防曬霜的紫外光譜分析及防護(hù)持久性評(píng)估

楊漫君，陳維捷，李佼洋，蔡志崗

(中山大學(xué) a.物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院; b.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，廣東 廣州 510275)

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防曬霜的紫外光譜分析及防護(hù)持久性評(píng)估

楊漫君a，陳維捷a，李佼洋b，蔡志崗b

(中山大學(xué) a.物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院; b.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，廣東 廣州 510275)

摘要：采用光譜分析法，定量研究了各類防曬霜的防曬性能，覆蓋UVA和UVB 2個(gè)波段，從物理防曬和化學(xué)防曬兩方面研究其相關(guān)機(jī)制及防曬效果，并對(duì)防曬霜進(jìn)行紫外照射，通過(guò)測(cè)量樣品反射率及透射率研究其防曬效果隨時(shí)間的變化. 實(shí)驗(yàn)表明：所測(cè)樣品的防曬機(jī)制均以物理防曬為主、化學(xué)防曬為輔，且不同防曬霜樣品防護(hù)能力變化率均存在突變點(diǎn)，大多對(duì)UVB具有較強(qiáng)的防護(hù)作用. 實(shí)驗(yàn)也表明光譜分析是判斷防曬的防曬效果的有效方法.

關(guān)鍵詞：防曬霜；物理防曬；化學(xué)防曬；光譜分析；持久性

過(guò)量的太陽(yáng)輻射為人體健康帶來(lái)一定的危害，長(zhǎng)時(shí)間接受陽(yáng)光的暴曬可能會(huì)導(dǎo)致皮膚燒傷、致癌等健康問(wèn)題，防曬霜在一定程度上可以防止太陽(yáng)輻射對(duì)皮膚的影響[1]. 市面上存在種類繁多的防曬霜，品質(zhì)參差不齊. 為更好對(duì)防曬霜的防曬性能進(jìn)行評(píng)估，有必要對(duì)防曬霜的光譜特性進(jìn)行探究[2].

本文采用光譜分析技術(shù)對(duì)防曬霜進(jìn)行防曬效果評(píng)估，該方法具有速度快、效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3-5]. 本文采用光譜儀對(duì)各類防曬霜涂片進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定其反射率、透射率等相關(guān)曲線，以對(duì)比分析不同種類防曬霜的特性.

1實(shí)驗(yàn)原理

防曬霜防曬機(jī)制分為物理防曬(隔離)及化學(xué)防曬(吸收)[6]. 反射率變化實(shí)際體現(xiàn)的是物理防曬(隔離部分)的防曬能力. 樣品的透過(guò)率變化實(shí)際表現(xiàn)的是樣品的綜合防曬能力. 在防曬霜持久性評(píng)估中，使用紫外光源照射防曬霜，加速防曬霜的化學(xué)作用，樣品的透過(guò)率變化實(shí)際體現(xiàn)的是其化學(xué)防曬體系隨紫外線燈照射時(shí)間的變化. 物理防曬，相當(dāng)于在皮膚上涂上1層隔離分子，紫外線照射到皮膚上，會(huì)被這層分子反射. 化學(xué)防曬，也是利用1層分子覆蓋在皮膚上，只不過(guò)這層分子會(huì)吸收紫外線，發(fā)生光降解，進(jìn)而阻止紫外傷害皮膚[3-4].

根據(jù)防曬霜的防曬特性，對(duì)防曬霜的防曬性能定量分析，其具體內(nèi)容如下：利用光譜連續(xù)的汞燈作為紫外光源對(duì)樣品持續(xù)照射，在開(kāi)始時(shí)刻的透射率為T(mén)begin，假設(shè)在結(jié)束時(shí)，防曬霜的化學(xué)防曬能力已完全消耗，測(cè)得此時(shí)其透射率為T(mén)end. 對(duì)此，定義2個(gè)指數(shù)Ac和Ap，分別代表化學(xué)防曬能力和物理防曬能力，則

Ac=ΔT=Tend-Tbegin

Ap=1-Tend

實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)海洋光學(xué)的光纖光譜儀進(jìn)行測(cè)試. 類反射實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定白板和在白板上涂覆防曬霜的光強(qiáng)，得到反射曲線，反射率越高防曬霜的物理防曬效果越好. 透射實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定透過(guò)防曬霜前后的光強(qiáng)，確定防曬霜的透過(guò)率，透過(guò)率越低防曬霜的整體防曬效果越好.

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)條件

采用汞燈、海洋光學(xué)光纖光譜儀、計(jì)算機(jī)等設(shè)備對(duì)防曬霜涂片(大寶、lchear、露得清、媚點(diǎn)、蜜妮、水密碼、sofina、新碧、正合堂及植物之鄉(xiāng)等11款)進(jìn)行探究.

2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將不同防曬霜涂覆在基片上，使其呈半透明狀，利用光纖光譜儀測(cè)得反射曲線和透射曲線，獲得不同防曬霜的光譜圖，采用光譜分析法，研究不同防曬霜防曬性能，并且以涂抹防曬霜后的時(shí)間為變量，探索防曬霜使用時(shí)間對(duì)其防曬效果影響. (UVB：290～320 nm；UVA：320～400 nm)

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1反射光譜分析

測(cè)量不同樣品加白板在不同波長(zhǎng)下的相對(duì)光強(qiáng)及反射率(與參考值對(duì)比)，結(jié)果如圖1所示.

圖1　樣品在紫外波段內(nèi)的反射光譜

由圖1可見(jiàn)：所有樣品在紫外波段的反射率均在88%以上，說(shuō)明物理防曬機(jī)制在防曬霜的防曬機(jī)制中普遍占據(jù)較大部分；除lchear(bb霜)外，其他樣品的反射率曲線區(qū)別不顯著；在380～400 nm(UVA與可見(jiàn)光交界)波段所有樣品的反射率均變化明顯，說(shuō)明防曬霜的物理防曬機(jī)制對(duì)紫外波長(zhǎng)針對(duì)性顯著.

為排除樣品在某一波段的實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)結(jié)果造成影響，選擇樣品在UVA/UVB波段的平均反射率進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如圖2所示，圖中樣品1～11分別代表大寶010、大寶190、lchear、露得清、媚點(diǎn)、蜜妮、水密碼、sofina、新碧、正合堂、植物之鄉(xiāng).

從圖2可以看出，在反射光譜部分，樣品在UVA/UVB波段反射均值差異不明顯，且無(wú)明顯的規(guī)律性；從數(shù)量上進(jìn)行考慮，UVA/UVB波段反射均值基本一致，而多數(shù)樣品對(duì)UVA的化學(xué)防護(hù)效果略好于UVB.

將紫外波段劃分為6個(gè)范圍，分別為波段1(290～305 nm)，波段2(305～320 nm)，波段3(320～340 nm)，波段4(340～360 nm),波段5(360～380 nm)及波段6(380～400 nm)，測(cè)量不同樣品分波段平均反射率，如圖3所示.

在第2～5波段，即光譜范圍為305～380 nm區(qū)間內(nèi)大多數(shù)樣品的反射率處于較小值；在第6波段(380～400 nm)所有樣品的反射率均明顯提高；也再次說(shuō)明多數(shù)樣品對(duì)UVA的化學(xué)防護(hù)效果略好于UVB.

圖2　樣品在UVA/UVB波段平均反射率比較

圖3　不同樣品分波段平均反射率比較

2.3.2透射光譜分析

對(duì)不同樣品在不同波長(zhǎng)下的相對(duì)光強(qiáng)及透射率(與參考值對(duì)比)進(jìn)行測(cè)量，照射時(shí)間為10 min，結(jié)果如圖4所示.

不同樣品的透過(guò)率曲線差異性顯著，且在不同波段的變化趨勢(shì)差異性顯著，說(shuō)明不同樣品的防曬能力差別較大；露得清、水密碼的綜合防曬能力表現(xiàn)突出，在整個(gè)紫外波段都保持在10%以內(nèi)的透過(guò)率，其防曬能力最強(qiáng)；lchear、正合堂及大寶(010)的綜合防曬能力表現(xiàn)較差，在整個(gè)紫外波段的透過(guò)率都在60%或以上，其防曬能力一般.

對(duì)同樣品在UVA/UVB波段的平均透射率進(jìn)行比較，如圖5所示，圖中樣品1～10分別代表lchear、大寶190、大寶010、媚點(diǎn)、水密碼、正合堂、植物之鄉(xiāng)、sofina、花王、露得清.

圖4　樣品在紫外波段內(nèi)的透射光譜

圖5　樣品在UVA/UVB波段平均透射率比較

分別在UVA和UVB波段讀取最小透過(guò)率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，其結(jié)果如圖6～7所示，圖中樣品編號(hào)同于圖5.

圖6　樣品在UVA波段最小透過(guò)率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)

對(duì)于所有樣品，UVB波段下的透過(guò)率均明顯小于UVA波段；多數(shù)樣品在UVA/UVB波段下最小透過(guò)率的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)較為統(tǒng)一，UVB波段集中在305 nm左右(中心部分)，UVA波段集中在320 nm左右(UVA/UVB的交界處). 以上數(shù)據(jù)均說(shuō)明樣品對(duì)于UVB波段下的綜合防護(hù)能力明顯高于UVA波段. 而化學(xué)防曬又是針對(duì)UVA部分，說(shuō)明物理防曬占主導(dǎo)，且主要針對(duì)UVB部分.

圖7　樣品在UVB波段最小透過(guò)率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)

依照上述的6個(gè)光譜波段的劃分，計(jì)算樣品的平均透射率，結(jié)果如圖8所示.

圖8　樣品分波段平均透射率比較

對(duì)于表現(xiàn)較好的樣品(露得清、水密碼)，在所有紫外波段透過(guò)率均小于10%；部分樣品(媚點(diǎn)、sofina、植物之鄉(xiāng)、花王)在UVB/UVA交界處透過(guò)率提升明顯，但在UVB部分綜合防護(hù)效果可接受，說(shuō)明其防曬效果主要針對(duì)UVB部分；而化學(xué)防曬中主要針對(duì)UVA部分，而綜合考慮又是主要針對(duì)UVB，說(shuō)明物理防曬占較大比例，且主要針對(duì)UVB部分；部分樣品(lchear、正合堂)在整個(gè)紫外波段的防曬效果較差.

2.3.2防曬霜持久性評(píng)估

定期測(cè)量樣品的光譜特性，建立光譜特性與時(shí)間的關(guān)系，以判斷防曬霜的持久性. 每隔15 min做1次記錄，結(jié)果如圖9～10所示.

圖9　樣品最小透過(guò)率Tmin與組次(時(shí)間t)變化關(guān)系

圖10　樣品平均透過(guò)率與組次(時(shí)間t)變化關(guān)系

所有樣品的透過(guò)率曲線隨時(shí)間變化變化率逐漸變小直至趨于恒定；不同樣品的透過(guò)率差異顯著，露得清防曬效果較好；不同樣品透過(guò)率受照射時(shí)間的影響差異明顯，透射率的變化為5%至20%不等，其中水密碼及大寶受到變化相對(duì)較大，而露得清沒(méi)有太大改變，sofina則趨于三者之間.

隨著紫外照射時(shí)間的增加，化學(xué)成分消耗，曲線體現(xiàn)的更多是防曬霜化學(xué)防曬效果的變化，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度，其化學(xué)防曬失效.

露得清防曬效果好，且較穩(wěn)定，可說(shuō)明其防曬機(jī)制是物理防曬為主，化學(xué)防曬為輔.

2.3.3防曬性能比較

對(duì)樣品利用紫外燈持續(xù)照射，在開(kāi)始時(shí)刻的透射率為T(mén)begin，假設(shè)在結(jié)束時(shí)，防曬霜的化學(xué)防曬能力已完全消耗，測(cè)得此時(shí)其透射率為T(mén)end.

計(jì)算樣品的防曬指數(shù)，對(duì)其性能進(jìn)行分析比較(以sofina、大寶、露得清以及水密碼為例)，見(jiàn)表1,表中ΔTc為透射率變化量(化學(xué))，Tend-p為變化后的透射率(物理)，Tp/Tc為防曬能力比值(物理/化學(xué)).

表1　防曬性能比較

根據(jù)表1，可以得出以下結(jié)論：

有別于反射率(反射譜)，本文研究的透過(guò)率(透射譜)引入的2個(gè)防曬能力指數(shù)已可以定量說(shuō)明物理防曬與化學(xué)防曬這2種防曬能力是哪種起主要作用。

1)所有樣品的防曬機(jī)制均以物理防曬為主，化學(xué)防曬為輔根據(jù)樣品的反射光譜也能得出相同的結(jié)論；露得清樣品的物理/化學(xué)防曬能力比值明顯高于其他三者，即露得清的防曬機(jī)制幾乎完全由物理防曬組成.

2)水密碼及大寶樣品的物理/化學(xué)防曬能力較低，均值都在3左右，說(shuō)明兩者的化學(xué)防曬在防曬機(jī)制中所占比重較大，屬于化學(xué)防曬類的防曬霜； sofina的防曬機(jī)制較為平衡.

3)從綜合防曬能力比較，露得清和水密碼的防曬能力較強(qiáng)，sofina一般，而大寶樣品的防曬能力相對(duì)較差.

3討論

1)從綜合防護(hù)性能上進(jìn)行選擇，水密碼及露得清樣品的防曬能力較為突出，正合堂及l(fā)chear的防曬能力較差(bb霜)，其余樣品防曬能力彼此有所區(qū)別但均介于兩者之間；

2)從UVA/UVB防護(hù)能力上進(jìn)行選擇，水密碼及露得清在UVA波段的防曬能力變化不明顯，而其他樣品(除bb霜)防曬效果更針對(duì)UVB，由此可見(jiàn)前兩者仍為首選；

3)水密碼及大寶的防曬體系中化學(xué)防曬能力所占比重較大，而露得清幾乎僅為物理防曬；

4)防曬霜在受紫外線持續(xù)照射時(shí)，隨著時(shí)間變化，其防曬能力會(huì)先較快下降，經(jīng)過(guò)一折點(diǎn)后下降放緩并逐漸趨于穩(wěn)定. 僅考慮紫外線照射這一因素，防曬霜的化學(xué)防曬能力會(huì)因吸收紫外線被不斷進(jìn)行光化學(xué)變化直至消耗殆盡.

4結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中，所有實(shí)驗(yàn)樣品的防曬機(jī)制均以物理防曬為主，而具體的物理/化學(xué)防曬比例有所差別，符合現(xiàn)在防曬霜的發(fā)展觀念及趨勢(shì)；不同防曬霜樣品防護(hù)能力變化率均存在突變點(diǎn)，突變點(diǎn)多數(shù)出現(xiàn)在320 nm及380 nm附近，代表了不同防曬霜所針對(duì)的不同防護(hù)目標(biāo)并具有很強(qiáng)的針對(duì)性；單單考慮紫外照射這一因素，涂覆防曬霜后可以保持較長(zhǎng)時(shí)間的防曬效果，但不同防曬霜性質(zhì)有所差異，防護(hù)效果也不盡相同，在選擇防曬霜時(shí)要慎重. 通過(guò)利用防曬霜的反射特性和透射特性對(duì)其本體在UVA和UVB波段進(jìn)行光譜分析，能夠判斷防曬霜的防曬效果；利用防曬霜透射率和時(shí)間的關(guān)系可以對(duì)其持久性進(jìn)行評(píng)估. 光譜分析是判斷防曬的防曬效果的有效方法.

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[責(zé)任編輯：郭偉]

Spectral analysis and durability evaluation of sunscreen cosmetics

YANG Man-juna, CHEN Wei-jiea, LI Jiao-yangb, CAI Zhi-gangb

(a. School of Physics and Engineering; b. Experiment Teaching Center for Physics,Sun Yat-sen Universtiy, Guangzhou 510275, China)

Abstract:For quantitative and qualitative analysis of all kinds of sunscreen cosmetics' performance, based on the spectral analysis method, cover UVA and UVB band, from physical and chemical aspects, the mechanism and effect of sunscreen cosmetics were discussed. By irradiating the sunscreen cosmetics with UV irradiation, the durability of the sunscreen cosmetics was also evaluated. Experimental results showed that chemical mechanism was subordinate to physical mechanism, and the decay rate of the performance of all the different sunscreen cosmetics had point of abrupt change. Most samples had strong protective effect in the UVB band. The experimental results also showed that spectral analysis was an effective method to access the performance of sunscreen cosmetics

Key words:sunscreen cosmetics; effect of sunscreen; spectrum analysis, durability

中圖分類號(hào)：O433.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)04-0037-05

通信作者：蔡志崗(1962-)，福建廈門(mén)人，中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院教授，博士，從事實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)及激光與光譜學(xué)研究.

作者簡(jiǎn)介：楊漫君(1994-)，廣東揭陽(yáng)人，中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院2012級(jí)本科生.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.J1210034)

收稿日期：2015-12-25；修改日期：2016-01-12