紫外光变法防晒效果评价技术优化研究

余存军

远东正大检验集团有限公司

胡锦泉

桂林电子科技大学

翟宇

远东正大检验集团有限公司

雷金山

远东正大检验集团有限公司

闫树永

远东正大检验集团有限公司

赵国樑

北京服装学院

杜菲

远东正大检验集团有限公司

太阳光中紫外线的照射是引起皮肤老化的主要原因之一。太阳光辐射到地球表面的紫外线分为3 种：UVA、UVB、UVC。其中，能达到地面的长波紫外线UVA（320～400nm）占紫外线总能量的95%以上，可导致皮肤变黑、失去弹性、形成皱纹，甚至引发癌变[1-2]。同时，紫外线具有极强的穿透力，对织物、玻璃、水及皮肤均具有穿透力，因此即使在室内，人体皮肤同样会受其伤害，其能穿透皮肤的角质层、表皮层及真皮层，从而影响皮下组织，且受季节、天气及海拔的影响较小[3]。紫外线还可以诱发细胞产生自由基和活性氧，从而间接对皮肤发生作用。长期低剂量的UVA 照射会引发DNA 突变，加速胶原蛋白和弹性蛋白的破坏，宏观表现为皮肤出现皱纹和弹性降低[4]。紫外线对皮肤的伤害是一个具有持久性、累积性的过程，长时间的紫外线照射会使皮肤细胞中的黑色素显著增加，还能引起皮肤产生色斑及光老化现象，甚至侵害皮肤的正常免疫系统，导致皮肤癌变。因此，防御紫外线对皮肤的伤害非常重要，而使用具有抗UVA 和UVB 功效的防晒化妆品就是一种有效途径[5-8]。

紫外光变法防晒效果评价，是指将防晒化妆品均匀涂布在紫外光变基材上，紫外线照射到待测防晒化妆品并被其吸收、反射，到达紫外光变基材的紫外线会使其颜色发生改变形成色差；紫外光变基材在不同辐照强度和时长下分别对应着不同的固定的色差曲线，根据色差曲线可计算不同色差值对应的紫外线辐照能量，从而达到评价防晒化妆品防晒性能的目的。

紫外光变法防晒效果评价是采用紫外光变基材（光致变色材料）进行测试的。光致变色指化合物A 在适当波长的光照射下能够进行特定的化学反应或物理反应，生成另一化合物B，结构的改变导致其吸收光谱发生改变，宏观上表现为颜色的变化；而在另一波长的光照射下或在加热的作用下，化合物B 又能恢复到原来的形式。早在1867 年就已有光致变色材料相关报道，目前其已被广泛应用于光信息存储、民用生活、防伪等诸多领域[9]。对于光致变色材料的应用，需结合紫外光变基材的特性进行研究。在紫外光变法防晒化妆品防晒效果评价中，紫外光变基材具有变色均匀性和稳定性，可保证变色色差值的测量稳定性和一致性；根据紫外光辐照时长、辐照度与变色色差值的对应关系，可以建立校准曲线对发生颜色变化所需的辐照能量进行量化，从而达到评价防晒化妆品防晒效果的目的。因此，在采用紫外光变法对防晒化妆品防晒效果进行评价的过程中，对紫外光变基材本身特性的研究及对测试条件的优化，是保证评价效果和测试值稳定性、准确性的关键。

1 紫外光变法实验

1.1 实验材料

不同批次的紫外光变基材若干，防晒系数（sun protection factor，SPF）标识值为15 的防晒标准品，某品牌SPF 标识值为30 的防晒产品。

1.2 实验仪器

防晒化妆品测试仪器UV-PC system 0702（远东正大检验集团有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 紫外光变基材均匀性与稳定性实验

采用UV-PC system 0702测试仪器，在仪器开机预热达到稳定测试状态后，将不同批次紫外光变基材置于固定的辐照时长和固定的辐照度条件下，对其变色色差值进行测试，对其均匀性进行探讨。同时，在固定的辐照时长和固定的辐照度条件下，对不同时间点的紫外光变基材变色色差值进行测试，对紫外光变基材的稳定性进行探讨。

1.3.2 紫外光变法测试条件优化实验

采用UV-PC system 0702测试仪器，在仪器开机预热达到稳定测试状态后，将紫外光变基材置于不同辐照时长和不同辐照度条件下，对其不同点位的变色色差值进行测试，设计正交试验，分析紫外光变基材变色的最佳辐照时长和辐照能量范围，对测试条件进行优化。

1.3.3 辐照时间法和辐照度法测试SPF 值实验

采用UV-PC system 0702测试仪器，仪器开机预热达到稳定测试状态。采用辐照时间法，将紫外光变基材置于固定的辐照度条件下，在不同的辐照时长下，对防晒化妆品SPF 值进行技术测试；采用辐照度法，将紫外光变基材置于固定的辐照时长条件下，在不同的辐照度下，对防晒化妆品SPF 值进行技术测试。

通过对比测试过程，探讨辐照时间法和辐照度法测试防晒化妆品SPF 值的可行性和便捷性。

1.3.4 紫外光变法评价方法

应用Lab 模型计算变色色差值。Lab 模型采用数字化的方法描述人的视觉感应，由3 个要素组成：亮度（L），以及2 个颜色通道（a 和b）。使用色差值（ΔE）表示2 种颜色的差异。色差值计算公式如下：

根据紫外光变基材变色色差值与变色所需辐照能量（时长）的关系曲线，防晒化妆品SPF 值为使用防晒化妆品防护的基材变色所需的辐照能量（时长）与未防护的基材变色所需的辐照能量（时长）之比。防晒化妆品SPF值计算公式如下：

2 结果与讨论

2.1 紫外光变基材均匀性与稳定性研究与讨论

2.1.1 均匀性

在固定辐照时长和固定辐照度的条件下，分别对批号为P1、P2 的两批各6 个均匀性有差异（表面平整性和颜色分布均匀性具有差异）的紫外光变基材进行变色色差值测试。结果显示，批号为P1 的紫外光变基材变色色差较大，批号为P2 的紫外光变基材变色色差较小（图1）。两批紫外光变基材色差值测试结果如表1 所示。

表1 两批均匀性有差异的紫外光变基材色差值测试结果

图1 两批均匀性有差异的紫外光变基材进行变色色差值测试

分别用批号为P1、P2 的两批均匀性有差异的紫外光变基材，对SPF 标识值为15 的防晒标准品和某品牌SPF 标识值为30 的防晒产品进行测试，SPF 值测试结果如表2 所示。

表2 利用两批均匀性有差异的紫外光变基材进行产品SPF 值测试结果

表1 结果显示，批号为P1的紫外光变基材色差值的标准差比批号为P2 的紫外光变基材色差值大，且变异系数达42.28%，表明批号为P1 的紫外光变基材比批号为P2 的紫外光变基材均匀性差。表2 结果显示，批号为P1 的紫外光变基材SPF 值测试结果偏差不小于25.00%，而批号为P2 的紫外光变基材SPF 值测试结果偏差低于2.33%。由此可见，紫外光变基材的均匀性越差，其SPF 值测试结果的准确性就越差。研究表明，可以通过控制紫外光变基材变色色差值的标准偏差，保证SPF 值测试结果的准确性。

2.1.2 稳定性

在固定辐照时长和固定辐照度条件下，在不同时间点分别对批号为W1、W2 的两批稳定性有差异的紫外光变基材（由不同的光致变色粉剂加工制成）进行变色色差值测试，测试结果如表3 所示。

表3 两批稳定性有差异的紫外光变基材色差值测试结果

分别用批号为W1、W2 的两批稳定性有差异的紫外光变基材，对SPF 标识值为15 的防晒标准品和某品牌SPF 标识值为30 的防晒产品进行测试，测试时间点分别为0d、30d、60d，SPF 值测试结果如表4 所示。

表4 利用两批稳定性有差异的紫外光变基材进行产品SPF 值测试结果

表3 结果显示，批号为W1的紫外光变基材在不同时间点色差值的标准差比批号为W2 的紫外光变基材大，且变异系数达到29.07%，表明批号为W1 的紫外光变基材比批号为W2 的紫外光变基材稳定性差。表4 结果显示，采用批号为W1 的紫外光变基材对不同标识值的防晒化妆品进行测试，其SPF 值的测试结果在不同时间点的变异系数均超过8.95%，而批号为W2 的紫外光变基材在不同时间点的SPF值测试结果的变异系数均不大于2.58%。由此可见，紫外光变基材的稳定性越差，其在不同时间点SPF 值测试结果的一致性就越差。研究表明，可以通过控制紫外光变基材在不同时间点的变色色差值的变异系数，保证SPF 值测试结果的一致性。

2.2 紫外光变法测试条件优化

紫外光变基材的颜色变化与辐照度、辐照时间等因素相关，掌握或了解紫外光变基材变色色差值与上述影响因素的关系，对于评价相关产品体外防晒性能具有重要意义。

紫外光变基材的颜色变化会随着辐照度的增加、辐照时间的增长而逐渐趋于饱和。在采用紫外光变法测试化妆品防晒效果的工艺研究过程中，选择适当的辐照度范围和时间范围，将紫外光变基材置于不同辐照度、不同辐照时间条件下进行测试，变色色差值测试结果如表5 所示。

表5 紫外光变基材在不同辐照度、不同辐照时间下的变色色差值

根据表5 的测试结果，生成辐照时间、辐照度与紫外光变基材颜色变化关系曲线图（图2）。

图2 紫外光变基材变色色差值与辐照度、辐照时间的变化关系图

由表5 和图2 可知，在同一辐照时间条件下，紫外光变基材的变色色差值会随着辐照度的增加逐渐趋于稳定；在较长的辐照时间条件下，材料色差变化在辐照度增加初期较大，而当辐照度增加到一定范围时，材料色差变化较小，可评价变色区间也较小；在同一辐照度条件下，紫外光变基材的变色色差值会随着辐照时间的增长逐渐趋于稳定；在高辐照度条件下，材料在接受短时间辐照时就会发生较大的色差变化，可评价变色区间较小。综合考虑紫外光变基材的特性，可将辐照度选在8～64μW/cm2之间，辐照时间选在1～8s 之间。紫外光变法最佳测试条件如表6 所示。

表6 紫外光变基材在最佳测试条件下的变色色差值

由表6 可知，在采用紫外光变法测试化妆品防晒效果的测试过程中，根据紫外光变基材特性，选取适当的辐照度和辐照时间范围，对材料色差变化特征进行分析，是建立稳定测试方法的基础。通过对光源辐照度和辐照时间条件进行优化，建立紫外光变基材变色色差值与辐照度及辐照时间的对应关系，是紫外光变法的关键。

2.3 辐照时间法和辐照度法在SPF 值测试技术应用的对比探讨

2.3.1 辐照时间法

在固定辐照度条件下，通过改变测试时间，可以对化妆品SPF 值进行测定，以达到评价防晒效果的目的。选用SPF 标识值为15 的防晒标准品进行测试，如图3 所示。

图3 采用辐照时间法测试防晒化妆品SPF 值

在测试过程中，当观察到图3 中③材料的颜色变化与①材料接近时，记录辐照时间并计算SPF 值。计算结果如下：

SPF=（UV）/（UV'）=（32μW/cm2×28.8s）/（32μW/cm2×2s）=14.4

结果显示，在涂抹防晒标准品后，紫外光变基材的SPF 测量值符合SPF 标准品范围要求（12.45～17.55）[10]。

2.3.2 辐照度法

通过测试涂抹防晒标准品后紫外光变基材在特定时间下的变色辐照度，采用不同的辐照度条件对标准空白基材进行辐照，得到不同色差值，建立色差值与辐照度之间的关系曲线，从而能够计算化妆品的SPF 值，如图4所示。

图4 辐照度与色差值关系曲线

根据图4 的辐照度与色差值关系曲线，选取市面上某品牌SPF 标识值为30 的防晒产品进行测试，如图5 所示。

图5 采用辐照度法测试防晒化妆品SPF 值

计算结果如下：

SPF=（UV）/（UV'）=（480μW/cm2×2s）/（14.56μW/cm2×2s）=32.97。

结果显示，在涂抹防晒测试品后，紫外光变基材的SPF 测量值符合SPF 标准品范围要求（24.9～35.1）[10]。

测试过程对比研究表明，采用辐照时间法和辐照度法理论上均可以达到测试防晒化妆品SPF值的目的。但在固定辐照时间的条件下，通过采用不同辐照度对涂抹防晒化妆品的紫外光变基材进行照射，根据颜色变化色差值与辐照强度曲线计算SPF 值，会更容易控制测试终点，操作也更加方便；而通过改变辐照时间，根据颜色变化达到一致时进行终点判断，则难度较大，测试时间也较长，不利于提高防晒化妆品SPF 值的测试效率。

3 结论

（1）通过对紫外光变基材在光照条件下变色均匀性和材料本身颜色变化的稳定性研究，证明紫外光变基材的均匀性越好，其防晒效果评价SPF 值测试结果就越准确；不同时间点的紫外光变基材的稳定性越好，其防晒效果评价SPF 值测试结果一致性就越高。

（2）在采用紫外光变法进行防晒效果评价的过程中，紫外光变基材的颜色随着辐照时长和辐照度的改变而发生变化，随着辐照时间或辐照度的增加，紫外光变基材的颜色也会逐渐加深，且在增加到一定程度时颜色变化趋缓（色差值变化变小）。而化妆品防晒效果评价是根据色差值对应的辐照能量或者辐照时间来计算的，由关系曲线可知，较小的色差值变化会导致较大的测试结果误差。因此，针对紫外光变基材，通过选取最佳测试时长和测试辐照度范围，以满足紫外光变法测色需求。

（3）通过对比研究，从原理上来讲，采用辐照时间法和辐照度法均可以达到测试防晒化妆品SPF 值的目的。其中，在固定辐照时间条件下，采用不同辐照度对涂抹防晒化妆品的紫外光变基材进行照射，根据颜色变化色差值与辐照度关系曲线计算SPF值，可以根据测试需要对仪器的辐照度进行调节，并且更容易控制测试终点，操作更加方便；而通过改变辐照时间，根据颜色变化达到一致时进行终点判断，紫外光变基材在经过一定时间的测试后，颜色变化会逐渐趋于稳定，评价色差变化难度增大，特别是在测试SPF 标识值高的样品时，难度增大。综上，辐照度法更有利于防晒化妆品SPF 值测试。