創意化學實驗:攔截紫外線,效果看得見!/ 蔡威任、陳昭錦

星期三 , 4, 七月 2018 Leave a comment

創意化學實驗:攔截紫外線,效果看得見!

蔡威任1、陳昭錦2,*

1中國醫藥大學中醫學系
2
國立臺灣師範大學附屬高級中學

*t35116@ntnu.edu.tw

n  前言

今年五月臺灣提早進入夏季,連續數月的高溫讓許多常在戶外活動的人們難以招架豔陽的威力,氣象局人員也持續提醒大家不可忽略防曬的重要性。在陽光下長時間的曝曬可能導致人類皮膚老化甚至引發黑色素瘤,各種防曬乳液因應而生。消費者購買防曬乳時,通常會先注意到商品上標示的防曬係數SPF,防曬係數愈高的產品愈可能受到青睞。它們是否真的有較佳的防曬效果呢?消費者如何能感受這些產品的差異呢?

本創意實驗設計,選用在紫外光照射下會分解的維他命B2,將其配成水溶液,觀測其在陽光照射下的濃度變化。改變不同防護條件,以可見光分光光度計分析維他命B2溶液照光後吸收度和濃度隨時間的變化情形,如此可在不傷害人體的前提下,觀測不同防護條件下維他命B2濃度的衰退速率,以比較不同防曬乳阻隔紫外線的效果。

n  原理和概念

維他命B2又稱為核黃素(riboflavin),是一種橘黃色結晶性粉末,微溶於水,水溶液為黃綠色螢光,其外觀、溶液顏色及結構式,如圖1所示。對熱甚安定,但對光甚敏感,特別是紫外線,其水溶液照光後顏色會變淺,因此要儲存於深色瓶中。

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1:維他命B2粉末(左),維他命B2水溶液(中),維他命B2結構式(右)。

(圖片來源:維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/核黄素

若在沒有任何防護下,放置於維他命B2溶液在陽光下曝曬,溶液的顏色會逐漸消褪。若在盛裝維他命B2溶液的容器外塗上防曬乳加以保護,則溶液的顏色消褪的速率應該會變慢,藉此可以比較不同防曬乳阻隔紫外線的效果。

n  實驗器材與試劑

(一)實驗器材與設備

電子秤、透明塑膠片、燒杯、玻棒、滴管、比色管、試管、試管架、塑膠尺、安全吸球、分度吸量管、封口膜、塑膠盆、24格細胞培養塑膠盤(見圖2)、比色燈、分光光度計SP-830+

(二)藥品

維他命B2粉末、維他露P健康微泡飲料、維大力汽水、各種品牌防曬乳、護手霜。

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224格細胞培養塑膠盤(左),維大力汽水()。

n  實驗步驟

1.        配製3公升100 ppm維他命B2溶液,避光保存,亦可用市售的維他露P健康微泡飲料(維他命B2含量0.12mg/100g)或維大力汽水(維他命B2含量0.75mg/100g)代替。

2.        檢量線製作

(1)      首先要找出最適合的可見光分析波長,文獻指出維他命B2溶液在440~460nm有較大的吸收。我們先把100 ppm維他命B2溶液放置於比色管中,選擇分析波長範圍為400~500 nm,波長間隔為5 nm,進行光譜分析。找出吸收值最大時的波長,約在445 nm

(2)      利用分度吸量管和安全吸球,分別稀釋100 ppm溶液為80 ppm, 60 ppm, 40 ppm, 20 ppm, 10 ppm

(3)      設定分析波長為445 nm,分別測定前述六種不同濃度的維他命B2溶液的吸收值,每個溶液樣品均測3個數據取平均值。

(4)      吸收度對濃度作圖,找出迴歸直線方程式。

3.        每組不同防護條件下,使用一個24格細胞培養塑膠盤,其中每4格為一組(見圖3左),如此每種相同條件(相同照光時間、相同防護)均可獲得4組數據。它的優點是可以一次進行多組比較,藥品用量少,且移動過程中較不會因晃動而使藥品灑出。再者,其上可以覆蓋塑膠片,其上塗抹不同的防護物質,如此可以方便地取得多組數據。

4.        把透明塑膠片裁成恰可覆蓋塑膠盤的大小,第一組在其上不塗抹任何物質,第二組塗抹護手霜,第三組塗抹妮XSPF30防曬乳,第四組塗抹曼XSPF50,第五組塗抹蜜XSPF48防曬乳。

5.        為使塗抹的防護物質質量和厚度盡可能相等,可依據防曬劑SPF值體內測定法的規定,塗抹量為2.0mg/cm2,透明塑膠片總面積為130cm213cm×10cm),每張總塗抹量260mg,先將塑膠片放置於電子秤上,歸零後以塑膠滴管慢慢滴加260mg的防護物質於塑膠片上,其上再覆蓋另一張相同的塑膠片,以使防護物質能形成均勻厚度。

6.        覆蓋前述塗布不同防護物質的透明塑膠片於塑膠盤上,五組塑膠盤同時放置於陽光下曝曬,每隔10分鐘收回塑膠盤,每個塑膠盤吸出其中4格溶液,分別置於試管中,貼上標籤並封口避光保存。剩餘溶液繼續照光,直到所有溶液均照光後移至試管為止,最後的4格溶液照光時間為60分鐘(見圖3右)。

7.        在分光光度計中,選擇分析波長為445 nm,針對未防護及其他四種防護條件下的各組維他命B2溶液,測量其吸收度。

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3:照光前的維大力汽水(左),陽光照射90分鐘後的維大力汽水(右)

n  結果與討論

一、   不同防護條件下的照光反應觀測結果

不同防護條件下維他命B2溶液濃度隨照光時間的變化情形,如圖4所示。

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4:不同防護條件下維他命B2溶液濃度隨照光時間的變化,左為長條圖,右為折線圖。

不同防護條件下維他命B2溶液濃度隨防護條件的變化情形,如圖5所示。

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5:不同防護條件下維他命B2溶液濃度隨防護條件的變化

二、   比較不同防護條件下阻隔紫外線的效果

欲將各種防護條件阻隔紫外線的效果予以量化,可以從維他命B2濃度衰退的速率來看,維他命B2溶液未受保護下濃度下降很快。若有防曬乳等物質的防護,濃度下降速率較慢,分解率較小,代表維他命B2殘留量高,亦即阻隔紫外線的效果較佳。

n  教學建議

l  若維他命B2粉末不易購買,可用市售飲料維他露P或維大力汽水代替。

l  若使用維大力汽水在未防護下照射陽光,約經過45~90分鐘曝曬後,顏色會消褪,視當日陽光中紫外線強度而異。

l  若實驗室沒有分光光度計,可利用基礎化學(三)平衡常數測定實驗中介紹的比色法,透過目視比色,仍然可以比較不同防護條件下,維他命B2溶液照射陽光後濃度的衰退情形。

l  若採用目視比色法,維他命B2溶液需要的量較多,可用培養皿取代前述的細胞培養塑膠盤,如圖6所示。若使用培養皿,透明塑膠片總面積約為100cm2,每張總塗抹量200 mg

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6:培養皿盛裝維他命B2溶液曝曬於陽光下(左),曝曬時間不同的維他命B2溶液(右)

n  參考資料

1.      王正坤(2012)。醫學美容與皮膚保養。臺南市:藝群國際企業。

2.      孫昀妘、陳振興、李淑芬、古素貞、李佳晉、黃素卿編著(2007)。化妝品化學。臺中市:華格那企業。

3.      蔡威任、許敦淯、蔡秉諺(2012)。以維他命B2溶液照光反應比較暢銷品牌防曬乳之防曬效果。中學生網站。http://www.shs.edu.tw/works/essay/2012/04/2012040314564848.pdf

4.      蔡琦、蘇玉燕、張乃元、王月花、梁建成、官長慶編著(2008)。化妝品化學。新北市:新文京開發。

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