臺灣化學教育

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
*[email protected]

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。

圖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。

圖2：24格細胞培養塑膠盤（左），維大力汽水（右）。

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X牌SPF30防曬乳，第四組塗抹曼X牌SPF50，第五組塗抹蜜X牌SPF48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130cm²（13cm×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。

圖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。

圖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。

圖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。

圖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。