Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
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Protocol
1.クルクミンの抽出
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 抽出物の吸光度を以下のように測定します。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 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。
- キトサンの発光励起行列を以下のように測定します。
- 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
- キトサンには、以下の測定パラメータを使用します。
- 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。
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 以下のように生地の仕上げを行います。
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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Representative Results
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)とセルロース系(補足図 1B)に分類されます。タンパク質ベースの繊維(梳毛ウールやシルクなど)および合成ポリアミドは、化学構造中のアミド官能基(-CONH-)の存在に対応して窒素含有織物に分類されます。同様に、紡績ビスコース、漂白綿、およびフィラメントアセテートは、セルロース系鎖構造に従います。 付表 1に示すように、梳毛ウール、紡績絹、および紡績ポリアミドから作られた織物は、アミドの存在を示す同様の特徴的なピークを含む。一方、紡績ビスコース、漂白綿、酢酸フィラメントで作られた生地は、セルロース繊維の特徴的なピークを示します。フィラメントのアセテートの1732 cm-1 のピークは、漂白された綿と紡績されたビスコースが43を持っていない生地のエステル基の存在に対応します。
抽出物の検証は、FTIR(図2)および紫外可視(図3)分光法を使用して評価し、クルクミンの存在を確認しました。3352 cm-1、3015 cm-1、2922 cm-1、1705 cm-1、1624 cm-1、1512 cm-1、1271 cm-1の有意なピークは、標的分子に特徴的な官能基の存在を反映しています。これらの結果は、以前に報告された純粋なクルクミン44のFTIRスペクトルとよく一致しており、収集された抽出物にクルクミノイドが含まれていることを示唆しています(補足表2)。クルクミンの高度に共役した性質(図2B、C)は、図3Aに示すように、350〜500nmの範囲の広い吸収スペクトルを発します。すべての希釈液は、424 nmに特徴的なピークを持つブロードバンドプロファイルに従っており、これはクルクミン45のπからπ*の電子励起に起因している可能性があります。吸光度と濃度の間の正の相関(図3B)は、良好な直線性(R2 = 0.99376)を示し、これは、クルクミノイド溶液の濃度の増加に対する吸収中心の存在の増加に対応する典型的な結果である19,46。しかし、分光計の限界は、吸収が飽和し始めるにつれて、1:300の希釈比を超えて観察されました。
抽出したクルクミノイド溶液の検証に続いて、繊維基材への堆積により、認証色素としての実行可能性を評価しました。抽出したクルクミノイド溶液を、梳毛ウール、紡績絹、紡績ポリアミド(ナイロン6,6)、紡績ビスコース、漂白綿、およびフィラメントアセテートで構成されるマルチテスト生地#1に堆積させ、天然および合成繊維との染料の適合性を評価しました。 図4に示すように、クルクミノイド溶液の沈着が成功したことは、染色されたテキスタイルを数回洗浄した後でも、紫外線(UV)光励起で照らされたときに生成されるフォトルミネッセンス発光によって証明されるように、さまざまな濃度で観察されました。
フォトルミネッセンス(PL)測定を実施して、染色されたテキスタイルの光学特性を評価し、クルクミノイド溶液とテキスタイル基材との相互作用を特徴付けました。補足図2に示されているのは、漂白綿(補足図2 A-C)、紡績ビスコース(補足図2 D-F)、およびフィラメントアセテート(補足図2 G-I)で構成されるクルクミノイド染色セルロース織物のPL測定値です).あるいは、梳毛ウール(補足図3 A-C)、紡績絹(補足図3 D-F)、および紡績ポリアミド(補足図3 G-I)で構成されるクルクミノイド染色窒素織物のPL測定は、補足図3に記載されています.左のパネルはPL励起に対応し、中央と右のパネルはそれぞれ正規化PL発光と相対PL発光に対応します。セルロース系布地のPL励起スペクトルは、350〜500nmをカバーする広帯域励起に従います。クルクミノイド溶液の濃度依存した励起は、濃度が上昇すると正規化されたPLスペクトルの特徴的な赤方偏移によって証明されるように見え、クルクミノイド染料の色調整可能性を示します。各基質上のさまざまなクルクミノイド濃度の性能も、相対PL強度の観点から評価されました。PLクルクミンは、450〜600nmの範囲の広い発光をカバーしています。クルクミノイド溶液の濃度が上昇するにつれて、染色された布のサンプル(補足図2および補足図3、右パネル)はすべて、最適濃度まで予想される増加傾向を示し、その後、濃度依存性焼入れに起因する減少傾向が続きました。最適化された濃度は基質によって異なり、1:100 と 1:50 が最も良好な結果が得られることがわかりました。この変化は、異なる基質内のクルクミノイド溶液の独特の相互作用を示唆しています。
希釈した抽出物の発光スペクトルと励起スペクトルは、スリット幅 1 nm、積分時間 0.1 秒で測定したことに注意することが重要です。収集されたデータは、最初に機器内の補正パラメータを介して処理され、測定値からのバックグラウンドノイズが無視されました。発光範囲と励起範囲は、1次および2次のレイリー散乱の検出を防ぐために、励起源と監視された発光波長を考慮して設定されます。散乱の検出は、スペクトルの品質に影響を与えるだけでなく、検出器の寿命を縮める可能性もあります。
同様の標準手順が、布地の発光スペクトルと励起スペクトルの測定で実施されました。あるいは、0.6 nmのスリット幅と0.1 sの積分時間を利用して、抽出物を基質に堆積させたときに蛍光の強度が装置の限界を超えました。発光範囲と励起範囲は、励起源を考慮して再度設定し、1次および2次のレイリー散乱の検出を防ぐために発光波長を監視しました。
図1:サンプルホルダーへの布の取り付け手順。 (A)布地の組成、(B)窓への布の位置合わせ、(C)支持体としてのスライドガラスの適用、および(D)分光蛍光光度計へのホルダーの取り付け。取り付け手順では、分光計の固体サンプルホルダーを利用し、分光器との適切な位置合わせを実証します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:白色および365nmの光の下で染色および完成したマルチテスターファブリック#1の画像。画像は、マルチテスター生地の各パーティションに対する染料濃度の影響を示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:抽出したクルクミンの構造特性。 (A)クルクミンのFTIRスペクトル。クルクミン(B)ジケト型、(C)ケトエノール型の互変異性変異の化学構造。クルクミンの官能基は異なる色で強調表示されており、これらは視覚化され、互変異性の変化に起因します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:クルクミン溶液の紫外可視スペクトル。 (A)さまざまな濃度のクルクミノイド溶液の吸光度スペクトル。(B)濃度に対する吸光度の線形相関。UV-Visスペクトルは、低濃度でもクルクミンの特徴的な吸収ピークを示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5: (A)クルクミノイド溶液と(B)キトサン溶液の励起発光マトリックス。励起-発光マトリックスは、サンプルが示すフォトルミネッセンス特性の3次元透視図法を示します。X軸のEM波長は発光波長、Y軸のEX波長は励起波長を表します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:(A)梳毛ウール、(B)絹紡績、(C)紡績ポリアミド、(D)漂白綿、(E)酢酸フィラメント、(F)紡績ビスコースからなるセルロース系(底面)布地からなるクルクミノイドキトサン染色窒素(トップパネル)生地の365 nm励起下でのフォトルミネッセンス発光。スペクトルは、キトサンをシステムに取り込むことで窒素含有布の光学特性が向上することを示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
補足図1:マルチテストファブリックのFTIRスペクトルと化学構造。 (A)窒素含有の布地。(B)セルロース系生地。布地は、布地タイプの半分にN-H官能基が存在することによって決定されるように、窒素系とセルロース系に細分化されます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2:(A-C)漂白綿、(D-F)紡績ビスコース、(G-I)酢酸フィラメントからなるクルクミノイド染色セルロース織物のフォトルミノイド励起(左)と発光(中正規化強度、右-相対強度)。スペクトルは、セルロース織物の光学特性に関するクルクミンの濃度依存性を示しています。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図3: (A-C)梳毛ウール、(D-F)絹紡績、(G-I)紡績ポリアミドからなるクルクミノイド染色窒素織物のフォトルミネッセンス励起(左)と発光(中-正規化強度、右-相対強度)。スペクトルは、窒素含有織物の光学特性に関するクルクミンの濃度依存性を示しています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図4: 365nmおよび白色光下でのブランクマルチテスター生地の表面形態。このマルチテスター生地は、染料処理を施さずに基準として機能します。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図5: 365nm以下のキトサンと白色光で処理されたマルチテスター生地の表面形態。生地のキトサンの付加はサンプルの表面の目視検査にゼロ変化に最低を示す。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図6: 365nmおよび白色光下でのクルクミノイド染めマルチテスター生地の表面形態。クルクミノイド染料の取り込みは、白色および365 nmの光の下で可視化すると、サンプルの表面全体に着色と良好な分布の即時変化を示します。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図7: クルクミノイドキトサン染めマルチテスター生地の表面形態(365nmおよび白色光)クルクミノイド染料へのキトサンの付加は白くおよび365 nmライトの下でクルクミノイドによって染められる生地に関して同じような着色および分布を示す。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表1: ターメリックからクルクミンを分離するためのさまざまな抽出方法の比較分析。この表は、以前の文献で報告されているクルクミン抽出のさまざまな方法論を示しています。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
付表1: マルチテストファブリックのFTIR周波数を観測しました。表内の単位は、ピークのプロファイルに対応しています(w = 弱、m = 中、s = シャープピーク)。このデータは、Vahur et al.43 によって得られた値で検証されました。2つの研究で同様の結果が得られました。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
付表2 抽出したクルクミンのFTIR周波数を観測しました。表内の単位は、ピークのプロファイルに対応しています(w = 弱、m = 中、s = シャープピーク)。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
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、これらの方法を繊維用途に使用することのさまざまな利点にも重点を置いています。
繊維産業が最も汚染度の高いセクターの1つと見なされていることを考えると、業界にとってより持続可能な慣行を採用することが不可欠になっています49。表1は、過去20年間のさまざまな抽出方法の比較を示しています。これまで見てきたように、超音波処理支援溶媒抽出法は、クルクミンの抽出にシンプルでありながら効果的なアプローチを提供します。抽出時間の短縮、溶媒消費量の削減、抽出効率の向上など、いくつかの利点があるため、環境に優しく持続可能です。抽出物の純度は、生物学的用途のための特定のクルクミノイドの単離などの他の研究にとって重要である可能性があります28、天然染料の適用は、出力色または発光が消費者の要求に従っている限り、そのような高純度を必要としません。抽出手順の後、上澄み液を染料として利用し、認証マーキングとして機能するように繊維に塗布しました。クルクミン固有のフォトルミネッセンス特性は、明るい緑色からオレンジ色の発光を示し、秘密のセキュリティにおける可能性を示しています。しかしながら、天然染料と紡織繊維との親和性が低いことは、紡織基材41への堆積時にクルクミンの光学特性を維持するという点で課題となっている。補足処理が堆積したクルクミンによってもたらされるフォトルミネッセンス特性を変化させる可能性があることを考えると、テキスタイル仕上げプロセス後にセキュリティマーキングの光学性能をテストすることが不可欠です。業界で実施されている様々な仕上げ手順の中で、抗菌仕上げは、布地42内の微生物の増殖を抑制する能力を与えるので、注目に値する重要性を有する。これを考慮して、キトサン(Chi)は、その生体適合性および抗菌特性50のために仕上げプロセスに利用された。また、キトサンが固有の発光特性を示すことも注目に値します。図5は、クルクミン(図5A)とキトサン(図5B)溶液の励起発光マトリックスを示しています。キトサンの特徴的な発光スペクトルは、クルクミンの励起と重なっていることが観察されました。このスペクトルの重なりは、キトサンからクルクミン分子への近接性51へのポテンシャルエネルギー移動経路を可能にする。これまでの報告では、クルクミン-タンパク質複合体の多糖類支援相互作用によるフォトルミネッセンス増強がすでに確立されています52,53。Wang et al.51は、クルクミン-ボビン血清アルブミン-キトサン(C-BSA)三元錯体は、C-BSA二元系よりも高いPL発光強度を示すことを強調した。PL放出の増加は、キトサンを添加すると、クルクミンとウシ血清アルブミンの間の距離が短くなり、三元複合体内の効率的なエネルギー移動につながります。この研究でも同様の現象が観察されました。図6A-Cは、キトサンでクルクミン染めの窒素含有布地の増強されたPLスペクトルを示しています。それにもかかわらず、セルロース系布帛(図5D-F)には有意な増強が観察されず、窒素含有布地との優先的な相互作用が示唆された。これは、タンパク質やポリアミドベースの繊維基質などの固体系内でもPL相互作用を増強できることを意味します。それにもかかわらず、これはクルクミン研究の面で未踏の領域をさらに強調し、この汎用性の高い化合物に関する将来の調査への道を可能にします。
他の研究と同様に、この研究にはいくつかの制限があり、将来の研究開発の根拠として使用される可能性があります。生地に使用されている染料は天然由来であり、抽出プロセスと染色プロセスの両方にエタノールを使用する提案された技術を使用して抽出されます。エタノールはクルクミンを抽出するのに効果的な溶媒です。ただし、他の溶剤も実行可能であり、抽出される染料化合物、不純物の量、およびそれらと生地との相互作用に影響を与える可能性があることを考慮する価値があります。今後の研究では、抽出および染色ステップにおけるさまざまな溶媒の使用が検討される可能性があります。時間的制約と検査施設の空き状況の少なさを考慮し、電子顕微鏡検査の結果は含めていません。ただし、代替として、染料の有無にかかわらず、試験した布地のステレオズーム顕微鏡画像(補足図4、補足図5、補足図6、補足図7)を含めました。ただし、実装されている色素にナノ粒子仕上げがある場合は、電子顕微鏡検査が推奨されます。
さらに、抽出と染色の方法は、実用的な目的のために簡素化されました。抽出した溶液は、溶液に不純物が含まれていても染色プロセスを進めることができるため、精製しませんでした。これらの不純物が生地と媒染剤の相互作用に及ぼす影響は、この研究では調査されていないことに注意することが重要です。
最後に、この研究は主に、クルクミンで染色され、キトサンで媒染されたさまざまな布地のフォトルミネッセンス増強の分析に焦点を当てています。光学特性は大きな注目を浴びましたが、耐久性や耐変色性などの物理試験は行われていませんでした。これは、将来の研究者がテキスタイルにおける認証目的での材料の可能性をさらに探求する機会を提供します。
この研究の再現に関心のある他の研究者は、報告された特定のパラメータが目標の結果に対応していない可能性があることに注意する必要があります。これは、人為的ミス、ランダムエラー、および実験セットアップ周辺の環境条件の存在が原因である可能性があります。したがって、トラブルシューティングのガイドラインに従うと、問題が解決するはずです。
要約すると、この研究は、代替の堅牢な認証プラットフォームとしてのクルクミンの包括的なアプローチの基礎を築き、テキスタイル、認証、機能性ナノ材料など、さまざまな分野に応用できる抽出および分析方法を提供します。この研究から得られた知見は、クルクミン関連アプリケーションにおける将来の研究と革新のための堅牢なフレームワークを提供します。FTIRとUV-Vis分光法を組み合わせた検証プロセスにより、クルクミンの存在を確認する信頼性の高い手段が確立されます。クルクミンの様々な布地基材への堆積の成功は、それらの持続的なフォトルミネッセンス発光によって証明され、効果的で信頼性の高い認証ソリューションの開発に重要な意味を持ち、それによって偽造防止とセキュリティマーキングのエキサイティングな可能性を可能にします。クルクミン染色されたテキスタイルで実施された包括的なPL測定により、クルクミンがさまざまなテキスタイル基材とどのように相互作用するかを包括的に理解できます。この分析アプローチは、クルクミンの光学特性に光を当てるだけでなく、カスタマイズされたアプリケーションと最適な展開戦略を導く独自の基質特異的挙動を明らかにします。さらに、キトサンの抗菌仕上げだけでなく、発光強化の媒介剤としての研究は、フォトニクスやバイオメディカルの分野での新たな応用の大きな可能性を明らかにしています。これらの多面的なアプローチにより、本研究は天然顔料研究への関心を再燃させ、技術的および機能的応用に向けたさらなる研究を推進します。
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Disclosures
著者は何も開示していません。
Acknowledgments
この研究は、フィリピン手織り織物産業のデジタル化プログラムの下で、DOST助成(DOST-GIA)プロジェクト「フィリピン繊維産業のデジタル化プログラムの下でのフィリピン繊維セクターの持続可能性と保護に向けた秘密技術」の下で、科学技術省-フィリピン繊維研究所の支援を受けています。
Materials
| 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 |
References
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