利用光柵光譜儀測量防曬護膚品的透光率

夏 楓，孫振寧，沈桂平，馮江華，高玉琳

(廈門大學 電子科學系，福建 廈門 361005)

近代物理實驗是理工科大學物理類本科生必須選修的實驗課程，也是本科生進行科研訓練的入門階段課程[1-2]. 將日常生活用品作為實驗樣品，可以豐富實驗教學內容，同時可以在學生的應用能力和創新能力培養中探索新的方法和途徑[3]. 多功能光柵光譜儀是高校近代物理實驗室的常用儀器，常用來做發射光譜實驗. 本文對WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀進行改造，設計了樣品槽和樣品池，檢測了防曬護膚品的防曬效果. 實驗采用緊密結合生活中具體應用的方式，既豐富了實驗教學內容，又提高了學生實驗的積極性.

1 實驗儀器

1.1 WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀

WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀采用切爾尼-特納(Czerny-Turner)系統,主要由入射狹縫、放射準光鏡、光柵器件、物鏡、出射狹縫、光電轉換器、A/D采集電路以及計算機等組成，內部光路如圖1所示. 光柵光譜儀通過光電轉換器采集數據,再通過計算機處理分析數據并顯示譜線圖，數據處理結果簡單、直觀.

M1.反射鏡 M2.準光鏡 M3.物鏡 M4.平面反射鏡G.平面衍射光柵 S1.入射狹縫 S2.外接光電倍增管接收器 S3.外接CCD接收器圖1 WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀的 內部光路圖

選擇光譜范圍合適的光源，應用光柵光譜儀檢測發射光通過防曬護膚品的透射率，可以快捷地判斷防曬護膚品的防曬效果[4].

1.2 實驗光路的改造

在原有測量發射光譜實驗的基礎上，若增加測量需求，必須在測量光路中放入測量樣品，所以在多功能光柵光譜儀的光源和入射狹縫中間要放置樣品槽以及與樣品槽配套的樣品池. 樣品槽如圖2所示，樣品池如圖3所示，要求樣品池可以很切合地放入樣品槽中. 樣品槽外殼采用鑄鐵，增加穩定性，光路中透光材料和樣品池的材料采用高純度光學石英玻璃(最好為透紫外材料)，不影響樣品的吸收譜.

圖2 樣品槽示意圖

圖3 樣品池示意圖

1.3 實驗光源的選擇

為了選擇更好的光源模擬太陽紫外線，在不使用樣品的前提下，先用多功能光柵光譜儀對溴鎢燈、氫燈、氦燈、氘燈、鈉燈、紫外線燈等光源進行光譜測量分析，測試結果表明：只有紫外線燈在200～400 nm處有較高的能量譜，顯示該光源最接近太陽光，因此選擇紫外線光源作為本次實驗的光源.

1.4 光柵光譜儀的調校

利用標準鈉光譜線——雙黃線對光譜儀進行校正：先將鈉燈作為光源，用光柵光譜儀進行掃描,將掃描結束后得到的雙譜線與鈉雙黃譜線做對比. 要求誤差在±1 nm內,若誤差超過1 nm,則需要用軟件進行修正[5].

2 樣品涂層的制備

用棉簽蘸取一定量的防曬護膚品均勻地涂抹在樣品池沿光路一側的內壁上(圖4).

為了保證每次防曬護膚品涂層厚度一致，可以采取如下方法：

1)控制棉簽每次都吸取定量的護膚品，要均勻涂滿整個樣品池的光程面；

2)用棉簽涂抹防曬護膚品涂層時，要盡量做到棉簽和樣品池玻璃是面接觸，而不是點接觸.

第一次實驗，用棉簽蘸取15 mL的防曬護膚品均勻地涂抹于樣品池沿光路一側的內壁上(如圖4). 薄涂層為在樣品池單面內壁上有效覆蓋試樣，厚涂層為在樣品池對應雙面內壁上覆蓋試樣，即厚涂層相當于2層薄涂層，防曬護膚品用量為30 mL. 第二次實驗，用棉簽蘸取20 mL的防曬護膚品，重復上述操作.

圖4 樣品涂層的制備示意圖

3 實驗方法

1)調整紫外線光源、透鏡、樣品槽和狹縫在同一光軸上，保證光源射出光線通過樣品池，并聚焦在入射狹縫處且射入狹縫里(圖5).

圖5 實驗裝置實物圖

2)將光柵光譜儀的工作模式選擇為“基線”模式，在樣品槽不放入樣品的前提下，對紫外線光源進行光譜測量，測得基線光譜圖以做參考.

3)在樣品槽中放入樣品，將光柵光譜儀的工作模式選擇為“透光率”模式，樣品槽內放置不同樣品分別測量其透光率.

4 實驗測量結果及分析

4.1 不同SPF值和PA值的試樣

不同SPF值和不同PA值的防曬護膚品試樣的透光率測量結果如圖6～7所示.

圖6 不同SPF值防曬護膚品的透光率(PA+++)

圖7 不同PA值防曬護膚品的透光率(SPF30)

由圖6和圖7可以看出：SPF值和PA值越大的防曬護膚品，對紫外線的隔離能力越強；具有相同SPF值的防曬護膚品，PA值越大，對長波段(315～400 nm的UVA波段)紫外線的隔離能力越強；具有相同PA值的防曬護膚品，SPF值越大，對中短波段(200～315 nm的UVB和UVC波段)的紫外線的隔離效果越好[6].

4.2 SPF值和PA值相同，不同涂層厚度的試樣

不同厚度涂層SPF50 PA++++的防曬護膚品的透光率如圖8所示. 由圖8可以看出：同一指標的防曬護膚品，厚涂層對紫外線的隔離能力相對較強[7]，但超過一定厚度以后，隔離的效果并不是線性增加.

圖8 不同厚度涂層的防曬護膚品的透光率

4.3 SPF值和PA值相同，且涂層厚度也相同，暴曬不同時長的試樣

將涂抹厚度相同的SPF50 PA++++試樣，放置在陽光下暴曬，經過2，4，6 h后，再取回實驗室測試樣品的透光率[8]，檢測結果如圖9所示. 由圖9可以看出：暴曬2 h后防曬護膚品的防曬能力沒有顯著變化，而在暴曬4 h后防曬能力有所下降，在暴曬6 h之后防曬效果就已經大幅度降低[9].

圖9 暴曬不同時長防曬護膚品的透光率

5 結束語

通過對WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀做簡單的改造，拓展了實驗儀器的功能，把實驗理論和實踐緊密地聯系在一起. 這為即將加入科研實踐的學生打下堅實的基礎，也為進入社會參加工作的學生開拓了創新思路[10].