防晒霜的紫外光谱分析及防护持久性评估

杨漫君，陈维捷，李佼洋，蔡志岗

(中山大学 a.物理科学与工程技术学院; b.物理实验教学中心，广东 广州 510275)



防晒霜的紫外光谱分析及防护持久性评估

杨漫君a，陈维捷a，李佼洋b，蔡志岗b

(中山大学 a.物理科学与工程技术学院; b.物理实验教学中心，广东 广州 510275)

摘要：采用光谱分析法，定量研究了各类防晒霜的防晒性能，覆盖UVA和UVB 2个波段，从物理防晒和化学防晒两方面研究其相关机制及防晒效果，并对防晒霜进行紫外照射，通过测量样品反射率及透射率研究其防晒效果随时间的变化. 实验表明：所测样品的防晒机制均以物理防晒为主、化学防晒为辅，且不同防晒霜样品防护能力变化率均存在突变点，大多对UVB具有较强的防护作用. 实验也表明光谱分析是判断防晒的防晒效果的有效方法.

关键词：防晒霜；物理防晒；化学防晒；光谱分析；持久性

过量的太阳辐射为人体健康带来一定的危害，长时间接受阳光的暴晒可能会导致皮肤烧伤、致癌等健康问题，防晒霜在一定程度上可以防止太阳辐射对皮肤的影响[1]. 市面上存在种类繁多的防晒霜，品质参差不齐. 为更好对防晒霜的防晒性能进行评估，有必要对防晒霜的光谱特性进行探究[2].

本文采用光谱分析技术对防晒霜进行防晒效果评估，该方法具有速度快、效果好、成本低等优点[3-5]. 本文采用光谱仪对各类防晒霜涂片进行试验，测定其反射率、透射率等相关曲线，以对比分析不同种类防晒霜的特性.

1实验原理

防晒霜防晒机制分为物理防晒(隔离)及化学防晒(吸收)[6]. 反射率变化实际体现的是物理防晒(隔离部分)的防晒能力. 样品的透过率变化实际表现的是样品的综合防晒能力. 在防晒霜持久性评估中，使用紫外光源照射防晒霜，加速防晒霜的化学作用，样品的透过率变化实际体现的是其化学防晒体系随紫外线灯照射时间的变化. 物理防晒，相当于在皮肤上涂上1层隔离分子，紫外线照射到皮肤上，会被这层分子反射. 化学防晒，也是利用1层分子覆盖在皮肤上，只不过这层分子会吸收紫外线，发生光降解，进而阻止紫外伤害皮肤[3-4].

根据防晒霜的防晒特性，对防晒霜的防晒性能定量分析，其具体内容如下：利用光谱连续的汞灯作为紫外光源对样品持续照射，在开始时刻的透射率为Tbegin，假设在结束时，防晒霜的化学防晒能力已完全消耗，测得此时其透射率为Tend. 对此，定义2个指数Ac和Ap，分别代表化学防晒能力和物理防晒能力，则

Ac=ΔT=Tend-Tbegin

Ap=1-Tend

实验采用美国海洋光学的光纤光谱仪进行测试. 类反射实验通过测定白板和在白板上涂覆防晒霜的光强，得到反射曲线，反射率越高防晒霜的物理防晒效果越好. 透射实验通过测定透过防晒霜前后的光强，确定防晒霜的透过率，透过率越低防晒霜的整体防晒效果越好.

2实验

2.1实验条件

采用汞灯、海洋光学光纤光谱仪、计算机等设备对防晒霜涂片(大宝、lchear、露得清、媚点、蜜妮、水密码、sofina、新碧、正合堂及植物之乡等11款)进行探究.

2.2实验内容

将不同防晒霜涂覆在基片上，使其呈半透明状，利用光纤光谱仪测得反射曲线和透射曲线，获得不同防晒霜的光谱图，采用光谱分析法，研究不同防晒霜防晒性能，并且以涂抹防晒霜后的时间为变量，探索防晒霜使用时间对其防晒效果影响. (UVB：290～320 nm；UVA：320～400 nm)

2.3实验结果

2.3.1反射光谱分析

测量不同样品加白板在不同波长下的相对光强及反射率(与参考值对比)，结果如图1所示.

图1　样品在紫外波段内的反射光谱

由图1可见：所有样品在紫外波段的反射率均在88%以上，说明物理防晒机制在防晒霜的防晒机制中普遍占据较大部分；除lchear(bb霜)外，其他样品的反射率曲线区别不显著；在380～400 nm(UVA与可见光交界)波段所有样品的反射率均变化明显，说明防晒霜的物理防晒机制对紫外波长针对性显著.

为排除样品在某一波段的实验误差对结果造成影响，选择样品在UVA/UVB波段的平均反射率进行计算，其结果如图2所示，图中样品1～11分别代表大宝010、大宝190、lchear、露得清、媚点、蜜妮、水密码、sofina、新碧、正合堂、植物之乡.

从图2可以看出，在反射光谱部分，样品在UVA/UVB波段反射均值差异不明显，且无明显的规律性；从数量上进行考虑，UVA/UVB波段反射均值基本一致，而多数样品对UVA的化学防护效果略好于UVB.

将紫外波段划分为6个范围，分别为波段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)，测量不同样品分波段平均反射率，如图3所示.

在第2～5波段，即光谱范围为305～380 nm区间内大多数样品的反射率处于较小值；在第6波段(380～400 nm)所有样品的反射率均明显提高；也再次说明多数样品对UVA的化学防护效果略好于UVB.

图2　样品在UVA/UVB波段平均反射率比较

图3　不同样品分波段平均反射率比较

2.3.2透射光谱分析

对不同样品在不同波长下的相对光强及透射率(与参考值对比)进行测量，照射时间为10 min，结果如图4所示.

不同样品的透过率曲线差异性显著，且在不同波段的变化趋势差异性显著，说明不同样品的防晒能力差别较大；露得清、水密码的综合防晒能力表现突出，在整个紫外波段都保持在10%以内的透过率，其防晒能力最强；lchear、正合堂及大宝(010)的综合防晒能力表现较差，在整个紫外波段的透过率都在60%或以上，其防晒能力一般.

对同样品在UVA/UVB波段的平均透射率进行比较，如图5所示，图中样品1～10分别代表lchear、大宝190、大宝010、媚点、水密码、正合堂、植物之乡、sofina、花王、露得清.

图4　样品在紫外波段内的透射光谱

图5　样品在UVA/UVB波段平均透射率比较

分别在UVA和UVB波段读取最小透过率所对应的波长，其结果如图6～7所示，图中样品编号同于图5.

图6　样品在UVA波段最小透过率对应波长

对于所有样品，UVB波段下的透过率均明显小于UVA波段；多数样品在UVA/UVB波段下最小透过率的对应波长较为统一，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的交界处). 以上数据均说明样品对于UVB波段下的综合防护能力明显高于UVA波段. 而化学防晒又是针对UVA部分，说明物理防晒占主导，且主要针对UVB部分.

图7　样品在UVB波段最小透过率对应波长

依照上述的6个光谱波段的划分，计算样品的平均透射率，结果如图8所示.

图8　样品分波段平均透射率比较

对于表现较好的样品(露得清、水密码)，在所有紫外波段透过率均小于10%；部分样品(媚点、sofina、植物之乡、花王)在UVB/UVA交界处透过率提升明显，但在UVB部分综合防护效果可接受，说明其防晒效果主要针对UVB部分；而化学防晒中主要针对UVA部分，而综合考虑又是主要针对UVB，说明物理防晒占较大比例，且主要针对UVB部分；部分样品(lchear、正合堂)在整个紫外波段的防晒效果较差.

2.3.2防晒霜持久性评估

定期测量样品的光谱特性，建立光谱特性与时间的关系，以判断防晒霜的持久性. 每隔15 min做1次记录，结果如图9～10所示.

图9　样品最小透过率Tmin与组次(时间t)变化关系

图10　样品平均透过率与组次(时间t)变化关系

所有样品的透过率曲线随时间变化变化率逐渐变小直至趋于恒定；不同样品的透过率差异显著，露得清防晒效果较好；不同样品透过率受照射时间的影响差异明显，透射率的变化为5%至20%不等，其中水密码及大宝受到变化相对较大，而露得清没有太大改变，sofina则趋于三者之间.

随着紫外照射时间的增加，化学成分消耗，曲线体现的更多是防晒霜化学防晒效果的变化，当化学反应进行到一定程度，其化学防晒失效.

露得清防晒效果好，且较稳定，可说明其防晒机制是物理防晒为主，化学防晒为辅.

2.3.3防晒性能比较

对样品利用紫外灯持续照射，在开始时刻的透射率为Tbegin，假设在结束时，防晒霜的化学防晒能力已完全消耗，测得此时其透射率为Tend.

计算样品的防晒指数，对其性能进行分析比较(以sofina、大宝、露得清以及水密码为例)，见表1,表中ΔTc为透射率变化量(化学)，Tend-p为变化后的透射率(物理)，Tp/Tc为防晒能力比值(物理/化学).

表1　防晒性能比较

根据表1，可以得出以下结论：

有别于反射率(反射谱)，本文研究的透过率(透射谱)引入的2个防晒能力指数已可以定量说明物理防晒与化学防晒这2种防晒能力是哪种起主要作用。

1)所有样品的防晒机制均以物理防晒为主，化学防晒为辅根据样品的反射光谱也能得出相同的结论；露得清样品的物理/化学防晒能力比值明显高于其他三者，即露得清的防晒机制几乎完全由物理防晒组成.

2)水密码及大宝样品的物理/化学防晒能力较低，均值都在3左右，说明两者的化学防晒在防晒机制中所占比重较大，属于化学防晒类的防晒霜； sofina的防晒机制较为平衡.

3)从综合防晒能力比较，露得清和水密码的防晒能力较强，sofina一般，而大宝样品的防晒能力相对较差.

3讨论

1)从综合防护性能上进行选择，水密码及露得清样品的防晒能力较为突出，正合堂及lchear的防晒能力较差(bb霜)，其余样品防晒能力彼此有所区别但均介于两者之间；

2)从UVA/UVB防护能力上进行选择，水密码及露得清在UVA波段的防晒能力变化不明显，而其他样品(除bb霜)防晒效果更针对UVB，由此可见前两者仍为首选；

3)水密码及大宝的防晒体系中化学防晒能力所占比重较大，而露得清几乎仅为物理防晒；

4)防晒霜在受紫外线持续照射时，随着时间变化，其防晒能力会先较快下降，经过一折点后下降放缓并逐渐趋于稳定. 仅考虑紫外线照射这一因素，防晒霜的化学防晒能力会因吸收紫外线被不断进行光化学变化直至消耗殆尽.

4结论

实验中，所有实验样品的防晒机制均以物理防晒为主，而具体的物理/化学防晒比例有所差别，符合现在防晒霜的发展观念及趋势；不同防晒霜样品防护能力变化率均存在突变点，突变点多数出现在320 nm及380 nm附近，代表了不同防晒霜所针对的不同防护目标并具有很强的针对性；单单考虑紫外照射这一因素，涂覆防晒霜后可以保持较长时间的防晒效果，但不同防晒霜性质有所差异，防护效果也不尽相同，在选择防晒霜时要慎重. 通过利用防晒霜的反射特性和透射特性对其本体在UVA和UVB波段进行光谱分析，能够判断防晒霜的防晒效果；利用防晒霜透射率和时间的关系可以对其持久性进行评估. 光谱分析是判断防晒的防晒效果的有效方法.

参考文献：

[1]蒲爱萍，宋琦如，汪岭. 紫外线对皮肤的损伤及其防护[J]. 宁夏医学院学报，2003，25(4):302-303.

[2]王玉林. 汉麻植物成分防晒性能研究及其在军用防晒护肤品中的应用[D]. 湛江：广东海洋大学,2013.

[3]钟薇薇. 防晒产品品质安全模糊综合评价及应用[D]. 湘潭：湖南科技大学,2012.

[4]陈思,马世红. 普通光谱仪用于混色物理实验[J]. 物理实验,2009,29(6):38-42，46.

[5]王凤娟. 防晒类化妆品中紫外线吸收剂和重金属铅及砷的质量控制检测方法研究[D]. 上海：华东理工大学,2014.

[6]张可冬. 化妆品卫生规范中紫外防晒剂检测方法的研究和改进[D]. 广州：华南理工大学,2014.

[7]郑利，余雯静，沈洁. 防晒化妆品功能与安全性评估研究[J]. 中外医疗，2009，28(28):120-121.

[8]王殿元,王庆凯,彭丹,等. 硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究性实验[J]. 物理实验,2007,27(9):8-10.

[责任编辑：郭伟]

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

中图分类号：O433.5

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)04-0037-05

通信作者：蔡志岗(1962-)，福建厦门人，中山大学物理科学与工程技术学院教授，博士，从事实验物理教学及激光与光谱学研究.

作者简介：杨漫君(1994-)，广东揭阳人，中山大学物理科学与工程技术学院2012级本科生.

基金项目：国家自然科学基金项目(No.J1210034)

收稿日期：2015-12-25；修改日期：2016-01-12