防晒美白化妆品中TiO2纳米颗粒的定性定量分析

王素娟， 韦晓群， 相大鹏， 栾天罡， 龚 力*， 刘洪涛， 赖志辉

(1.中山大学测试中心，广东广州 510275；2.广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心，广东广州 510623)

世界范围内防晒化妆品中TiO2纳米材料的使用一直保持强劲增长的势头[1]。然而，纳米材料特殊的理化性质可能对人类健康构成严重危害。Zhu等[2]发现纳米TiO2会破坏酶的保护机制，显著降低酶活性。但是目前尚未规范纳米技术在化妆品中的应用，市场上滥用纳米概念成风[3,4]。因而，开发化妆品中纳米成分检测技术具有一定的现实意义。

传统显微技术在纳米颗粒的表征中充当着重要角色，利用它们可以得到颗粒形貌、粒径、晶型粒度分布等重要参数[5,6]。结合光电子能谱、X射线粉末衍射[7]、光散射技术以及谱学分析技术还可以对纳米颗粒进行定性、半定量分析[8,9]。联用技术如凝胶电泳[10]、液相色谱[11]、水动力色谱法[12,13]及场流分离[14,15]与电感耦合等离子体质谱等联用可实现对不同粒径纳米颗粒的分离及定性、定量分析。但是，目前大多数仪器要求进样基质简单，因此对样品前处理要求高。化妆品中硅油、酯类等有机物含量种类繁多[16]，不能直接用于仪器分析。Majedi等[17]采用螯合后溶剂微萃取水中纳米TiO2；Samontha等[18]使用正己烷浸提的方法对少量防晒霜脱脂处理；Contado等[19]使用水/甲醇/正己烷萃取分离防晒霜中纳米TiO2。本实验通过合适的方法制备样品，再对其进行透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线粉末衍射(XRD)及电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)分析，从而获得纳米TiO2粒径分布、晶型结构及化学元素组成和含量等全面的信息。所建立的方法简单快捷，可用于一般化妆品中纳米TiO2的检测。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

JEM-2010HR透射电子显微镜(日本，电子株式会社)；ESCALAB 250 X-射线光电子能谱仪(美国，赛默飞世尔)；锐影X射线衍射仪(荷兰，Panalytical公司)；iCAP 6500电感耦合等离子体发射光谱仪(美国，Thermo Scientific公司)。

多元素混合标准溶液(1 000 mg/L，SPEX)；乙酸乙酯、无水乙醇、HNO3、HF、H2O2(优级纯，广州化学试剂厂)。实验用水为超纯水(电阻率≥18.2 MΩ·cm)。

1.2 定性与半定量分析

1.2.1样品制备样品为市售8种不同品牌的防晒美白产品，编号为：防晒霜1～5号、防晒乳6号、粉底液7号、粉饼8号。分别称取一定量的试样于10 mL离心管中，加入9 mL乙醇静置2 h，破乳化，超声5 min，10 000 r/min离心5 min，再加入9 mL乙酸乙酯两遍，超声、离心处理。去除大部分有机成分，最后将沉淀干燥，粉碎均匀后，待测。

1.2.2TEM、XRD及XPS分析将制得的粉末样品经无水乙醇超声分散后，进行高分辨TEM分析(加速电压200 kV)，以确定样品的颗粒大小及形貌；XRD采用CuKα(λ=0.154 nm，工作电压45 kV，工作电流25 mA，扫描角度5°～80°)，以分析样品的成分及晶体结构；XPS分析(X射线源为单色化的Al 靶，能量为1 486.6 eV，X射线束斑大小为500 μm，分析室真空度稳定在2×10-7Pa)，以表征样品中的化学元素成分、含量及元素化学状态。

1.3 ICP-OES定量分析

1.3.1样品处理准确称取约0.4 g试样(精确至0.0001 g)三份于聚四氟乙烯消解罐中，加入 8 mL HNO3和1 mL HF，静置8 h，消解前再加入 1 mL 30%的H2O2，装罐后进行微波消解。消解完成将溶液冷却至室温后开罐，130 ℃赶酸至1～2 mL溶液，超纯水定容至25 mL，浓度超过线性范围的样品进行适当倍数的稀释，同时做试剂空白试验。

1.3.2定量测定取混合标准储备液(1 000 mg/L，SPEX)，用 5%HNO3逐级稀释，配制成各元素的0.00 、1.00 、2.00 、5.00 、10.00 mg/L 系列标准溶液，测定并绘制标准曲线。外标法测定上述所制得的溶液样品Ti总量。使用耐HF进样系统，选择灵敏度较高、其它元素干扰最小的谱线Ti 336.1 nm作为分析线。

2 结果与讨论

2.1 化妆品中TiO2纳米颗粒的提取

本实验针对防晒霜1号和粉底液7号，分别在6 000 r/min和10 000 r/min条件下使用石油醚、正己烷、氯仿、乙酸乙酯四种不同极性的溶剂去除有机物，将每一种溶剂所获得的上清液收集，经与1.3.1项微波消解后测定Ti元素含量，依下式计算Ti总量的百分比：

(1)

式中，W%为上清液Ti占总量的百分比；c1为上清液消解后测定浓度；V1为上清液消解后定容体积；m1为有机溶剂处理称样量；c0为原样消解后测定浓度；V0为原样消解后定容体积；m0为原样消解称样量。

实验结果如表1。数据表明，在两种转速下，使用乙酸乙酯、乙醇依次提取两遍后，Ti的损失量小于总量的2%，且底部沉淀干燥后适于压片制样，进行表面分析。由于10 000 r/min的转速下Ti的损失量较低，因此选取了10 000 r/min作为离心速率。其它六个样品经乙醇和乙酸乙酯处理后移出的上清液，消解后测定Ti含量均低于总量的3%，说明该方法适于一般化妆品的前处理。

表1 不同溶剂溶解样品后Ti的损失百分比(%,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号样品在TEM下没有观察到相关的纳米颗粒；其他几个样品的TEM低分辨图见图1。从TEM的结果可以看出，利用2.1节中的方法可以有效地将防晒霜中的纳米粒子进行分离提取。防晒霜1号和2号中纳米粒子呈梭状，短轴的尺寸8 nm左右，长轴尺寸超过50 nm；防晒霜4号由于Ti含量相对较低，观察到纳米颗粒较少，颗粒呈不规则状，尺寸约为100 nm；粉底液7号中纳米颗粒的形状不均匀，包括方形、圆状、多边形，但尺寸较为均匀，粒径约为25 nm；粉饼8号中观察到的颗粒尺寸在100 nm以上，形状不规则。

图1 不同化妆品样品的透射电镜(TEM)图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物相鉴定

图2 不同化妆品样品的XRD图谱Fig.2 XRD spactra of different cosmetic samples a.sunscreen 1#;b:sunscreen 2#;c:sunscreen 4#;d:foundation 7#;e:compact 8#.

图2为各个样品的XRD图谱，可观察到5个样品在2θ=27.3°、36.1°、41.2°、54.2°的位置上均出现明显的衍射峰，对应晶格常数分别为(110)、(101)、(111)、(211)，呈现与PDF卡中的89-0555高度吻合的金红石型结构。可见化妆品中添加的纳米TiO2大多数为金红石型，它在光照条件下化学状态稳定，防晒效果更持久[1]。粉底液7号和粉饼8号还有较强的滑石粉(Mg3Si4O10(OH)2)和多硅锂云母(K(AlFeLi)(Si3Al)O10(OH)F)衍射峰，是化妆品中常用的添加物，起光滑亮肤作用。

2.4 XPS定性与半定量分析

图3为防晒霜1号、粉底液7号、粉饼8号经有机溶剂处理后XPS分析所获得的谱图，通过数据分析可知Ti2p3/2的峰位在458.5±0.3 eV，该峰归属于Ti4+，可知化妆品中Ti的化学形态为正四价。其中8号样XPS半定量数据表明，含有较多的Mg和Si元素，与XRD分析得到的滑石粉元素组成符合。防晒霜1和粉底液7化妆品原样在一定温度下干燥后，可以获得适于直接制样的固态样品，将其与有机溶剂处理后测定的结果对比，见表2。可以发现，经有机溶剂处理后粉末中Ti/C的原子数比显著升高，有利于进行其他的纳米结构分析。

图3 3个化妆品样品的XPS图谱Fig.3 XPS spectra of three cosmetics a.sunscreen 1#;b.foundation 7#;c.compat 8#.

表2 原样分析和处理后样品XPS分析结果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酸消解体系的选择TiO2微溶于碱和热HNO3，长时间煮沸的条件下能与H2SO4、HF反应。参考刘志远等[20,21]的研究，结合TiO2和化妆品的性质，使用了不同配比的HNO3+HF+H2O2(比例分别为8∶2∶1,8∶1∶1,8∶0.5∶1)消解防晒霜4号。加标回收率实验表明(表3)，使用8∶0.5∶1的配比测得背景值偏低，消解不完全；8∶2∶1和8∶1∶1配比消解所得背景值相当，RSD<5%，回收率均在允许范围内，但由于HF对进样系统有损害作用，使用量不宜过多，因此确定了HNO3+HF+H2O2的体积比为8∶1∶1的混酸消解体系为最佳酸配比条件。

表3 不同酸消解体系加标回收率比较Table 3 Recoveries of different digestion methods

2.5.2样品测定ICP-OES对所得消解液进行Ti总量的测定，结果如表4。由表可知，Ti的添加量所占质量分数约为0.3%～5%，大致与配方[16]中添加量符合。同时，以空白溶液重复测定11次后，以3倍标准偏差作为仪器检出限，结果为0.01 mg·L-1，换算为方法检出限为0.625 μg·g-1。

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

3 结论

经乙酸乙酯、乙醇溶解离心处理化妆品,可以去除大部分有机成分,干燥后可用于TEM、XRD、XPS制样分析。通过TEM观察形貌,得到粒径分布,可以确证是否添加了纳米材料；XRD分析得到添加物的物相成分及结构；XPS能获得元素的化学形态；经TEM确定所含无机成分为纳米颗粒后,再结合ICP-OES定量测定元素含量。通过上述一系列的表征分析,可以得到样品中纳米成分的形貌、结构化学形态及含量的信息。该方法可用于化妆品中纳米颗粒的检测。