 놓습니다. AATCC 멀티 테스터 패브릭을 사용할 때 테스트된 패브릭이 창 중앙에 배치되고 측정 영역 내에 다른 패브릭이 없는지 확인하십시오. 직물의 위치를 고정하려면 유리 슬라이드를 지지대로 사용하십시오. 직물 위치 지정의 예는 그림 1에 나와 있습니다.
2. 직물 축광을 측정하려면 통합 시간을 0.1초, 증분을 1nm, 슬릿 폭을 0.6nm로 설정합니다. 365nm 여기(excitation)에서 염색된 직물의 형광을 측정합니다. 측정 용액과 유사하게 방출 범위를 380-625nm로 설정합니다.
3. 5.3단계에서 가장 높은 방출을 가진 파장을 사용하여 샘플의 여기 스펙트럼을 측정합니다. 여기 범위의 하한을 330nm로 설정하고 모니터링된 방출 파장에서 15nm를 뺀 값을 사용하여 여기 범위의 상한을 계산합니다. 15nm의 허용치로 스펙트럼에서 1차 산란이 관찰되지 않습니다.
4. 7.3단계에서 여기가 가장 높은 파장을 사용하여 샘플의 방출 스펙트럼을 측정합니다. 여기 파장에 15nm를 더한 값을 사용하여 방출 범위의 하한을 계산합니다. 상한을 625nm로 설정합니다.
5. 다른 유형의 샘플 직물 및 농도가 다른 측정에 대해 측정 단계 7.1에서 7.4를 반복합니다.
6. 365nm 여기 파장을 사용하여 1:50 희석된 키토산 마감 C. longa 추출물 염색 직물의 방출 스펙트럼을 측정합니다.
   참고: 1:50 희석으로 염색된 직물은 가장 높은 광발광을 보여주기 때문에 키토산 마감 효과 분석에 사용됩니다. 4.4단계와 유사하게 방출 범위를 380-625nm로 설정합니다.
7. 해석을 위해 분광화학 데이터를 수집합니다.

8. 직물의 형태학적 분석

참고: 직물의 형태학적 분석에는 백색광과 365nm 자외선의 두 가지 유형의 조명이 포함됩니다. 광원의 선택은 염료와 마감재가 직물에 어떻게 부착되는지 알 수 있습니다.

1. 현미경에는 UV 광원이 없으므로 휴대용 365nm UV 광원을 사용하십시오. 이미징 프로세스에 영향을 주지 않고 일관된 위치를 유지하기 위해 광원을 단단히 고정하십시오. 사용 clamp 철제 스탠드에 부착되어 365nm UV 광선을 장착하고 스테레오 줌 현미경 스테이지를 향하게 합니다.
2. 천을 무대에 놓고 백색 광원을 엽니다. 거친 조정 노브를 사용하여 줌을 가장 낮은 배율로 설정하고 대상 이미징 영역을 찾습니다. 점차적으로 배율을 최대 4배까지 높이고 미세 조정 노브를 사용하여 미세 조정합니다.
3. 내장된 이미징 소프트웨어를 활용하여 스케일 바를 삽입하고 이미지를 캡처합니다.
4. 일관된 이미징을 보장하려면 노출 보정을 100으로, 노출 시간을 100ms로, 게인을 20으로 설정하는 값으로 노출 매개변수를 구성합니다. 또한 색조 값을 빨강: 27, 녹색: 32 및 파랑: 23으로 조정합니다. 조정이 필요한 다른 지정된 매개변수에는 선명도: 75, 노이즈 제거: 35, 채도: 50, 감마: 6 및 대비: 50이 포함됩니다.
5. 백색 광원을 끄고 365nm 광원을 켭니다. 동일한 이미징 파라미터를 사용하여 이미지를 캡처합니다.
6. 모든 직물의 이미지가 캡처될 때까지 모든 유형의 직물 및 조건(블랭크, 염색, 마감만, 염색 및 마감)에 대해 8.3-8.6단계를 반복합니다. 총 48개의 직물 이미지가 있어야 합니다.

결과

섬유의 FTIR 분석은 다중 테스터 직물 #1에 표시된 각 섬유의 화학 구조를 결정합니다. 다중 테스트 직물의 각 구성 요소에 존재하는 작용기를 특성화하기 위해 FTIR 분광법을 활용했습니다. 보충 그림 1에서 볼 수 있듯이, 이러한 구별은 N-H 작용기의 존재로 인해 발생하며, 이로 인해 직물은 질소(보충 그림 1A) 및 셀룰로오스(보충 ...

토론

섬유 마감은 직물에 추가적인 기능적 특성을 통합하여 특정 응용 분야에 더 적합하게 만들기 위해 업계에서 일반적인 관행입니다 45,47,48. 이 연구에서는 추출된 커큐민을 천연 염료로 활용하여 섬유 응용 분야의 인증 메커니즘으로 사용했습니다. 이 프로토콜은 강황에서 커큐민을 추출하는 것뿐만 아니라 섬유 응용 분야에 이...

자료

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