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

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, è^{stato 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'onda^13,14. Tuttavia, alcuni coloranti fotoluminescenti disponibili sul mercato possono imporre tossicità ad alte concentrazioni, rappresentando così una minaccia per la salute umana e l'ambiente^15,16.

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-dione^19,20 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 curcuma^34,35. 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.

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.

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) e cellulosico (Figura 1B supplementare). Le fibre a base proteica (come lana pettinata e seta) e le poliammidi sintetiche rientrano nei tessuti azotati in corrispondenza della presenza di gruppi funzionali ammidici (-CONH-) nella loro struttura chimica. Allo stesso modo, la viscosa filata, il cotone sbiancato e l'acetato di filamenti seguono una struttura a catena cellulosica. Come mostrato nella Tabella supplementare 1, i tessuti realizzati con lana pettinata, seta filata e poliammide filata contengono picchi caratteristici simili che indicano la presenza di ammidi. D'altra parte, i tessuti realizzati con viscosa filata, cotone sbiancato e acetato di filamenti mostrano picchi caratteristici di fibre di cellulosa. Il picco a 1732 ^cm-1 di acetato filamentoso corrisponde alla presenza di un gruppo estere nel tessuto, che il cotone sbiancato e la viscosa filata non hanno⁴³.

La verifica dell'estratto è stata valutata utilizzando la spettroscopia FTIR (Figura 2) e UV-visibile (Figura 3) per confermare la presenza di curcumina. Picchi significativi a 3352 ^cm-1, 3015 ^cm-1, 2922 ^cm-1, 1705 ^cm-1, 1624 ^cm-1 e 1512 ^cm-1 e 1271 ^cm-1 riflettono la presenza di gruppi funzionali caratteristici della molecola bersaglio. Questi risultati corrispondono bene a uno spettro FTIR riportato in precedenza della curcumina⁴⁴ pura, che suggerisce che l'estratto raccolto contiene curcuminoidi (Tabella supplementare 2). La natura altamente coniugata della curcumina (Figura 2B,C) emette un ampio spettro di assorbimento che va da 350 a 500 nm, come presentato nella Figura 3A. Tutte le diluizioni seguono il profilo a banda larga con un picco caratteristico a 424 nm che può essere attribuito all'eccitazione elettronica π a π* della curcumina⁴⁵. La correlazione positiva tra l'assorbanza e la concentrazione (Figura 3B) ha mostrato una buona linearità (R² = 0,99376) che è un risultato tipico corrispondente all'aumento della presenza di centri di assorbimento rispetto all'aumento delle concentrazioni di soluzione di curcuminoidi^19,46. Tuttavia, i limiti dello spettrometro sono stati osservati oltre il rapporto di diluizione 1:300 quando l'assorbimento inizia a saturarsi.

A seguito della verifica della soluzione curcuminoide estratta, è stata valutata la sua vitalità come colorante di autenticazione attraverso la sua deposizione in substrati tessili. Le soluzioni curcuminoidi estratte sono state depositate sui tessuti multi-test #1 composti da lana pettinata, seta filata, poliammide filata (nylon 6,6), viscosa filata, cotone sbiancato e acetato di filamenti per valutare la compatibilità dei coloranti con tessuti naturali e sintetici. Come mostrato nella Figura 4, il successo della deposizione della soluzione di curcuminoidi è stato osservato a diverse concentrazioni, come evidenziato dalle emissioni fotoluminescenti prodotte quando illuminate con eccitazione della luce ultravioletta (UV) anche dopo diversi lavaggi dei tessuti tinti.

Le misurazioni della fotoluminescenza (PL) sono state eseguite per valutare le proprietà ottiche dei tessuti tinti e caratterizzare le interazioni della soluzione curcuminoide con i substrati tessili. Nella Figura 2 supplementare sono mostrate le misurazioni PL di tessuti cellulosici tinti con curcuminoidi composti da cotone sbiancato (Figura supplementare 2 A-C), viscosa filata (Figura supplementare 2 D-F) e acetato di filamenti (Figura supplementare 2 G-I). In alternativa, le misurazioni PL di tessuti azotati tinti con curcuminoidi composti da lana pettinata (Figura supplementare 3 A-C), seta filata (Figura supplementare 3 D-F) e poliammide filata (Figura supplementare 3 G-I) possono essere trovate nella Figura supplementare 3. Il pannello di sinistra corrisponde all'eccitazione PL mentre il pannello centrale e quello di destra corrispondono rispettivamente all'emissione PL normalizzata e relativa. Gli spettri di eccitazione PL dei tessuti cellulosici seguono un'eccitazione a banda larga che copre 350 - 500 nm. Le eccitazioni dipendenti dalla concentrazione della soluzione di curcuminoidi diventano visibili, come evidenziato dal caratteristico spostamento verso il rosso sugli spettri PL normalizzati a concentrazioni crescenti, a significare la sintonizzabilità del colore dei coloranti curcuminoidi. Le prestazioni delle diverse concentrazioni di curcuminoidi su ciascun substrato sono state valutate anche in termini di intensità relativa di PL. La curcumina PL copre un'ampia emissione che va da 450 a 600 nm. Con l'aumentare delle concentrazioni delle soluzioni curcuminoidi, tutti i campioni di tessuto tinto (Figura supplementare 2 e Figura supplementare 3, pannello di destra) hanno mostrato una tendenza all'aumento prevista fino alle concentrazioni ottimali, seguita da una tendenza decrescente attribuita alla tempra dipendente dalla concentrazione. È stato riscontrato che la concentrazione ottimizzata varia tra i diversi substrati, con 1:100 e 1:50 che danno i risultati più favorevoli. Questa variazione suggerisce l'interazione unica della soluzione curcuminoide all'interno di diversi substrati.

È importante notare che gli spettri di emissione ed eccitazione dell'estratto diluito sono stati misurati con una larghezza della fenditura di 1 nm e un tempo di integrazione di 0,1 s. I dati raccolti sono stati inizialmente elaborati attraverso un parametro di correzione all'interno dello strumento per trascurare il rumore di fondo delle letture. L'intervallo di emissione e di eccitazione è impostato considerando la sorgente di eccitazione e la lunghezza d'onda di emissione monitorata per evitare il rilevamento dello scattering di Rayleigh del primo e del secondo ordine. Il rilevamento dello scattering non solo influisce sulla qualità dello spettro, ma riduce potenzialmente anche la durata del rivelatore.

Analoghe procedure standard sono state implementate con le misure degli spettri di emissione ed eccitazione dei tessuti. In alternativa, è stata utilizzata una larghezza della fenditura di 0,6 nm e un tempo di integrazione di 0,1 s poiché l'intensità della fluorescenza ha superato i limiti dello strumento quando gli estratti sono stati depositati sul substrato. L'intervallo di emissione e di eccitazione è stato ancora una volta impostato considerando la sorgente di eccitazione e la lunghezza d'onda di emissione monitorata per evitare il rilevamento dello scattering di Rayleigh del primo e del secondo ordine.

Figura 1: Procedura di montaggio dei tessuti nel portacampioni. (A) La composizione del tessuto, (B) l'allineamento del tessuto alla finestra, (C) l'applicazione di vetrini come supporto e (D) il montaggio del supporto nello spettrofluorimetro. La procedura di montaggio utilizza il supporto del campione solido dello spettrometro e ne dimostra il corretto allineamento con lo spettrometro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Immagini di tessuti multi-tester tinti e finiti #1 sotto luce bianca e 365 nm. Le immagini mostrano l'effetto delle concentrazioni di colorante rispetto a ciascuna partizione del tessuto multi-tester. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Caratterizzazione strutturale della curcumina estratta. (A) Spettri FTIR della curcumina. Struttura chimica delle variazioni tautometriche della forma dicheto della curcumina (B) e della forma cheto-enolica (C). I gruppi funzionali della curcumina sono evidenziati con diversi colori che possono essere visualizzati e attribuiti alle variazioni tautometriche. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Spettri UV-visibili delle soluzioni di curcumina. (A) Spettri di assorbanza delle soluzioni di curcuminoidi con concentrazioni variabili. (B) Correlazione lineare dell'assorbanza rispetto alla concentrazione. Gli spettri UV-Vis mostrano il caratteristico picco di assorbimento della curcumina anche a basse concentrazioni. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Matrice di eccitazione-emissione di (A) soluzioni di curcuminoide e (B) chitosano. La matrice di eccitazione-emissione mostra una prospettiva tridimensionale delle proprietà fotoluminescenti esibite dal campione. La lunghezza d'onda EM sull'asse X rappresenta la lunghezza d'onda di emissione, mentre la lunghezza d'onda EX sull'asse Y rappresenta la lunghezza d'onda di eccitazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Emissione fotoluminescente di tessuti azotati tinti con curcuminoide-chitosano (pannello superiore) composti da (A) lana pettinata, (B) seta filata, (C) poliammide filata e tessuti cellulosici (pannello inferiore) composti da (D) cotone sbiancato, (E) acetato di filamenti e (F) viscosa filata sotto eccitazione di 365 nm. Gli spettri mostrano le proprietà ottiche migliorate dei tessuti azotati con l'incorporazione di chitosano nel sistema. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 1 supplementare: Spettri FTIR e struttura chimica di tessuti multi-test. (A) Tessuti azotati. (B) Tessuti cellulosici. I tessuti sono suddivisi in azotati e cellulosici in base alla presenza di gruppi funzionali N-H su metà dei tipi di tessuto. Fare clic qui per scaricare il file.

Figura 2 supplementare: Eccitazione fotoluminescente (a sinistra) ed emissione (intensità media-normalizzata ; a destra - intensità relativa) di tessuti cellulosici tinti con curcuminoidi composti da cotone sbiancato (A-C), viscosa filata (D-F) e acetato filamentoso (G-I). Gli spettri mostrano la dipendenza dalla concentrazione della curcumina rispetto alle proprietà ottiche dei tessuti cellulosici. Fare clic qui per scaricare il file.

Figura supplementare 3: Eccitazione fotoluminescente (a sinistra) ed emissione (media - intensità normalizzata; destra - intensità relativa) di tessuti azotati tinti con curcuminoidi composti da lana pettinata (A-C), seta filata (D-F) e poliammide filata (G-I). Gli spettri mostrano la dipendenza dalla concentrazione della curcumina rispetto alle proprietà ottiche dei tessuti azotati. Fare clic qui per scaricare il file.

Figura supplementare 4: Morfologia superficiale del tessuto multi-tester in bianco sotto 365 nm e luce bianca. Questo tessuto multi-tester funge da riferimento senza trattamento di tintura. Fare clic qui per scaricare il file.

Figura supplementare 5: Morfologia superficiale del tessuto multi-tester trattato con chitosano a 365 nm e luce bianca. L'aggiunta di chitosano sui tessuti mostra un cambiamento minimo o nullo all'ispezione visiva della superficie dei campioni. Fare clic qui per scaricare il file.

Figura supplementare 6: Morfologia superficiale del tessuto multi-tester tinto con curcuminoidi a 365 nm e luce bianca. L'incorporazione di coloranti curcuminoidi mostra cambiamenti immediati nella colorazione e una buona distribuzione sulla superficie del campione quando viene visualizzato sotto luce bianca e 365 nm. Fare clic qui per scaricare il file.

Figura 7 supplementare: Morfologia superficiale del tessuto multi-tester tinto con curcuminoide-chitosano a 365 nm e luce bianca. L'aggiunta di chitosano ai coloranti curcuminoidi mostra una colorazione e una distribuzione simili rispetto al tessuto tinto con curcuminoidi sotto luce bianca e 365 nm. Fare clic qui per scaricare il file.

Tabella 1: Analisi comparativa di diversi metodi di estrazione per separare la curcumina dalla curcuma. La tabella mostra le diverse metodologie di estrazione della curcumina come riportato nella letteratura precedente. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella supplementare 1: Frequenze FTIR osservate dei tessuti multi-test. Le unità all'interno della tabella corrispondono al profilo dei picchi (w = debole; m = medio; s = picco acuto). I dati sono stati verificati con i valori ottenuti da Vahur et ^al.43. Risultati simili sono stati ottenuti nei due studi. Fare clic qui per scaricare il file.

Tabella supplementare 2: Frequenze FTIR osservate della curcumina estratta. Le unità all'interno della tabella corrispondono al profilo dei picchi (w = debole; m = medio; s = picco acuto). Fare clic qui per scaricare il file.

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 curcuma, ma anche sui diversi vantaggi dell'utilizzo di questi metodi per applicazioni tessili.

Dato che l'industria tessile è considerata uno dei settori più inquinanti, è diventato fondamentale per l'industria adottare pratiche più sostenibili⁴⁹. La Tabella 1 mostra il confronto tra i diversi metodi di estrazione negli ultimi due decenni. Come si è visto, il metodo di estrazione con solvente assistito dalla sonicazione offre un approccio semplice ma efficace per l'estrazione della curcumina. È ecologico e sostenibile in quanto offre diversi vantaggi come tempi di estrazione più brevi, ridotto consumo di solvente e maggiore efficienza di estrazione. Sebbene la purezza dell'estratto possa essere importante per altri studi, come l'isolamento di curcuminoidi specifici per applicazioni biologiche²⁸, l'applicazione di coloranti naturali non richiede una purezza così elevata, purché il colore o l'emissione in uscita siano conformi alle esigenze del consumatore. Dopo la procedura di estrazione, il surnatante è stato utilizzato come colorante e applicato sulle fibre per fungere da segni di autenticazione. Le proprietà fotoluminescenti intrinseche della curcumina mostrano un'emissione da verde brillante ad arancione che mostra il suo potenziale nella sicurezza nascosta. Tuttavia, la scarsa affinità dei coloranti naturali con le fibre tessili è diventata una sfida in termini di mantenimento delle proprietà ottiche della curcumina dopo la deposizione su substrati tessili⁴¹. Considerando che i trattamenti supplementari possono alterare le proprietà fotoluminescenti determinate dalla curcumina depositata, è essenziale testare le prestazioni ottiche delle marcature di sicurezza dopo il processo di finissaggio tessile. Tra le varie procedure di finissaggio implementate nell'industria, il finissaggio antimicrobico riveste un'importanza notevole in quanto conferisce la capacità di inibire la crescita microbica all'interno dei tessuti⁴². Tenendo conto di ciò, il chitosano (Chi) è stato utilizzato per il processo di finitura per le sue proprietà biocompatibili e antimicrobiche⁵⁰. Vale anche la pena notare che il chitosano presenta anche proprietà luminescenti intrinseche. La Figura 5 presenta la matrice di eccitazione-emissione delle soluzioni di curcumina (Figura 5A) e chitosano (Figura 5B). È stato osservato che lo spettro di emissione caratteristico del chitosano si sovrappone all'eccitazione della curcumina. Questa sovrapposizione spettrale dà luogo a consentire percorsi di trasferimento di energia potenziale dal chitosano alle molecole di curcumina nelle immediate vicinanze⁵¹. Rapporti precedenti hanno già stabilito il miglioramento fotoluminescente attraverso l'interazione polisaccaridica dei complessi curcumina-proteina^52,53. Wang et ^al.51 hanno sottolineato che il complesso ternario albumina-chitosano sierico curcumina-bovino (C-BSA) mostra intensità di emissione PL più elevate rispetto a un sistema binario C-BSA. L'aumento dell'emissione di PL può essere associato a una distanza ridotta tra la curcumina e l'albumina sierica bovina dopo l'aggiunta di chitosano, portando a un efficiente trasferimento di energia all'interno del complesso ternario. Un fenomeno simile è stato osservato in questo lavoro. La Figura 6A-C mostra gli spettri PL potenziati dei tessuti azotati tinti con curcumina con chitosano. Nonostante ciò, è stato notato che non sono stati osservati miglioramenti significativi per i tessuti cellulosici (Figura 5D-F), suggerendo un'interazione preferenziale con i tessuti azotati. Ciò significa che è possibile ottenere interazioni PL migliorate anche all'interno di sistemi a stato solido come substrati tessili a base di proteine e poliammidi. Tuttavia, questo sottolinea ulteriormente il regno inesplorato in termini di ricerca sulla curcumina, consentendo strade per future indagini su questo composto versatile.

Congruente con altri studi, questo lavoro possiede anche alcune limitazioni che possono essere utilizzate come base per future ricerche e sviluppi. Il colorante utilizzato nel tessuto proviene da una fonte naturale e viene estratto utilizzando la tecnica proposta, che prevede l'utilizzo di etanolo sia per i processi di estrazione che per quelli di tintura. L'etanolo è un solvente efficace per l'estrazione della curcumina; Tuttavia, vale la pena considerare che anche altri solventi possono essere vitali, influenzando potenzialmente la quantità di composti coloranti estratti, le impurità e le loro interazioni con il tessuto. Studi futuri potrebbero esplorare l'uso di diversi solventi nelle fasi di estrazione e tintura. Dati i vincoli di tempo e la limitata disponibilità di strutture di prova, non abbiamo incluso alcun risultato di microscopia elettronica. Tuttavia, abbiamo incluso immagini al microscopio stereo zoom (Figura supplementare 4, Figura supplementare 5, Figura supplementare 6, Figura supplementare 7) dei tessuti testati con e senza coloranti come alternativa. Anche se la microscopia elettronica sarebbe raccomandata se i coloranti implementati hanno finiture a nanoparticelle.

Inoltre, i metodi di estrazione e tintura sono stati semplificati ai fini pratici. La soluzione estratta non è stata purificata, in quanto il processo di tintura può comunque procedere anche se la soluzione contiene impurità. È importante notare che l'impatto di queste impurità sul tessuto e sulle interazioni con il mordente non è stato studiato in questo studio.

Infine, questa ricerca si concentra principalmente sull'analisi del miglioramento della fotoluminescenza di vari tessuti tinti con curcumina e mordenzati con chitosano. Mentre le proprietà ottiche hanno ricevuto un'attenzione significativa, non sono stati condotti test fisici come la durata e la solidità del colore. Ciò rappresenta un'opportunità per i futuri ricercatori di esplorare ulteriormente il potenziale del materiale per scopi di autenticazione nel settore tessile.

Per altri ricercatori che sono interessati a replicare questo lavoro, va notato che alcuni parametri riportati potrebbero non corrispondere al risultato desiderato. Ciò può essere dovuto alla presenza di errore umano, errore casuale e alle condizioni ambientali intorno alla configurazione sperimentale. Pertanto, seguire le linee guida per la risoluzione dei problemi dovrebbe risolvere il problema.

In sintesi, questo studio getta le basi di un approccio completo per la curcumina come piattaforma di autenticazione alternativa e robusta, fornendo metodi di estrazione e analisi che potrebbero trovare applicazioni in diversi campi, tra cui il tessile, l'autenticazione e i nanomateriali funzionali. Le intuizioni di questo studio forniscono un solido quadro per le indagini future e l'innovazione nelle applicazioni relative alla curcumina. Il processo di verifica, che combina la spettroscopia FTIR e UV-Vis, stabilisce un mezzo affidabile per confermare la presenza di curcumina. Il successo della deposizione di curcumina su vari substrati di tessuto, evidenziato dalle loro emissioni fotoluminescenti sostenute, ha implicazioni significative per lo sviluppo di soluzioni di autenticazione efficaci e affidabili, consentendo così interessanti possibilità di anticontraffazione e marcatura di sicurezza. Le misurazioni PL complete eseguite su tessuti tinti con curcumina forniscono una comprensione completa di come la curcumina interagisce con diversi substrati tessili. Questo approccio analitico non solo fa luce sulle proprietà ottiche della curcumina, ma svela anche i comportamenti specifici del substrato unici che guidano le applicazioni su misura e le strategie di distribuzione ottimali. Inoltre, lo studio del chitosano non solo per la finitura antimicrobica, ma anche come agente mediatore per una maggiore luminescenza, svela enormi possibilità per nuove applicazioni nei campi della fotonica e della biomedicina. Con questi approcci poliedrici, questo studio riaccende l'interesse verso la ricerca sui pigmenti naturali, spingendo ulteriori indagini verso applicazioni tecniche e funzionali.