光谱应用 |测定防晒霜的防晒系数SPF

2023-12-19 12:44:28 北京爱蛙科技有限公司

虽然你可能觉得在阳光下，躺在沙滩毛巾上非常惬意，但这对你的皮肤来说可能意味着一场灾难——晒伤，这不仅令人烦恼，而且具有潜在的危险性，如加速皮肤衰老甚至引发皮肤癌。

为了保护你和你的皮肤免受太阳紫外线辐射的伤害，我们需要了解防晒指数（SPF）的真正含义以及如何测量，以及防晒霜是否真的能达到其宣传的效果。在本应用笔记中，我们将运用光谱学知识来解答这些问题。

一、紫外线辐射

人眼对从约380nm处的紫色光到约780nm处的红色光之间的彩虹色带的光敏感。因此，具有较短波长的太阳光被认为超过紫色，并被称为“紫外线”（UV）。紫外光被分成低至约320nm的UVA带、更有能量和危险的UVB光（在320nm和280nm之间）和更短波长的高能UVC带。UVC被臭氧层完全吸收，但仍有大量UVB光达到地球表面，如图1所示。

图1.地球表面的太阳光谱，皮肤对晒伤的敏感性，以及两者的乘积，相对晒伤危险，作为波长的函数（来源：维基百科）

二、防晒系数（SPF）

一个人对阳光照射的耐受性差异很大，这取决于皮肤类型。对于皮肤白皙、红头发和蓝眼睛的人来说，阳光下的暴露时间可能只有五分钟，而对于皮肤和头发较黑的人来说，暴露时间可能会更长。涂抹防晒霜可以延长这个最大暴露时间，具体时间取决于防晒系数。例如，防晒系数为20的防晒霜可以使皮肤白皙的人在海滩上多待20分钟到100分钟左右。无论你的皮肤类型和使用的防晒系数如何，皮肤科医生建议每两个小时重新涂抹防晒霜。

过去，防晒系数的测量方法是将志愿者背部的部分皮肤暴露在逐渐增加的紫外线下，其中一些区域使用待测防晒霜进行保护，而另一些区域则不进行保护，作为对照。使用防晒霜和不使用防晒霜时，导致皮肤首次出现发红迹象的暴露时间之比，就是防晒霜的防晒系数。

这种方法不仅听起来很痛苦，而且并不特别准确，而且由于紫外线辐射的危害已成为常识，因此也更难找到志愿者。

三、SPF的仪器测定

光谱法再次为这一问题提供了更好的解决方案。防晒霜的作用是在紫外线到达皮肤之前将其吸收或反射。白色颜料（如高 SPF 防晒霜中使用的二氧化钛）以反射模式起作用。大多数其他成分，如二苯甲酮类，则会吸收部分紫外线辐射。对于防晒系数的测量来说，最重要的是紫外线被透过并到达皮肤的百分比。

光谱测量 SPF 时，有三种不同的样品制备方法。在溶液法中，将防晒霜的活性成分溶解在适当的溶剂中，从固体中倾析出溶液，然后用标准吸光度装置中的比色皿测量透射率。不过，这种方法往往会忽略所用的固体颜料。另一种方法是将防晒霜薄膜均匀地涂在有浅凹陷的透明支架上，这样就可以在所有成分都存在的情况下测量薄膜的透射率。但在实际操作中，我们发现这种方法很难确保薄膜的一致性。

第三种可行的方法是将防晒霜涂在粘贴在显微镜载玻片上的手术胶带（如 3M Transpore）上。这种方法乍听起来可能不太寻常，但由于手术胶带上有规律分布的孔隙，可以非常均匀、可重复地将防晒霜涂抹到样品架上。另外，在这种手术胶带上涂抹防晒霜的典型覆盖率约为每平方厘米 1-2 毫克，与皮肤科医生建议的保护皮肤的覆盖率相似。

四、实验设置与程序

手术胶带上涂抹的一层薄薄的防晒霜会散射射入的紫外线，因此简单的透镜到光纤收集器无法充分收集所有的透射光。一个更好的解决方案是使用积分球，将其放置在样品后面，以收集所有透射和散射的光，如图2所示。

图2：用于测量紫外线透过防晒霜的装置，防晒霜涂抹在显微镜载玻片上的手术胶带上。来自氘光源（DH-2000 BAL）的紫外光通过左侧的光纤进入装置，积分球捕获透射光（左侧）。使用ACH-CUV-VAR透镜支架安装输入透镜、样品架和积分球。背景显示了样品、手术胶带和测量中使用的Flame光谱仪。

首先，准备好样品架，编号并称重（以便日后确定防晒霜的用量）。使用单独的、有标记的显微镜载玻片，用手术胶带（但不使用防晒霜）测定空白样品架的透射率，如图 3 所示。胶带（但没有防晒霜）作为参照物，测定空白样品架的透射率。使用干净的显微镜载玻片刮出一层薄薄的、均匀的防晒霜，然后再次称重样品载玻片，并让其干燥60分钟。在干燥期结束后，将通过散射参考载玻片的透射率设定为100%参考，以说明灯输出随时间的任何变化。最后，测量了实际样品在涂抹防晒霜后的透射率。包括暗测量在内，单个样品总共记录了8个光谱，以解释光谱仪、样品支架和紫外线源输出的变化和差异。图3显示了在感兴趣的紫外区域得到的平均透射光谱。

五、SPF的计算

透射光谱（图3）显示了入射皮肤的紫外线辐射百分比。然而，并非所有紫外线波长都具有相同的危险性，有些波长比其他波长更具危险性，这取决于入射阳光的量和皮肤对晒伤的敏感性。作为波长的函数，危险程度如图1中的红色曲线所示。例如，在300 nm和320 nm之间的辐射是最危险的，这就解释了为什么防晒霜通常主要吸收该区域的紫外线。