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Articolo metodologico

Fotoluminescenza potenziata degli estratti di Curcuma longa tramite trasferimento di energia mediato dal chitosano per applicazioni di autenticazione tessile

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DOI:

10.3791/66035

22 dicembre 2023

In questo articolo

Sommario

La fotoluminescenza è uno dei meccanismi di autenticazione più efficaci utilizzati oggi. L'utilizzo e il miglioramento di materiali di origine naturale con proprietà fotoluminescenti intrinseche e la loro incorporazione nei substrati dei tessuti possono portare allo sviluppo di tessuti ecologici, sostenibili e funzionali per applicazioni intelligenti.

Abstract

I coloranti per i marchi di sicurezza svolgono un ruolo fondamentale nella salvaguardia dell'integrità dei prodotti in vari settori, come quello tessile, farmaceutico, alimentare e manifatturiero, tra gli altri. Tuttavia, la maggior parte dei coloranti commerciali utilizzati come marchi di sicurezza sono costosi e possono contenere sostanze tossiche e nocive che rappresentano un rischio per la salute umana. La curcumina, un composto fenolico naturale presente nella curcuma, possiede proprietà fotoluminescenti distinte insieme al suo colore giallo vibrante, che la rendono un potenziale materiale candidato per applicazioni di autenticazione. Questo studio dimostra un approccio economico ed ecologico per sviluppare emissioni fotoluminescenti potenziate dai coloranti alla curcumina per l'autenticazione tessile. La curcumina è stata estratta da C. longa utilizzando il metodo di estrazione con solvente assistito da sonicazione. L'estratto è stato rivestito per immersione e tinto nei substrati tessili. Il chitosano è stato introdotto come agente post-mordenzante per stabilizzare la curcumina e come co-sensibilizzante. La co-sensibilizzazione della curcumina con il chitosano innesca il trasferimento di energia per migliorarne l'intensità luminescente. Il picco di assorbimento UV-visibile a 424 nm è associato al caratteristico assorbimento della curcumina. Le misurazioni della fotoluminescenza hanno mostrato un'ampia emissione con un picco di 545 nm con un significativo miglioramento attribuito al trasferimento di energia indotto dal chitosano, mostrando così un grande potenziale come colorante fotoluminescente di derivazione naturale per applicazioni di autenticazione.

Introduzione

La contraffazione è considerata una piaga in settori diffusi in tutto il mondo. La rapida ondata di prodotti contraffatti sul mercato provoca il caos economico, che impedisce il sostentamento dell'inventore principale 1,2,3,4,5,6. Ciò è stato portato alla ribalta nel 20207 sulla continua preoccupazione per i prodotti contraffatti emergenti, come evidenziato dalla tendenza crescente delle pubblicazioni che consistono nella parola chiave anticontraffazione o contraffazione nei loro titoli. Dall'ultima segnalazione del 2019 si osserva un aumento significativo delle pubblicazioni relative alla contraffazione, il che suggerisce che si stanno compiendo sforzi considerevoli per combattere la produzione e la distribuzione di merci fraudolente. D'altra parte, può anche essere piuttosto allarmante, dato che indica la progressione dell'industria della contraffazione, che dovrebbe persistere se non affrontata in modo efficace. L'industria tessile non è esente da questo problema, poiché la presenza di prodotti tessili contraffatti ha avuto un grave impatto sui mezzi di sussistenza di venditori, produttori e tessitori autentici, tra gli altri 3,8. Ad esempio, l'industria tessile dell'Africa occidentale è stata a lungo considerata uno dei principali mercati di esportazione al mondo. Tuttavia, èstato riferito che circa l'85% della quota di mercato è detenuta da prodotti tessili di contrabbando che violano i marchi tessili dell'Africa occidentale. Gli effetti della contraffazione sono stati segnalati anche in altri continenti come l'Asia, l'America e l'Europa, indicando che questa crisi ha raggiunto un livello incontrollabile e rappresenta una minaccia significativa per l'industria tessile già in difficoltà 2,3,4,10,11,12.

Con i rapidi progressi della scienza, della tecnologia e dell'innovazione, i ricercatori hanno assunto il ruolo di sviluppare materiali funzionali ai fini delle applicazioni anticontraffazione. L'uso della tecnologia segreta è uno degli approcci più comuni ed efficaci per contrastare la produzione di beni fraudolenti. Comporta l'utilizzo di materiali fotoluminescenti come coloranti di sicurezza che mostrano un'emissione luminosa specifica quando irradiati da diverse lunghezze d'onda13,14. Tuttavia, alcuni coloranti fotoluminescenti disponibili sul mercato possono imporre tossicità ad alte concentrazioni, rappresentando così una minaccia per la salute umana e l'ambiente15,16.

La curcuma (Curcuma longa) è una pianta essenziale utilizzata in una miriade di applicazioni come vernici, agenti aromatizzanti, medicinali, cosmetici e coloranti per tessuti17. Nei rizomi sono presenti composti chimici fenolici presenti in natura chiamati curcuminoidi. Questi curcuminoidi includono curcumina, demetossicurcumina e bisdemetossicurcumina, tra i quali la curcumina è il principale costituente responsabile della vivace colorazione dal giallo all'arancione e delle proprietà della curcuma18. La curcumina, altrimenti nota come 1,7-bis(4-idrossi-3-metossifenil)-1,6-eptadiene-3,5-dione19,20 con una formula empirica di C21H20O6, ha attirato una notevole attenzione in campo biomedico e farmaceutico grazie alle sue proprietà antisettiche, antinfiammatorie, antibatteriche e antiossidanti 17,18,21,22,23. È interessante notare che la curcumina possiede anche caratteristiche spettrali e fotochimiche. Particolarmente degne di nota sono le sue intense proprietà fotoluminescenti quando sottoposto a eccitazioni ultraviolette (UV) che sono state esplorate solo da pochi studi 19,24,25. Date queste caratteristiche, in tandem con la sua natura idrofobica e le sue proprietà non tossiche, la curcumina emerge come un colorante ideale per i contrassegni di autenticazione.

L'estrazione della curcumina dalla curcuma è stata segnalata per la prima volta all'inizio del 1800. Nel corso degli ultimi secoli, numerose metodologie e tecniche di estrazione sono state ideate e migliorate per ottenere una maggiore resa 26,27,28,29,30,31,32,33. L'estrazione con solvente convenzionale è un approccio ampiamente utilizzato in quanto impiega solventi organici come etanolo, metanolo, acetone ed esano, tra gli altri, per isolare la curcumina dalla curcuma34,35. Questo metodo si è evoluto attraverso modifiche, abbinate a tecniche più avanzate come l'estrazione assistita da microonde (MAE)18,36,37, l'estrazione Soxhlet 38,39, l'estrazione assistita da enzimi (EAE)39,40 e l'estrazione ad ultrasuoni36, tra l'altro per aumentare la resa. Generalmente, il metodo di estrazione con solvente è stato applicato per l'estrazione di coloranti naturali grazie alla sua versatilità, al basso fabbisogno energetico e all'economicità che lo rendono ideale per industrie scalabili come quella tessile.

La curcumina è stata integrata come colorante naturale per i tessuti grazie alla sua distinta tonalità gialla. Tuttavia, lo scarso adsorbimento dei coloranti naturali sulle fibre tessili rappresenta una sfida che ne ostacola la redditività commerciale41. I mordenti, come metalli, polisaccaridi e altri composti organici, fungono da leganti comuni per rafforzare l'affinità dei coloranti naturali con il tessuto. Il chitosano, un polisaccaride derivato dai crostacei, è stato ampiamente utilizzato come agente mordenzante alternativo grazie alla sua abbondanza in natura, alla biocompatibilità e alla durata del lavaggio42. Questo studio riporta un approccio semplice e diretto nella preparazione della marcatura di autenticazione basata sulla curcumina. Gli estratti di curcumina grezza sono stati ottenuti tramite il metodo di estrazione con solvente assistito da sonicazione. Le proprietà fotoluminescenti della curcumina estratta sono state studiate in modo completo su substrati tessili e ulteriormente migliorate con l'introduzione del chitosano come agente mordenzante. Ciò dimostra il notevole potenziale come colorante fotoluminescente di derivazione naturale per applicazioni di autenticazione.

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Protocollo

1. Estrazione della curcumina

  1. Pesare 3 g di polvere di C. longa in una provetta da centrifuga da 50 ml.
    NOTA: Una provetta da centrifuga da 50 mL è stata utilizzata per facilitare il processo di centrifugazione e processare l'estrazione su un unico contenitore.
  2. Aggiungere 38 mL di etanolo (AR, 99%) nella provetta da centrifuga. Agitare delicatamente il tubo per garantire un'accurata miscelazione dell'etanolo con la polvere di C. longa .
  3. Sonicare il tubo per 30 minuti in modalità sonica normale e impostazione ad alta intensità per l'estrazione.
  4. Per separare i materiali solidi, centrifugare la provetta a 4430 x g per 10 min. Prima di utilizzare la centrifuga, aprire la provetta e richiuderla per depressurizzare ed evitare perdite.
  5. Decantare per raccogliere il surnatante e conservarlo in condizioni ambientali asciutte. Il surnatante contiene estratto di curcumina in solvente etanolo. È importante tenere il contenitore chiuso per evitare perdite di solvente.

2. Caratterizzazione infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) dell'estratto di C. longa

NOTA: Lo spettrofotometro a infrarossi a trasformata di Fourier (ATR-FTIR) a riflettanza totale attenuata è stato utilizzato seguendo le procedure standard riportate nel manuale dell'utente.

  1. Prima di misurare gli spettri IR, è necessario impostare i parametri di misurazione. Utilizzare l'opzione Misura, fare clic sulla scheda Avanzate e impostare i parametri per il tempo di scansione del campione e dello sfondo su 40 scansioni, la risoluzione di scansione su 4 cm1 e l'intervallo da 4000 a 400 cm-1.
  2. Pulisci il cristallo ATR con Propan-2-olo (99,8%). Dopo la pulizia, passare a Basic.
    NOTA: Le scansioni di fondo sono necessarie per eliminare le interferenze ambientali, assicurando che gli spettri IR rappresentino esclusivamente il campione analizzato. Le misurazioni di fondo vengono eseguite solo prima di iniziare il funzionamento dello strumento. La pulizia del cristallo ATR deve sempre avvenire prima di ogni nuova misurazione.
  3. Utilizzare una pipetta Pasteur per applicare 0,3 mL di estratto grezzo di C. longa nel cristallo ATR e lasciarlo asciugare per 3-5 minuti per rimuovere l'interferenza dell'etanolo. Man mano che l'etanolo si asciuga, l'estratto si accumula di conseguenza nel cristallo, riducendo la lettura della trasmittanza.
  4. Sul software, fare clic su Misura > Avanzate per impostare il nome del file. Dopo aver nominato il campione, fare clic sulla scheda Base e misurare la trasmittanza IR dell'estratto secco.
  5. Ripetere i passaggi 2.3 e 2.4 fino a 3x o fino a quando la risoluzione degli spettri non migliora.
    NOTA: Una migliore risoluzione è determinata da una diminuzione della trasmittanza nello spettro.
  6. Dopo aver completato la lettura, pulire il cristallo ATR utilizzando etanolo al 99% e salviette prive di lanugine. Successivamente, pulire lo stadio del campione ATR utilizzando Propan-2-olo.

3. Misurazione UV-visibile dell'estratto di C. longa

NOTA: Lo spettrofotometro UV-visibile è stato utilizzato seguendo le procedure standard riportate nel manuale dell'utente.

  1. Prima di misurare i campioni, lasciare che lo strumento si riscaldi per 15-30 minuti. Ciò stabilizzerà la sorgente luminosa e il rilevatore, garantendo così letture riproducibili. Riempi la cella di riferimento con etanolo.
  2. Prima di misurare gli spettri di assorbimento, impostare i parametri di misurazione. Utilizzare l'opzione Impostazione, fare clic sulla scheda Cary e impostare il tempo di scansione su 0,1 s, l'intervallo dati su 1 nm e la velocità di scansione su 600 nm/min. Infine, impostare l'intervallo da 200 nm a 700 nm.
  3. Preparare 25 mL di diluizioni dell'estratto di C. longa da 1:1000 a 1:100 con incrementi di 1:100 utilizzando etanolo come solvente.
  4. Trasferire circa 3,5 mL di C. longa diluita in una cuvetta di quarzo utilizzando una pipetta Pasteur. Per una pulizia più semplice dopo ogni misurazione del campione, iniziare con una diluizione 1:1000 e lavorare fino a 1:100.
  5. Misurare l'assorbanza dell'estratto come descritto di seguito.
    1. Pulire la cuvetta con etanolo e ripetere le misurazioni per le altre diluizioni.
    2. Per garantire l'accuratezza dell'assorbimento, sciacquare accuratamente le cuvette con l'estratto diluito prima di trasferire la soluzione di prova.
  6. Ripetere i passaggi 3.4-3.5.2 per le altre concentrazioni.

4. Misurazione della fotoluminescenza dell'estratto di C. longa

NOTA: Il funzionamento dello spettrometro a fluorescenza ha seguito le procedure standard riportate nel manuale dell'utente.

  1. Prima di misurare i campioni, lasciare che lo strumento si riscaldi per 15-30 minuti. Ciò stabilizzerà la sorgente luminosa e il rilevatore, garantendo così la riproducibilità di ogni misurazione.
  2. Prima di misurare gli spettri fluorescenti, impostare i parametri di misurazione. Fare clic sul pulsante Misura e impostare il tempo di integrazione su 0,1 s, gli incrementi su 1 nm e la larghezza della fenditura su 1 nm. L'intervallo di misurazione può variare a seconda della fonte di eccitazione o di emissione.
  3. Utilizzando una pipetta Pasteur, trasferire con cautela circa 3,5 mL di C. longa diluita nella cuvetta di quarzo. Per facilitare la pulizia dopo la misurazione del campione, iniziare la misurazione da 1:1000 fino a 1:100.
  4. Misurare l'emissione dell'estratto utilizzando una sorgente di eccitazione a 365 nm. Impostare l'intervallo di emissione da 380 nm a 625 nm.
  5. Utilizzando la lunghezza d'onda con l'emissione più alta dal punto 4.4, misurare lo spettro di eccitazione del campione. Impostare il limite inferiore per l'intervallo di eccitazione a 330 nm e calcolare il limite superiore utilizzando la lunghezza d'onda di emissione monitorata meno 15 nm. La tolleranza di 15 nm assicura che non si osservi alcuno scattering del primo ordine sugli spettri.
  6. Utilizzando la lunghezza d'onda con l'eccitazione più alta dal punto 4.5, misurare nuovamente lo spettro di emissione del campione. Calcolare il limite inferiore per l'intervallo di emissione utilizzando la lunghezza d'onda di eccitazione più 15 nm. Impostare il limite superiore su 625 nm.
  7. Misurare la matrice di emissione-eccitazione dell'estratto di C. longa come descritto di seguito.
    1. Per coerenza, impostare il campo di misura per l'eccitazione da 330-435 nm e l'emissione su 450-650 nm. Mantenere questi parametri per tutte le concentrazioni.
    2. Pulire la cuvetta con etanolo e ripetere le misurazioni per altre diluizioni. Per garantire l'accuratezza delle misurazioni della fluorescenza, sciacquare le cuvette con l'estratto diluito prima di trasferire la soluzione di prova.

5. Misura della fotoluminescenza del chitosano

  1. Preparare 300 mL di soluzione di Chitosano all'1% p/v. Mescolare 3 g di chitosano in una soluzione di acido acetico all'1% v/v (99,8%) fino a raggiungere i 300 ml. Mescolare la soluzione per 24 ore o fino a quando non si omogeneizza.
  2. Misurare la matrice emissione-eccitazione del chitosano come descritto di seguito.
    1. Utilizzare i seguenti parametri di misurazione per il chitosano:
      Larghezza fenditura: 1 nm (sia emissione che eccitazione)
      Tempo di integrazione: 0,1 s
      Intervallo di emissione: 300-370 nm
      Intervallo di eccitazione: 385-450 nm
  3. Misurare gli spettri IR dei tessuti come descritto di seguito.
    1. Posizionare il tessuto multi-tester (Fabric #1) sopra il cristallo ATR. Il fabric multi-tester contiene sei tipi di fabric mostrati nella Figura 1A. Quando si esegue la misurazione con ATR-FTIR, assicurarsi che l'intero cristallo ATR sia coperto dal campione. Il tessuto deve entrare in pieno contatto con il cristallo ATR tirando la leva del pressacampioni del campione. Ciò diminuirà la trasmittanza che raccoglie.
    2. Misurare la trasmittanza IR dei tessuti. Ripetere la misurazione su altri tessuti.

6. Tintura dei tessuti

  1. Pesare i tessuti per determinare la quantità di tintura e finissaggio chitosano da utilizzare.
  2. Preparare le soluzioni di estratto di C. longa alle diluizioni 1:1, 1:10, 1:50, 1:100, 1:500 e 1:1000 utilizzando etanolo al 99%.
  3. Tingere i tessuti con estratto diluito di C. longa in rapporto materiale-bagno 1:25 per 1 ora immergendo il tessuto nelle soluzioni.
  4. Appendi i tessuti ad asciugare. Risciacquare i tessuti con acqua di rubinetto e appenderli ad asciugare.
  5. Eseguire il finissaggio del tessuto come descritto di seguito.
    1. Immergere i tessuti tinti con una soluzione di chitosano all'1% p/v con un rapporto materiale/liquore di 1:40 per 1 ora immergendo il tessuto nella soluzione.
    2. Appendi i tessuti ad asciugare. Risciacquare i tessuti con acqua di rubinetto e appenderli ad asciugare.

7. Misure di fotoluminescenza di tessuti tinti

  1. Posizionare il tessuto nel portacampioni. Quando si utilizzano tessuti multi-tester AATCC, assicurarsi che il tessuto testato sia posizionato al centro della finestra e che nessun altro tessuto si trovi all'interno dell'area di misurazione. Per fissare la posizione dei tessuti, utilizzare vetrini come supporto. Un esempio di posizionamento del tessuto è mostrato nella Figura 1.
  2. Per la misurazione della fotoluminescenza del tessuto, impostare il tempo di integrazione su 0,1 s, incrementi su 1 nm e la larghezza della fessura su 0,6 nm. Misura la fluorescenza di tessuti tinti a 365 nm di eccitazione. Analogamente alle soluzioni di misurazione, impostare l'intervallo di emissione su 380-625 nm.
  3. Utilizzando la lunghezza d'onda con la massima emissione dal punto 5.3, misurare lo spettro di eccitazione del campione. Impostare il limite inferiore per l'intervallo di eccitazione a 330 nm e calcolare il limite superiore per l'intervallo di eccitazione utilizzando la lunghezza d'onda di emissione monitorata meno 15 nm. La tolleranza di 15 nm assicura che non si osservi alcuno scattering del primo ordine sugli spettri.
  4. Utilizzando la lunghezza d'onda con la massima eccitazione dal punto 7.3, misurare lo spettro di emissione del campione. Calcolare il limite inferiore per l'intervallo di emissione utilizzando la lunghezza d'onda di eccitazione più 15 nm. Impostare il limite superiore su 625 nm.
  5. Ripetere i passaggi di misurazione da 7.1 a 7.4 per altri tipi di tessuti campione e con concentrazioni diverse.
  6. Misurare gli spettri di emissione di tessuti diluiti di C. longa tinti con estratto di chitosano 1:50 utilizzando una lunghezza d'onda di eccitazione di 365 nm.
    NOTA: I tessuti tinti con diluizione 1:50 sono utilizzati per l'analisi degli effetti del finissaggio Chitosano in quanto presenta la più alta fotoluminescenza. Analogamente al punto 4.4, impostare l'intervallo di emissione da 380 a 625 nm.
  7. Raccogliere i dati spettrochimici per l'interpretazione.

8. Analisi morfologica dei tessuti

NOTA: L'analisi morfologica dei tessuti prevede due tipi di illuminazione: luce bianca e luce UV a 365 nm. La scelta della fonte di luce può rivelare come la tintura e il finissaggio aderiscono al tessuto.

  1. Poiché il microscopio non dispone di una sorgente di luce UV, utilizzare una sorgente di luce UV portatile da 365 nm. Fissare saldamente la sorgente luminosa per mantenere una posizione coerente senza influire sul processo di imaging. Utilizzare un morsetto fissato a un supporto di ferro per montare la luce UV a 365 nm, puntandola verso il tavolino del microscopio stereo zoom.
  2. Posiziona il tessuto sul palco e apri la fonte di luce bianca. Utilizzare la manopola di regolazione grossolana per impostare lo zoom al minimo ingrandimento e individuare l'area di imaging target. Aumentare gradualmente l'ingrandimento fino a 4x e perfezionarlo utilizzando la manopola di regolazione fine.
  3. Utilizza il software di imaging integrato per inserire una barra di scala e acquisire l'immagine.
  4. Per garantire immagini coerenti, configurare i parametri di esposizione con i seguenti valori: impostare la compensazione dell'esposizione su 100, il tempo di esposizione su 100 ms e il guadagno su 20. Inoltre, regola i valori di tonalità su rosso: 27, verde: 32 e blu: 23. Altri parametri specificati che richiedono la regolazione includono nitidezza: 75, riduzione del rumore: 35, saturazione: 50, gamma: 6 e contrasto: 50.
  5. Spegnere la sorgente di luce bianca e accendere la sorgente luminosa a 365 nm. Acquisire un'immagine utilizzando gli stessi parametri di imaging.
  6. Ripetere i passaggi da 8.3 a 8.6 per tutti i tipi di tessuti e le condizioni (blank, tinti, solo finitura, tinti e finiti) fino a quando non vengono acquisite le immagini di tutti i tessuti. In totale, dovrebbero esserci 48 immagini di tessuti.

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Risultati

Le analisi FTIR delle fibre determinano la struttura chimica di ciascuna fibra rappresentata nei tessuti multi-tester #1. La spettroscopia FTIR è stata utilizzata per caratterizzare i gruppi funzionali presenti in ciascun componente dei tessuti multi-test. Come mostrato nella Figura 1 supplementare, la distinzione si verifica a causa della presenza di gruppi funzionali N-H, che porta a suddividere il tessuto in azotato (Figura 1A supplementare

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Discussione

Il finissaggio tessile è una pratica comune all'interno del settore al fine di incorporare ulteriori proprietà funzionali sui tessuti, rendendoli più adatti per applicazioni specifiche 45,47,48. In questo studio, la curcumina estratta è stata utilizzata come colorante naturale per fungere da meccanismo di autenticazione per applicazioni tessili. I protocolli pongono l'accento non solo sull'estrazione della curcumina dalla curcum...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è supportato dal Dipartimento di Scienza e Tecnologia - Istituto di Ricerca Tessile delle Filippine nell'ambito del progetto DOST Grants-in-Aid (DOST-GIA) intitolato Tecnologia Segreta Verso la Sostenibilità e la Protezione dei Settori Tessili delle Filippine nell'ambito della Digitalizzazione del Programma dell'Industria Tessitura a Telaio a Mano delle Filippine.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
(Curcumina) C. longa, essiccato a spruzzo N/AN/ACilindro
graduato da 100 mLn/a
Pipetta sierologica da 10 mLn/a
Bicchiere da 200 mLn/a
365 nm LuceUV da solaFireSV004 LG
50 mL Tubo Centeifugen/a
AATCC Multitester FabricTestfabrics, Inc. 401002Tessuto di prova multifibra AATCC # 1 pezzi pretagliati da 2 X 2 pollici,
bilancia analiticaAspiratore SatoriusBSA 224S-CW
n/a
ATR- FTIRBrukerBruker Tensor II
CentrifugaHermle Labortechnik GmbHZ 206 A
ChitosanTokyo Chemical Industries9012-76-4
Digitale  CameraToupTekXCAM1080PHB
Stendibiancherian/a
EtanoloChem-Supply64-17-5Non denaturato, purezza 99,9%
Acido acetico glacialeRCI-Labscan64-19-7Grado AR, purezza 99,8%
Vetrino Scorrevolen/a
Morsetto in ferron/a
Supporto in ferron/a
Agitatore magneticoCorningPC-620D
Pasteur Pipettan/a
Propan-2-olRCI-Labscan67-63-0Grado AR, purezza 99,8%
SonicatoreJeio Tech Inc.Spettrofluorimetro UCS-20
 Horiba (Jovin Yvon)Horiba Fluoromax Plus
Agitatoren/a
Spettrofotometro UV-VisAgilentCary UV 100
Flacone di lavaggion/a
Zoom StereomicroscopioOlympusSZ61
di origine naturale termosaldata

Riferimenti

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