Spektroskopia UV a kremy do opalania z filtrem

Wprowadzenie

Dwuatomowe cząsteczki tlenu atmosferycznego (O₂) pochłaniają promieniowanie nadfioletowe w zakresie długości fali 220-260 nm, a trójatomowe cząsteczki ozonu (O₃) pochłaniają promieniowanie o długości fali 240-290 nm.

Tlen O₂ i ozon O₃ znajdujące się w stratosferze skutecznie pochłaniają promieniowanie nadfioletowe w zakresie UV-C 220-290 nm, bardzo szkodliwe dla zdrowia człowieka.

Ozon pochłania również część promieniowania z zakresu UV-B 290-320 nm, chociaż mniej skutecznie. Gdy latem Słońce znajduje się wysoko nad horyzontem, część promieniowania z zakresu UV-B dociera do powierzchni Ziemi. Zjawisko dziury ozonowej zwiększa nasze narażenie na szkodliwe promieniowanie nadfioletowe.

Promieniowanie z zakresu UV-A 320-400 nm nie jest absorbowane w znaczącym stopniu przez składniki atmosfery. Dlatego, jeżeli chcemy się opalać, powinniśmy używać kremów chroniących nas przed szkodliwym dla zdrowia promieniowaniem UV-A i UV-B. Taką funkcję pełnią kremy z filtrem, pochłaniające część promieniowania nadfioletowego.

W jaki sposób kremy z filtrem chronią naszą skórę?

Kremy z filtrem tworzą coś w rodzaju zapory przeciwdziałającej pochłanianiu szkodliwego promieniowania nadfioletowego przez skórę. Składniki kremu rozpraszają lub pochłaniają to promieniowanie.
Aktywne składniki kremu, absorbując promieniowanie nadfioletowe ulegają wzbudzeniu do wyższego stanu energetycznego, a następnie powracają do stanu podstawowego emitując pochłoniętą energię w postaci nieszkodliwego promieniowania podczerwonego (IR). Innymi słowy, składniki te przekształcają szkodliwe promieniowanie nadfioletowe w nieszkodliwą energię cieplną. Najczęściej są to związki organiczne o stosunkowo dużych cząsteczkach. Do najczęściej stosowanych należą:

Składniki rozpraszające promieniowanie nadfioletowe to przede wszystkim związki nieorganiczne, najczęściej dwutlenek tytanu (TiO₂) i tlenek cynku (ZnO). Ponieważ skutecznie rozpraszają światło, pozostawiają na skórze białą warstewkę. Ten typ ochrony często stosują gracze w krykieta. Biała warstewka na skórze nie wygląda zbyt estetycznie, dlatego producenci kremów używają bardzo drobno zmielonych tlenków z dodatkiem substancji zapobiegających ich zlepianiu.

Co decyduje o skuteczności kremu z filtrem?

Miarą skuteczności ochrony przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym jest tzw. faktor SPF. Wartość SPF 15 oznacza, że skóra posmarowana kremem i wystawiona na promieniowanie słoneczne ulegnie poparzeniu w czasie piętnastokrotnie dłuższym niż skóra bez kremu. Ponieważ 99% promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi to promieniowanie z zakresu UV-A, to wydawać by się mogło że kremy powinny być szczególnie skuteczne właśnie przeciwko temu promieniowaniu. Jednakże UV-A powoduje jedynie niewidzialne zmiany w skórze, takie jak starzenie się i uszkodzenia DNA, za oparzenia odpowiedzialny jest przede wszystkim UV-B. Dlatego dobre kremy ochronne powinny absorbować nadfiolet w szerokim zakresie długości fali, w rezultacie produkty te zawierają złożoną mieszaninę różnych związków chemicznych. Im więcej promieniowania UV pochłania i rozprasza dany krem, tym skuteczniej chroni skórę.

Sposób postępowania

1. Odważ 0,1g pierwszej próbki do czystej, suchej zlewki szklanej.
2. Dodaj 20 ml etanolu do zlewki i dobrze wymieszaj. Próbka może wymagać łagodnego ogrzewania na płytce elektrycznej (Uwaga: nie stosuj płomienia!). Bardzo możliwe, że nie cała próbka ulegnie rozpuszczeniu, biały osad pozostający na dnie zlewki jest zjawiskiem normalnym
3. Powtórz procedurę dla kolejnych 5 próbek kremu, aby otrzymać ich roztwory.
4. Umieść pusty blister w spektrometrze UV. Wprowadź 5 kropli etanolu do pierwszego zagłębienia w blistrze. Za pomocą pokręteł ustaw wartość odczytu na 100. Te urządzenia są bardzo czułe, dlatego czynność ta wymaga staranności i użycia pokrętła do precyzyjnej regulacji. (Patrz instrukcja na laminowanym arkuszu).
5. Umieść 5 kropli każdego roztworu próbki w kolejnych zagłębieniach blistra i umieść blister w spektrometrze. Odczytaj i zapisz wartości transmitancji.
6. Sporządź wykres transmitancji w funkcji rodzaju próbki, aby przeanalizować zaobserwowane trendy.
   
   

Wskazówki praktyczne

• Biały osad pozostający na dnie zlewek z roztworami próbek to substancje nierozpuszczalne w kremie. Uważaj, aby nie przenieść ich do blistra, gdyż mogą wpłynąć na mierzone wartości.
• Ze względu na konstrukcję spektrometru, długość drogi światła przez próbkę jest równa głębokości roztworu. Dlatego bardzo ważne jest wprowadzanie identycznej objętości roztworu do każdego z zagłębień. W przypadku nieprzestrzegania tej zasady uzyskuje się bardzo zmienne wyniki.
• Jeżeli ćwiczenie wykonywane jest przez większą liczbę uczniów, wskazane jest aby zbadać roztwory w etanolu o innym stężeniu. W ten sposób będzie można łatwiej zauważyć trendy na podstawie wykresów dla różnych stężeń (patrz przykładowe dane).
  

Bezpieczeństwo

Etanol

• Wysoce łatwopalny – przechowywać z dala od ognia i źródeł zapłonu.
• Drażniący dla skóry i dla oczu – stosować fartuch laboratoryjny i okulary ochronne.
• Nigdy nie należy spożywać etanolu w laboratorium.

Spektrometr UV

• Nie patrzeć bezpośrednio na źródło promieniowania UV. Źródło promieniowania UV można włączyć tylko po zamknięciu pokrywy komory pomiarowej.
  

Wnioski

• Nie wszystkie kremy z filtrem są jednakowo skuteczne w ochronie przed promieniowaniem nadfioletowym. Chociaż wartości SPF podane na etykietach są takie same, nie oznacza to że absorbują nadfiolet w jednakowym stopniu.
• Różnica między kremami SPF 30 i 15 nie jest taka wielka, jak można by się było spodziewać. Chociaż nie ma na to dowodu, wydaje się że rozumne stosowanie kremu SPF 15 może być równie efektywne jak stosowanie kremu o wyższej wartości SPF.
• Faktor SPF nie jest precyzyjną, naukową miarą skuteczności kremu z filtrem. Ponieważ opiera się na testach na skórze ochotników, wyniki mogą być różne. Badanie przeprowadzone przez konsumencki magazyn "Which?" wykazało, że wartości SPF mogą się różnić nawet ±6.
  

Przykładowe pytania i problemy

1. Oblicz średnią wartość transmitancji dla każdego kremu.
   • Średnia arytmetyczna jest wystarczająca. Patrz przykładowe dane.
2. Przedstaw swoje wyniki na wykresie. Na osi X umieść pięć różnych kremów. Na osi Y umieść średnie wartość transmitancji, obliczone w punkcie 1.
   • Patrz przykładowe dane.
3. Przeanalizuj wykres i odpowiedz na pytania:
   1. Jak myślisz, który krem z filtrem jest najbardziej skuteczny?
      • Wystarczy aby uczniowie stwierdzili, że najlepszy jest krem o najniższej transmitancji. W naszym przypadku jest to Nivea Sun SPF 30 albo Asda Smart Price SPF 15 (marka własna supermarketu). Najmniej efektywny według tej metody jest Ambre Solaire Spray.
   2. Kremy Nivea kosztują 45 PLN, Ambre Solaire 25 PLN, a kremy Asda 14 PLN. Dla którego kremu stosunek skuteczności do ceny jest najkorzystniejszy?
      • Dla badanego zestawu Asda Smart Price SPF 15.
   3. Jakie są ograniczenia i problemy związane z przedstawioną techniką pomiaru?
      • Możemy zmierzyć tylko absorbancję związków rozpuszczalnych w etanolu. Próbki najprawdopodobniej będą zawierały białą pozostałość dwutlenku tytanu lub tlenku cynku. Ten ostatni jest najbardziej skuteczny w ochronie przed UV-A.
      • Z powyższych przyczyn badanie wypada korzystniej dla kremów zawierających więcej substancji organicznych. Kiepski wynik dla Ambre Solaire wynika prawdopodobnie z wysokiego udziału cząstek nieorganicznych.
      • Mierząc masę próbki nie bierzemy pod uwagę różnic stężenia. Bardzo prawdopodobną przyczyną niskich wyników dla Ambre Solaire jest fakt, że jest to spray i zawiera więcej rozpuszczalników zwiększających płynność preparatu. W bardziej rygorystycznym teście należy to wziąć pod uwagę. Warto tutaj podkreślić, że obniża to również stosunek skuteczności do ceny, gdyż trzeba użyć więcej preparatu aby osiągnąć właściwy efekt.
      • W ogóle, wyniki nie są specjalnie wiarygodne. Chociaż daje się zaobserwować ogólne trendy, mierzone wartości będą silnie zależeć od długości drogi światła przez próbkę. Jeżeli uczniowie przypadkowo wprowadzą zbyt wiele roztworu, krem wyda się bardziej skuteczny.
4. Badanie zostało przeprowadzone z wykorzystaniem wody zamiast etanolu jako rozpuszczalnika. Zmierzona wartość transmitancji dla Ambre Solaire wyniosła około 25, a dla pozostałych czterech kremów około 60.
   1. Jak myślisz, dlaczego w przypadku Ambre Solaire otrzymujemy tak różne wyniki w etanolu i w wodzie?
      • Najprawdopodobniej ze względu na różnicę rozpuszczalności składników w różnych rozpuszczalnikach. Kremy rozpuszczające sie lepiej w etanolu zawierają większe stężenie składników aktywnych i lepiej absorbują promieniowanie nadfioletowe, podobnie dla wody. Spray Ambre Solaire lepiej rozpuszcza się w wodzie i zawiera prawdopodobnie mniej związków organicznych o dużych cząsteczkach.
   2. Dlaczego może to stanowić poważny problem dla tego produktu?
      • Kremy z filtrem są kupowane przede wszystkim przez plażowiczów i turystów udających się do ciepłych krajów. Wielu z nich będzie zażywało kąpieli w morzu lub basenie, co będzie powodowało szybkie zmywanie się kremu ochronnego. Z tego względu lepszym rozwiązaniem jest krem wodoodporny, wymagający mniej częstego stosowani
   3. Jak myślisz, dlaczego pozostałe kremy wykazują podobną transmitancję?
      • Pozostałe cztery kremy zawierają prawdopodobnie podobne ilości składników rozpuszczalnych w wodzie.

Przykładowe dane

Karta pracy ucznia

Opracowanie: Daniel Wolstenholme, Tim Harrison (Bristol ChemLabS)