防曬美白化妝品中TiO2納米顆粒的定性定量分析

王素娟， 韋曉群， 相大鵬， 欒天罡， 龔 力*， 劉洪濤， 賴志輝

(1.中山大學(xué)測試中心，廣東廣州 510275；2.廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術(shù)中心，廣東廣州 510623)

世界范圍內(nèi)防曬化妝品中TiO2納米材料的使用一直保持強(qiáng)勁增長的勢頭[1]。然而，納米材料特殊的理化性質(zhì)可能對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重危害。Zhu等[2]發(fā)現(xiàn)納米TiO2會破壞酶的保護(hù)機(jī)制，顯著降低酶活性。但是目前尚未規(guī)范納米技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用，市場上濫用納米概念成風(fēng)[3,4]。因而，開發(fā)化妝品中納米成分檢測技術(shù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)顯微技術(shù)在納米顆粒的表征中充當(dāng)著重要角色，利用它們可以得到顆粒形貌、粒徑、晶型粒度分布等重要參數(shù)[5,6]。結(jié)合光電子能譜、X射線粉末衍射[7]、光散射技術(shù)以及譜學(xué)分析技術(shù)還可以對納米顆粒進(jìn)行定性、半定量分析[8,9]。聯(lián)用技術(shù)如凝膠電泳[10]、液相色譜[11]、水動力色譜法[12,13]及場流分離[14,15]與電感耦合等離子體質(zhì)譜等聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)對不同粒徑納米顆粒的分離及定性、定量分析。但是，目前大多數(shù)儀器要求進(jìn)樣基質(zhì)簡單，因此對樣品前處理要求高?；瘖y品中硅油、酯類等有機(jī)物含量種類繁多[16]，不能直接用于儀器分析。Majedi等[17]采用螯合后溶劑微萃取水中納米TiO2；Samontha等[18]使用正己烷浸提的方法對少量防曬霜脫脂處理；Contado等[19]使用水/甲醇/正己烷萃取分離防曬霜中納米TiO2。本實(shí)驗通過合適的方法制備樣品，再對其進(jìn)行透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線粉末衍射(XRD)及電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)分析，從而獲得納米TiO2粒徑分布、晶型結(jié)構(gòu)及化學(xué)元素組成和含量等全面的信息。所建立的方法簡單快捷，可用于一般化妝品中納米TiO2的檢測。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要儀器與試劑

JEM-2010HR透射電子顯微鏡(日本，電子株式會社)；ESCALAB 250 X-射線光電子能譜儀(美國，賽默飛世爾)；銳影X射線衍射儀(荷蘭，Panalytical公司)；iCAP 6500電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國，Thermo Scientific公司)。

多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 mg/L，SPEX)；乙酸乙酯、無水乙醇、HNO3、HF、H2O2(優(yōu)級純，廣州化學(xué)試劑廠)。實(shí)驗用水為超純水(電阻率≥18.2 MΩ·cm)。

1.2 定性與半定量分析

1.2.1樣品制備樣品為市售8種不同品牌的防曬美白產(chǎn)品，編號為：防曬霜1～5號、防曬乳6號、粉底液7號、粉餅8號。分別稱取一定量的試樣于10 mL離心管中，加入9 mL乙醇靜置2 h，破乳化，超聲5 min，10 000 r/min離心5 min，再加入9 mL乙酸乙酯兩遍，超聲、離心處理。去除大部分有機(jī)成分，最后將沉淀干燥，粉碎均勻后，待測。

1.2.2TEM、XRD及XPS分析將制得的粉末樣品經(jīng)無水乙醇超聲分散后，進(jìn)行高分辨TEM分析(加速電壓200 kV)，以確定樣品的顆粒大小及形貌；XRD采用CuKα(λ=0.154 nm，工作電壓45 kV，工作電流25 mA，掃描角度5°～80°)，以分析樣品的成分及晶體結(jié)構(gòu)；XPS分析(X射線源為單色化的Al 靶，能量為1 486.6 eV，X射線束斑大小為500 μm，分析室真空度穩(wěn)定在2×10-7Pa)，以表征樣品中的化學(xué)元素成分、含量及元素化學(xué)狀態(tài)。

1.3 ICP-OES定量分析

1.3.1樣品處理準(zhǔn)確稱取約0.4 g試樣(精確至0.0001 g)三份于聚四氟乙烯消解罐中，加入 8 mL HNO3和1 mL HF，靜置8 h，消解前再加入 1 mL 30%的H2O2，裝罐后進(jìn)行微波消解。消解完成將溶液冷卻至室溫后開罐，130 ℃趕酸至1～2 mL溶液，超純水定容至25 mL，濃度超過線性范圍的樣品進(jìn)行適當(dāng)倍數(shù)的稀釋，同時做試劑空白試驗。

1.3.2定量測定取混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液(1 000 mg/L，SPEX)，用 5%HNO3逐級稀釋，配制成各元素的0.00 、1.00 、2.00 、5.00 、10.00 mg/L 系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，測定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。外標(biāo)法測定上述所制得的溶液樣品Ti總量。使用耐HF進(jìn)樣系統(tǒng)，選擇靈敏度較高、其它元素干擾最小的譜線Ti 336.1 nm作為分析線。

2 結(jié)果與討論

2.1 化妝品中TiO2納米顆粒的提取

本實(shí)驗針對防曬霜1號和粉底液7號，分別在6 000 r/min和10 000 r/min條件下使用石油醚、正己烷、氯仿、乙酸乙酯四種不同極性的溶劑去除有機(jī)物，將每一種溶劑所獲得的上清液收集，經(jīng)與1.3.1項微波消解后測定Ti元素含量，依下式計算Ti總量的百分比：

(1)

式中，W%為上清液Ti占總量的百分比；c1為上清液消解后測定濃度；V1為上清液消解后定容體積；m1為有機(jī)溶劑處理稱樣量；c0為原樣消解后測定濃度；V0為原樣消解后定容體積；m0為原樣消解稱樣量。

實(shí)驗結(jié)果如表1。數(shù)據(jù)表明，在兩種轉(zhuǎn)速下，使用乙酸乙酯、乙醇依次提取兩遍后，Ti的損失量小于總量的2%，且底部沉淀干燥后適于壓片制樣，進(jìn)行表面分析。由于10 000 r/min的轉(zhuǎn)速下Ti的損失量較低，因此選取了10 000 r/min作為離心速率。其它六個樣品經(jīng)乙醇和乙酸乙酯處理后移出的上清液，消解后測定Ti含量均低于總量的3%，說明該方法適于一般化妝品的前處理。

表1 不同溶劑溶解樣品后Ti的損失百分比(%,n=3)Table 1 Ratio of Ti loss of sunscreen 1 and foundation 7 treated with different solvents(%,n=3)

2.2 TEM形貌表征

3、5、6號樣品在TEM下沒有觀察到相關(guān)的納米顆粒；其他幾個樣品的TEM低分辨圖見圖1。從TEM的結(jié)果可以看出，利用2.1節(jié)中的方法可以有效地將防曬霜中的納米粒子進(jìn)行分離提取。防曬霜1號和2號中納米粒子呈梭狀，短軸的尺寸8 nm左右，長軸尺寸超過50 nm；防曬霜4號由于Ti含量相對較低，觀察到納米顆粒較少，顆粒呈不規(guī)則狀，尺寸約為100 nm；粉底液7號中納米顆粒的形狀不均勻，包括方形、圓狀、多邊形，但尺寸較為均勻，粒徑約為25 nm；粉餅8號中觀察到的顆粒尺寸在100 nm以上，形狀不規(guī)則。

圖1 不同化妝品樣品的透射電鏡(TEM)圖Fig.1 TEM images of different cosmetic samples a.sunscreen 1#;b.sunscreen 2#;c.sunscreen 4#;d.foundation 7#e.compact 8#.

2.3 XRD物相鑒定

圖2 不同化妝品樣品的XRD圖譜Fig.2 XRD spactra of different cosmetic samples a.sunscreen 1#;b:sunscreen 2#;c:sunscreen 4#;d:foundation 7#;e:compact 8#.

圖2為各個樣品的XRD圖譜，可觀察到5個樣品在2θ=27.3°、36.1°、41.2°、54.2°的位置上均出現(xiàn)明顯的衍射峰，對應(yīng)晶格常數(shù)分別為(110)、(101)、(111)、(211)，呈現(xiàn)與PDF卡中的89-0555高度吻合的金紅石型結(jié)構(gòu)。可見化妝品中添加的納米TiO2大多數(shù)為金紅石型，它在光照條件下化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，防曬效果更持久[1]。粉底液7號和粉餅8號還有較強(qiáng)的滑石粉(Mg3Si4O10(OH)2)和多硅鋰云母(K(AlFeLi)(Si3Al)O10(OH)F)衍射峰，是化妝品中常用的添加物，起光滑亮膚作用。

2.4 XPS定性與半定量分析

圖3為防曬霜1號、粉底液7號、粉餅8號經(jīng)有機(jī)溶劑處理后XPS分析所獲得的譜圖，通過數(shù)據(jù)分析可知Ti2p3/2的峰位在458.5±0.3 eV，該峰歸屬于Ti4+，可知化妝品中Ti的化學(xué)形態(tài)為正四價。其中8號樣XPS半定量數(shù)據(jù)表明，含有較多的Mg和Si元素，與XRD分析得到的滑石粉元素組成符合。防曬霜1和粉底液7化妝品原樣在一定溫度下干燥后，可以獲得適于直接制樣的固態(tài)樣品，將其與有機(jī)溶劑處理后測定的結(jié)果對比，見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)有機(jī)溶劑處理后粉末中Ti/C的原子數(shù)比顯著升高，有利于進(jìn)行其他的納米結(jié)構(gòu)分析。

圖3 3個化妝品樣品的XPS圖譜Fig.3 XPS spectra of three cosmetics a.sunscreen 1#;b.foundation 7#;c.compat 8#.

表2 原樣分析和處理后樣品XPS分析結(jié)果Table 2 Comparisons of atomic ratio in sample before and after solvent treatment by XPS analysis

2.5 ICP-OES定量分析

2.5.1酸消解體系的選擇TiO2微溶于堿和熱HNO3，長時間煮沸的條件下能與H2SO4、HF反應(yīng)。參考劉志遠(yuǎn)等[20,21]的研究，結(jié)合TiO2和化妝品的性質(zhì)，使用了不同配比的HNO3+HF+H2O2(比例分別為8∶2∶1,8∶1∶1,8∶0.5∶1)消解防曬霜4號。加標(biāo)回收率實(shí)驗表明(表3)，使用8∶0.5∶1的配比測得背景值偏低，消解不完全；8∶2∶1和8∶1∶1配比消解所得背景值相當(dāng)，RSD<5%，回收率均在允許范圍內(nèi)，但由于HF對進(jìn)樣系統(tǒng)有損害作用，使用量不宜過多，因此確定了HNO3+HF+H2O2的體積比為8∶1∶1的混酸消解體系為最佳酸配比條件。

表3 不同酸消解體系加標(biāo)回收率比較Table 3 Recoveries of different digestion methods

2.5.2樣品測定ICP-OES對所得消解液進(jìn)行Ti總量的測定，結(jié)果如表4。由表可知，Ti的添加量所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.3%～5%，大致與配方[16]中添加量符合。同時，以空白溶液重復(fù)測定11次后，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為儀器檢出限，結(jié)果為0.01 mg·L-1，換算為方法檢出限為0.625 μg·g-1。

表4 化妝品中Ti含量(μg·g-1，n=3)Table 4 Contents of Ti in cosmetics(μg·g-1，n=3)

3 結(jié)論

經(jīng)乙酸乙酯、乙醇溶解離心處理化妝品,可以去除大部分有機(jī)成分,干燥后可用于TEM、XRD、XPS制樣分析。通過TEM觀察形貌,得到粒徑分布,可以確證是否添加了納米材料；XRD分析得到添加物的物相成分及結(jié)構(gòu)；XPS能獲得元素的化學(xué)形態(tài)；經(jīng)TEM確定所含無機(jī)成分為納米顆粒后,再結(jié)合ICP-OES定量測定元素含量。通過上述一系列的表征分析,可以得到樣品中納米成分的形貌、結(jié)構(gòu)化學(xué)形態(tài)及含量的信息。該方法可用于化妝品中納米顆粒的檢測。