防曬乳的防曬係數

日期：2023/08/03

重點:
• 防曬係數
• 紫外線輻射
• 曬傷危機

技術:
• 穿透光譜

應用:
• SPF檢測
• 驗證

雖然你可能發現在陽光下躺在海灘上伸展身體是非常舒適的，但對你的皮膚來說，這行為會讓它變紅，字面意義上的。曬傷不再只是一種煩惱，它的危險已經眾所周知，從加速皮膚老化到皮膚癌。幸運的是，防曬乳能保護你跟你的皮膚不受太陽的紫外線輻射所傷害，如容器上的防曬係數(SPF)所示。但是上面的數字是什麼意思? 它一開始是如何被量測的?防曬乳真能如它所說的一樣提供全面保護?在這篇應用報告裡，我們會用光譜學來回答這些重要的問題。

紫外輻射

人眼對光的敏感度從光譜的紅色一端(780nm)到彩虹的紫色一端(380nm)。因此陽光裡比紫色更短的波長就被命名為紫外光(UV)。紫外光分為UVA(到320nm)，更有能量和危險的UVB(從320~280nm)，以及在更短波長的高能量的UVC。UVC被大氣層完全吸收，但還是有相當數量的UVB能到達地球表面，如圖1。

圖1: 地球表面的太陽光譜，皮膚對曬傷的敏感性，以及兩者的乘積，即相對曬傷危險，是一個波長相關函數。

防曬係數(SPF)

不同人對陽光照射的耐受性差異很大，且跟皮膚類型有關。可能一個皮膚白皙、紅頭髮、藍眼睛的人只能接受5分鐘，一個有著深色皮膚跟頭髮的人可能更久。塗抹防曬乳能最大延長的曝曬時間取決於防曬係數。例如，SPF為20，一個皮膚白皙的人在沙灘上玩樂的時間應該增加20到100分鐘左右。皮膚科醫生建議，不管你的皮膚種類跟SPF，每隔兩小時就重新塗抹一次防曬乳。

在過去，防曬係數的測量方法是這樣的: 志願者背部的一小塊皮膚暴露在越來越多的紫外線下，一些區域受到了測試中的防曬乳保護，而另一些區域則沒有。在使用以及沒使用防曬乳的區域開始變紅的曝曬時間的比值就會是防曬乳的防曬係數。這種方法不僅聽起來很痛苦也不太準確，而且因為紫外輻射的危險廣為人知，找尋志願者也越來越難。

儀器測定SPF

光譜學再次為這問題提供更好的解決方案。防曬乳的工作原理是在UV光到達皮膚之前吸收或反射UV光。白色塗料，像是用在高SPF防曬乳中使用的二氧化鈦，是以反射的方式運行。大多數其他成分，例如二苯甲酮，會吸收部分紫外輻射。在測量防曬係數時會注意到，有部分的紫外線會穿透並且到達皮膚。

在量測SPF光譜時，可以用三種不同方式來樣品製備。在溶液法中，防曬乳中的有效成分會溶解於合適的溶劑中，隨後將溶液倒出排除固體，並在標準吸光度裝置中用比色皿進行穿透率量測。然而這種方法經常忽略所使用的固體顏料。或者是將防曬乳均勻地塗在透明的淺的孔洞上，這樣就能量測全部成分的穿透率。然而實際上我們發現很難保證此設置的薄片的黏稠度。

第三種可能的方法是將防曬乳塗在貼在顯微鏡載玻片上的手術膠帶(例如上3M Transpore)上。第一次聽見可能覺得是不尋常的方法，但是手術膠帶上規律分布的孔洞可以讓防曬乳非常均勻且可重複地塗抹到樣品架上。另外作為額外的優點，將典型的防曬乳塗在這手術膠帶上的覆蓋範圍約為每平方公分1-2毫克，近似於皮膚科醫生建議的程度。

設置及步驟

圖二: 用於量測防曬乳的紫外線穿透率的設置，該防曬乳塗在由顯微鏡載玻片(中心)上的手術膠帶組成的樣品架上。來自氘燈(DH-200 BAL)的紫外光通過在右側的光纖進入設置，隨後積分球收集穿透的光(左側)。ACH-CUV-VAR鏡架用來固定輸入透鏡、樣品架、及積分球。背景展示了此次測量中使用的樣品、手術膠帶、以及Flame光譜儀。

塗在手術膠帶上的薄層防曬乳會將照入的紫外光散射，因此單純的透鏡到光纖收集器沒辦法收集全部的穿透光。收集全部的穿透及散射光更好的方法是放在樣品後的積分球，如圖二所示。

樣品架是有預先準備好、作編號、以及秤重(以便確定等下塗抹的防曬乳數量)。通過空的樣品架的穿透率是使用帶有手術膠帶(但沒有防曬乳)的單獨標記的顯微鏡載玻片做為對照來確定的。

圖三: 從20到50 SPF的不同防曬乳的紫外穿透率。

在樣品架上塗上一層薄層的防曬乳，用乾淨的顯微鏡載玻片刮成薄而均勻，然後對樣品載玻片再次秤重隨後晾乾60分鐘。晾乾後，通過散射對載玻片的穿透率再次設置為100%基準，避免燈源輸出隨時間的任何變化。最終量測塗上防曬乳的實際樣品的穿透率。包含暗量測在內，每個樣品記錄了八個光譜來描述不同光譜儀、樣品架、紫外光源輸出的變化及不同。圖三顯示了平均後的UV段穿透光譜結果。

計算SPF
穿透率光譜(圖三)顯示了照入的紫外輻射有多少百分比到達皮膚。然而，不是所有的紫外波段都是一樣的，根據圖一裡的紅線，陽光照射的強度以及皮膚對不同波長的曬傷敏感性，讓有的波長比其他的還要危險。舉例來說，在300nm到320nm的輻射是在所有到達地球的射線中最危險的，這能解釋為什麼防曬乳通常會主要吸收這段落的紫外光。

防曬係數是目前沒有防曬乳導致的曬傷危險(如圖一裡紅線所加總的面積)與因防曬乳降低穿透而降低的防曬危險的比值(將圖三裡產品的穿透率曲線乘上圖一裡的紅線後加總的面積)。計算結果統整在表一。