防曬霜的紫外光譜分析及防護持久性評估

楊漫君，陳維捷，李佼洋，蔡志崗

(中山大學 a.物理科學與工程技術學院; b.物理實驗教學中心，廣東 廣州 510275)

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防曬霜的紫外光譜分析及防護持久性評估

楊漫君a，陳維捷a，李佼洋b，蔡志崗b

(中山大學 a.物理科學與工程技術學院; b.物理實驗教學中心，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個波段，從物理防曬和化學防曬兩方面研究其相關機制及防曬效果，并對防曬霜進行紫外照射，通過測量樣品反射率及透射率研究其防曬效果隨時間的變化. 實驗表明：所測樣品的防曬機制均以物理防曬為主、化學防曬為輔，且不同防曬霜樣品防護能力變化率均存在突變點，大多對UVB具有較強的防護作用. 實驗也表明光譜分析是判斷防曬的防曬效果的有效方法.

關鍵詞：防曬霜；物理防曬；化學防曬；光譜分析；持久性

過量的太陽輻射為人體健康帶來一定的危害，長時間接受陽光的暴曬可能會導致皮膚燒傷、致癌等健康問題，防曬霜在一定程度上可以防止太陽輻射對皮膚的影響[1]. 市面上存在種類繁多的防曬霜，品質參差不齊. 為更好對防曬霜的防曬性能進行評估，有必要對防曬霜的光譜特性進行探究[2].

本文采用光譜分析技術對防曬霜進行防曬效果評估，該方法具有速度快、效果好、成本低等優點[3-5]. 本文采用光譜儀對各類防曬霜涂片進行試驗，測定其反射率、透射率等相關曲線，以對比分析不同種類防曬霜的特性.

1實驗原理

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

根據防曬霜的防曬特性，對防曬霜的防曬性能定量分析，其具體內容如下：利用光譜連續的汞燈作為紫外光源對樣品持續照射，在開始時刻的透射率為Tbegin，假設在結束時，防曬霜的化學防曬能力已完全消耗，測得此時其透射率為Tend. 對此，定義2個指數Ac和Ap，分別代表化學防曬能力和物理防曬能力，則

Ac=ΔT=Tend-Tbegin

Ap=1-Tend

實驗采用美國海洋光學的光纖光譜儀進行測試. 類反射實驗通過測定白板和在白板上涂覆防曬霜的光強，得到反射曲線，反射率越高防曬霜的物理防曬效果越好. 透射實驗通過測定透過防曬霜前后的光強，確定防曬霜的透過率，透過率越低防曬霜的整體防曬效果越好.

2實驗

2.1實驗條件

采用汞燈、海洋光學光纖光譜儀、計算機等設備對防曬霜涂片(大寶、lchear、露得清、媚點、蜜妮、水密碼、sofina、新碧、正合堂及植物之鄉等11款)進行探究.

2.2實驗內容

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間為變量，探索防曬霜使用時間對其防曬效果影響. (UVB：290～320 nm；UVA：320～400 nm)

2.3實驗結果

2.3.1反射光譜分析

測量不同樣品加白板在不同波長下的相對光強及反射率(與參考值對比)，結果如圖1所示.

圖1　樣品在紫外波段內的反射光譜

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

為排除樣品在某一波段的實驗誤差對結果造成影響，選擇樣品在UVA/UVB波段的平均反射率進行計算，其結果如圖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、蜜妮、水密碼、sofina、新碧、正合堂、植物之鄉.

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，且無明顯的規律性；從數量上進行考慮，UVA/UVB波段反射均值基本一致，而多數樣品對UVA的化學防護效果略好于UVB.

將紫外波段劃分為6個范圍，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區間內大多數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；也再次說明多數樣品對UVA的化學防護效果略好于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

對不同樣品在不同波長下的相對光強及透射率(與參考值對比)進行測量，照射時間為10 min，結果如圖4所示.

不同樣品的透過率曲線差異性顯著，且在不同波段的變化趨勢差異性顯著，說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突出，在整個紫外波段都保持在10%以內的透過率，其防曬能力最強；lchear、正合堂及大寶(010)的綜合防曬能力表現較差，在整個紫外波段的透過率都在60%或以上，其防曬能力一般.

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

圖4　樣品在紫外波段內的透射光譜

圖5　樣品在UVA/UVB波段平均透射率比較

分別在UVA和UVB波段讀取最小透過率所對應的波長，其結果如圖6～7所示，圖中樣品編號同于圖5.

圖6　樣品在UVA波段最小透過率對應波長

對于所有樣品，UVB波段下的透過率均明顯小于UVA波段；多數樣品在UVA/UVB波段下最小透過率的對應波長較為統一，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). 以上數據均說明樣品對于UVB波段下的綜合防護能力明顯高于UVA波段. 而化學防曬又是針對UVA部分，說明物理防曬占主導，且主要針對UVB部分.

圖7　樣品在UVB波段最小透過率對應波長

依照上述的6個光譜波段的劃分，計算樣品的平均透射率，結果如圖8所示.

圖8　樣品分波段平均透射率比較

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

2.3.2防曬霜持久性評估

定期測量樣品的光譜特性，建立光譜特性與時間的關系，以判斷防曬霜的持久性. 每隔15 min做1次記錄，結果如圖9～10所示.

圖9　樣品最小透過率Tmin與組次(時間t)變化關系

圖10　樣品平均透過率與組次(時間t)變化關系

所有樣品的透過率曲線隨時間變化變化率逐漸變小直至趨于恒定；不同樣品的透過率差異顯著，露得清防曬效果較好；不同樣品透過率受照射時間的影響差異明顯，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較大，而露得清沒有太大改變，sofina則趨于三者之間.

隨著紫外照射時間的增加，化學成分消耗，曲線體現的更多是防曬霜化學防曬效果的變化，當化學反應進行到一定程度，其化學防曬失效.

露得清防曬效果好，且較穩定，可說明其防曬機制是物理防曬為主，化學防曬為輔.

2.3.3防曬性能比較

對樣品利用紫外燈持續照射，在開始時刻的透射率為Tbegin，假設在結束時，防曬霜的化學防曬能力已完全消耗，測得此時其透射率為Tend.

計算樣品的防曬指數，對其性能進行分析比較(以sofina、大寶、露得清以及水密碼為例)，見表1,表中ΔTc為透射率變化量(化學)，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).

表1　防曬性能比較

根據表1，可以得出以下結論：

有別于反射率(反射譜)，本文研究的透過率(透射譜)引入的2個防曬能力指數已可以定量說明物理防曬與化學防曬這2種防曬能力是哪種起主要作用。

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

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

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

3討論

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

2)從UVA/UVB防護能力上進行選擇，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UVB，由此可見前兩者仍為首選；

3)水密碼及大寶的防曬體系中化學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照射時，隨著時間變化，其防曬能力會先較快下降，經過一折點后下降放緩并逐漸趨于穩定. 僅考慮紫外線照射這一因素，防曬霜的化學防曬能力會因吸收紫外線被不斷進行光化學變化直至消耗殆盡.

4結論

實驗中，所有實驗樣品的防曬機制均以物理防曬為主，而具體的物理/化學防曬比例有所差別，符合現在防曬霜的發展觀念及趨勢；不同防曬霜樣品防護能力變化率均存在突變點，突變點多數出現在320 nm及380 nm附近，代表了不同防曬霜所針對的不同防護目標并具有很強的針對性；單單考慮紫外照射這一因素，涂覆防曬霜后可以保持較長時間的防曬效果，但不同防曬霜性質有所差異，防護效果也不盡相同，在選擇防曬霜時要慎重. 通過利用防曬霜的反射特性和透射特性對其本體在UVA和UVB波段進行光譜分析，能夠判斷防曬霜的防曬效果；利用防曬霜透射率和時間的關系可以對其持久性進行評估. 光譜分析是判斷防曬的防曬效果的有效方法.

參考文獻：

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[責任編輯：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：O433.5

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)04-0037-05

通信作者：蔡志崗(1962-)，福建廈門人，中山大學物理科學與工程技術學院教授，博士，從事實驗物理教學及激光與光譜學研究.

作者簡介：楊漫君(1994-)，廣東揭陽人，中山大學物理科學與工程技術學院2012級本科生.

基金項目：國家自然科學基金項目(No.J1210034)

收稿日期：2015-12-25；修改日期：2016-01-12