仪器法测定防晒指数

发布时间：2025-06-23 17:55:16 阅读量：1 作者：生物检测中心

仪器法测定防晒指数（SPF）：原理、流程与应用

摘要： 仪器法测定防晒指数（SPF）是基于光学原理，利用分光光度计模拟人体皮肤对紫外线的散射与吸收特性，快速、客观地评估防晒产品防护能力的一种重要方法。本文详细阐述了仪器法的基本原理、标准操作流程、关键影响因素、优势与局限性，以及其在防晒产品研发与质量控制中的应用价值。

一、 引言

防晒指数（Sun Protection Factor, SPF）是衡量防晒化妆品防护中波紫外线（UVB, 290-320 nm）能力最核心的指标。传统人体测试法（ISO 24444）是公认的基准方法，但存在成本高、周期长、受试者招募难、结果变异性大等局限。仪器法（主要基于ISO 24443:2021标准）则提供了一种高效、客观、可重复的体外替代或筛选手段。

二、 仪器法基本原理

仪器法的核心在于模拟防晒产品涂抹于皮肤后的光学行为：

  1. 光学模拟： 使用具有特定表面粗糙度、光学散射特性和紫外吸收特性的合成基材（通常是聚甲基丙烯酸甲酯板，即PMMA板）模拟人体皮肤角质层对紫外线的散射作用。
  2. 分光光度测量： 将防晒产品均匀涂抹于PMMA基材上，形成规定厚度的薄膜（通常为2 mg/cm²）。使用配备积分球的分光光度计，在290 nm至400 nm（覆盖UVB和UVA）波长范围内，测量涂抹样品前后的透射光谱。
  3. 关键参数计算：
    • 单色保护系数 (Monochromatic Protection Factor, MPFλ): MPFλ = E(λ) / [T(λ) * E(λ)] （注：此公式需修正） 更准确表达： MPFλ = 1 / T(λ) （在理想无散射情况下，但实际需考虑基材散射） 实际计算需基于仪器测得的涂抹样品后相对于未涂抹基材的透射率变化，并考虑基材本身的透射和散射特性。
    • 体外SPF (in vitro SPF): 这是仪器法的核心输出结果。通过将测得的MPFλ值与标准红斑作用光谱（CIE S 019/E:2006）结合，并考虑产品在基材上的均匀性（应用面积），最终计算得出： in vitro SPF = [ ∫ E(λ) * S(λ) * dλ ] / [ ∫ [E(λ) * S(λ) / MPFλ] * dλ ]
      • E(λ)：标准太阳光谱辐照度（如COLIPA/JCIA光谱）。
      • S(λ)：标准红斑作用光谱（CIE S 019/E:2006）。
      • MPFλ：在波长λ处的单色保护系数。
      • 积分范围通常为290 nm至400 nm。
    • 临界波长 (Critical Wavelength, CW): 评估广谱防护（UVA防护）能力的指标，定义为290 nm至400 nm范围内，防晒产品MPFλ曲线下面积达到总面积的90%时所对应的波长。CW ≥ 370 nm通常表示产品具有足够的广谱防护能力。

三、 标准操作流程概要

仪器法测定需严格遵循标准流程（如ISO 24443:2021）：

  1. 基材准备：
    • 选用符合标准要求的PMMA板（特定粗糙度）。
    • 清洁基材（如用异丙醇擦拭）。
    • 可能需要进行预湿处理（模拟角质层水合状态）。
  2. 样品制备：
    • 将防晒产品均匀涂抹在PMMA基材上，使用精密涂布器控制涂抹量为2 mg/cm² ± 0.05 mg/cm²（此为关键参数）。
    • 在标准温湿度条件下（如25°C ± 1°C, RH 50% ± 5%）静置干燥规定时间（通常15-30分钟）。
  3. 仪器校准与测量：
    • 开启分光光度计，预热并校准（波长、光度线性度、暗电流、基线等）。
    • 测量未涂抹产品的空白PMMA基材在290-400 nm范围内的透射光谱（作为基线）。
    • 测量涂抹并干燥后的样品在同一波长范围内的透射光谱。每个样品通常需测量至少3块不同基材（每块基材上测量多个不同位置，如3-5个点），以获得平均值和评估均匀性。
    • 仪器需配备积分球，确保收集所有透射光（包括直射光和散射光）。
  4. 数据处理与计算：
    • 使用专用软件根据标准算法处理透射光谱数据。
    • 计算MPFλ光谱。
    • 应用标准太阳光谱和红斑作用光谱权重，计算体外SPF值。
    • 计算临界波长(CW)。
  5. 质量控制：
    • 使用标准参比防晒样品（通常有高、中、低不同SPF值）定期验证仪器和方法的准确性及精密度。
    • 严格控制环境条件（温度、湿度）。
    • 确保操作人员经过培训，遵循标准操作规程(SOP)。

四、 关键影响因素

仪器法结果受多种因素影响，需严格控制：

  1. 基材特性： 表面粗糙度、材质均匀性、光学散射特性直接影响模拟皮肤散射的准确性。
  2. 涂抹均匀性与厚度： 涂抹量（2 mg/cm²）和均匀性是最关键的影响因素之一。微小的厚度差异会导致SPF值显著变化。
  3. 样品干燥条件： 温度、湿度、静置时间影响成膜状态和最终透射率。
  4. 仪器性能： 分光光度计的光度精度、波长精度、杂散光水平、积分球涂层反射特性等至关重要。
  5. 光学接触介质： 在样品表面与石英窗之间涂抹的透明介质（如甘油、水），用于减少空气间隙引起的反射损失，其折射率和涂抹量也需标准化。
  6. 计算方法： 所采用的标准太阳光谱和红斑作用光谱版本、积分步长、数据处理算法（如平滑处理）需明确并保持一致。

五、 优势与局限性

  • 优势:
    • 快速高效： 大幅缩短测试时间（数小时 vs. 数周），提高研发效率。
    • 客观性强： 消除人体测试的主观性和个体差异（肤色、皮肤状况、涂抹方式等）。
    • 成本较低： 无需招募受试者，降低人力和伦理成本。
    • 可重复性好： 在严格控制条件下，实验室内和实验室间精密度优于人体测试。
    • 无伦理限制： 避免使用人体志愿者。
    • 适用于早期筛选： 对配方进行大量、快速的初步评估和优化。
    • 稳定性测试： 更便捷地评估产品在储存或极端条件下SPF的变化。
  • 局限性:
    • 非直接等同人体SPF： 仪器法模拟的是光学防护潜力，不能完全替代人体测试评估防晒产品在真实皮肤上的生物防护效果（如汗液、摩擦、产品与皮肤相互作用的影响）。通常作为筛选或与人体测试结合使用。
    • 对高SPF值产品可能高估或低估： 对于SPF > 50+的产品，仪器法预测的准确性可能下降，与人体测试的相关性可能变弱。
    • 对某些配方敏感： 含有高浓度无机防晒剂（TiO₂, ZnO）的配方，其分散性、聚集状态在基材上的表现可能与在人体皮肤上不同；含有挥发性成分或易迁移成分的配方，其成膜特性在体外与体内可能存在差异。
    • 无法评估光稳定性： 标准仪器法（单次测量）不能直接模拟产品在日光照射下的光降解情况（需要额外设计光稳定性测试）。

六、 应用

仪器法在防晒产品开发和质量控制中扮演重要角色：

  1. 原料筛选与配方开发： 快速评估不同防晒剂组合、浓度、载体系统对防护效果的影响，加速配方迭代。
  2. 工艺优化： 评估生产工艺（如乳化、均质）对产品最终防护性能的影响。
  3. 稳定性研究： 监测产品在加速老化或长期储存过程中SPF和CW的变化。
  4. 生产质量控制 (QC)： 对生产批次的防晒产品进行SPF和CW的快速、标准化检测，确保产品符合规格要求。
  5. 法规支持与备案： 在某些法规框架下，体外数据可作为支持性材料提交（例如欧盟SCCS指南指出体外SPF可用于支持人体测试声明）。对于广谱防护要求（CW），仪器法是主要判定方法。

七、 结论

仪器法测定防晒指数（SPF）是基于光学原理的标准化体外测试方法。通过精确模拟防晒产品在特定基材上的光学行为，结合标准化的计算模型，能够快速、客观、可重复地评估产品的紫外防护潜力，特别是UVB防护（SPF）和广谱防护（CW）。虽然其不能完全替代人体测试作为宣称SPF值的唯一依据，但在防晒产品的研发、筛选、优化、稳定性考察和质量控制等环节，仪器法因其高效、经济和客观的优势，已成为不可或缺的强大工具。严格遵循标准操作流程（如ISO 24443:2021）并控制关键影响因素，是获得可靠、可比数据的基础。未来，随着光学模拟技术、基材开发和计算模型的持续进步，仪器法的准确性、适用范围以及与人体测试的相关性有望得到进一步提升。