计算防晒霜SPF值的体外光谱方法

实验部分 计算防晒霜 引言 太阳发出可以到达地球的紫外线(UV)A和体外光谱紫外线B，二者均是电磁波的一部分。UVA的波长范围是400~320 nm， UVB的波长范方法 围是320~290 nm。UVA可以穿透皮肤外部的表皮层和内部的真皮层，是表皮层角质化细胞破坏(皮肤癌中常见的现象)的主要因素。虽然UVB不能穿透真皮层，但是其波长较短，所以强度更高。两种紫外线都可能都可能导致晒伤、皮肤癌和其他皮肤损伤，对人类造成严重的伤害。为了防止这些伤害的发生，一般建议使用防晒霜。防晒霜可以吸收或者反射有害的紫外线，阻止其到达皮肤，从而达到保护皮肤的目的。暴露于阳光下时，使用防晒霜可以极大降低损伤皮肤细胞和产生皮肤癌的风险。在本研究中，使用PerkinElmer@ LambdaTM1050紫外-可见-近红外光谱仪和150 mm积分球测量医用胶带基底上防晒霜的漫透射数据。使用胶带作为人类皮肤的模拟物测试防晒霜的防晒系数(SPF)， 比使用人类皮肤更加方便而且经济。 PerkinElmer，Inc.Shelton，CT USA Author Jillian F. Dlugos Glenelg High SchoolGlenelg，MD USA 使用透射方法测试了多种品牌的医用胶带，以确定哪种胶带是最好的人类皮肤替代品。使用医用胶带作为防晒霜测试的人类皮肤替代品，比在真实皮肤上进行产品测试更加安全。为了用透射方法测试胶带和猪皮，样品需要放置于积分球前方的透射口。图1所示为150 mm积分球的光路图，标明了进行散透射测则时样品的放置位置(透射口)。 图1150mm积分球的光路图 使用透射方式测试样品是计算光线穿过样品的程度，据此也可以知道样品对光线的吸收程度。图2说明了将样品放置在透射口进行测试时，光线穿过样品后的情况。 图2使用积分球进行漫透射测试时的样品光路 医用胶带、猪皮和人类皮肤都是不完全透明的样品，会对光源发出的光产生散射作用。在光源发出的光束穿过样品之后，积分球可以收集散射光。对胶带透射光谱与猪皮透射光谱进行比较，以确定哪种品牌的胶带可以最准确地模拟人类皮肤。Nexcare@Transpore医用胶带与猪皮的光谱最 为接近。接下来，使用透射模式对不同层数的胶带进行测试。结果表明，在双层、三层和四层胶带中，背靠背放置的双层胶带与猪皮最为接近。图3所示为猪皮和胶带在UVA和UVB区域的透过率光谱。 图3表皮(猪)与胶带的漫透射光谱比较(UVA+UVB) 图4胶带及其涂抹防晒霜后的漫透射光谱 确定了能够最好地模拟猪皮的胶带类型与层数之后，可以使用胶带代替真正的人类皮肤测试各种防晒霜使用方式。所使用的测试方式为：用手指将防晒霜涂抹于胶带的两面，或者在胶带上喷洒两次防晒霜。使用在胶带上的防晒霜是Sport@ Sunscreen SPF 30. 图5吸光度形式的漫透射光谱 图4所示为双层Nexcare医用胶带、涂抹了防霜霜的双层胶带(两面)以及喷洒了两次防晒霜的双层胶带的百分比透过率光谱。光谱测试范围为250~800 nm，以观察样品的散射性质。S形曲线的产生是因为样品上有防晒霜。为了计算防晒霜的SPF， 需要对原始光谱进行一些处理。首先，透过率光谱(图4)需要转换成吸光度光谱(图5)。 接下来，需要从使用了防晒霜的胶带光谱中减去胶带本身的光谱，从而获得防晒霜的光谱。差谱处理使得图5中的黑色线变为平直的零基线。在减去了胶带的光谱之后，将防晒霜的光谱转换回百分比透过率谱。将百分比透过率谱除以100，得到透射比光谱。白分比透过率是0到100之间的数值，透射比是0到1之间的数值。 图6显示了可以用于计算SPF值的透射比光谱。图7所示为复制到Excel@电子表格中的数据以及计算的SPF值。SPF计算过程中只使用290~400nm的数据，也就是UVA与UVB区域。 320 00218N4 11 G 45.67483403 4.84E-02 323324 8.47E-02 4.141-04S8S-0A7.526-04 0022774 481510809 4620382573 411113238 43.02681767 5.55E-03 5.55E-03 4.47E-03 3.50E-03 2.908-03 130E-01 20TE-01 3.03E-01 9276-04 2：226-05 002229702247 0020137 41097346 531230381 2.908-03 2338-03 429E-01 1771-01 327329 0020236 43.41680061 1E3-01 374E-15 329 330 4921642504 122E+00 43.77348574 C020092 1.41E-03 1.35E-03 1，32E-43 L51E+001BTE+00 0020304220310020319 502034 E02043 49.77155356 4923082543 4021502012 4340713462 1.27E-03 2.12E+00 244E+09 2A71-013-11t-03 1238-03 1.18E-03 28ZE*00 1790-01 70E-05766E-05 C210160245057 4794279400 3.19E+00561E400 201E*00 3.70-042525-04 1138-047.78-55T05E-05 T05E-05 290 301 9202112 1.78E-04 1.72E-04 1.56E-04 164E+00 121E+00 20-0417A 0200534 0400107 0538395 2.721830429 33434281 1.56E-04 150E-04 1.55E-04 1502-041.45E-04 0563993 33434281 1123030001 175140751 1.45E-04140E-04 1.350-04 1.302-04 230E-01 L00E-01 297 399 0520407 14940303414017815421121737723 399 0068255 14017815421121737723 L04E-0148LE-02BATE-02 10E-D103-01 4348-0TE-00 400 071240207262 3076-03 SUM- SPFValue m 30.84 图7用于计算SPF的电子表格示例 SPF的计算公式为： 其中， d(入)=1 nm， A(入)代表红斑反应光谱(ErythemaAction Spectrum)， E(入)代表太阳辐射能量，而MPF(入)代表光线被吸收的程度以及破坏皮肤细胞的能力。MPF是对应波长处透射率的倒数。 图8随波长变化的用于计算SPF值的常数 图8所示为随波长变化的SPF常数：辐射能量与反应单位的乘积(EXA)。绿色点线代表了不同波长处太阳的辐射能量。从图中可以看出，350~370 nm区域的太阳辐射能量最强。在SPF计算公式中，E与A相乘。E代表太阳辐射强度。A代表红斑反应光谱，其单位如右侧纵轴所示。黑线显示了E与A的乘积，代表了皮肤对光线的吸收程度，以及太阳辐射对皮肤细胞造成损伤的能力。 结果 试验中SPF计算值与Sport Sunscreen包装上的标注值一致，说明Transpore胶带可以成功替代人类皮肤进行SPF测试。图3说明了Transpore胶带与猪皮非常相似，而猪皮与人类皮肤的性质非常相似。 表1SportSunscreen SPF 30的SPF计算值 SPF UVA SPFUVA+UVB One Application 30.84 39.07 Two Applications 50.1 80.76 Sport Sunscreen含有5种不同的防晒剂，标注SPF值为30.该防晒霜中含有3%Avobenzone(阿伏苯宗，阻挡UVA)、10%Homosalate(水杨酸三甲环己酯，阻挡UVB)、5% Octisalate(辛水杨酯，阻挡UVB)、2% Octocrylene (氰双苯丙烯酸辛酯，阻挡UVB)和4% Oxybenzone (羟苯甲酮，阻挡UVA和UVB)。UVA与UVB遮光剂的混合物覆盖了400~290 nm区域。图5显示了防晒霜的遮光效果。 本实验中，在胶带上单次使用防晒霜时计算出的SPF为30.84(只计算UVA区域，这也是FDA认可的方法)。两次使用防晒霜时， SPF值几乎加倍，因为胶带上的防晒霜含量增加了一倍。无论是单次使用还是两次使用，根据UVA+UVB计算的SPF值都有所增加，因为防晒霜阻挡了更多的电磁波谱，保护皮肤免受紫外线的伤害。 本实验成功地使用医用胶带做为人类皮肤的替代物，使得不同防晒霜可以在胶带上进行测试，而不需要使用真正的人类皮肤。无论是用于科学研究还是质量控制， Lambda1050紫外-可见-近红外光谱仪和150mm积分球的结合为防晒霜活性成分SPF值的测试提供了优异的平台。 For the Better