UV spektroskopija in kreme za sončenje

Osnove

Atmosferski dvoatomarni kisik (O₂) odbija ultravijolično svetlobo približno od valovne dolžine 220 nm pa do 260 nm, triatomarni kisik (ozon, O₃) pa odbija svetlobo valovne dolžine od 240 nm pa do 290 nm.

UV-C sevanje ima valovno dolžino od 220 nm pa do 290 nm, zato stratosferski kisik O₂ in O₃ odbijata to zelo škodljivo UV-C sevanje.

UV-B sevanje ima valovno dolžino 290 nm do 320 nm.   Ozon odbija nekaj sevanja v območju med 290 in 320 nm ( absorpcija ozona pri teh valovnih dolžinah je šibka), vendar, ko je sonce visoko na obzorju, kot recimo poleti, prehaja več UV-B sevanja skozi ozonsko plast.   Z uničenjem ozonske plasti, pa se naša izpostavljenost UV-B sevanju še povečuje.

UV-A sevanje ima valovno dolžino od 320 nm do 400 nm, in v ozračju ni snovi, ki bi absorbirali v tem valovnem območju. Zato potrebujemo sončno zaščito pred UV-A in UV-B sevanjem, saj lahko dosežeta zemeljsko površje in sta škodljivi za našo kožo. Sončne kreme so namenjene odbijanju nekaj tega ultravijoličnega sevanja.

Kako sončne kreme ščitijo našo kožo pred poškodbami?

Sončne kreme v obliki umetne pregrade, preprečujejo, da bi naša koža vsrkala te škodljive žarke in s tem preprečujejo poškodbo kože. Namesto tega sončna krema absorbira ali razprši svetlobno energijo.

Aktivna komponenta v sončnih kremah, ki absorbira UV svetlobo, je v vzbujenem ter višjem energijskem nivoju in se lahko vrne v osnovno energijsko stanje z emisijo IR sevanja.   V bistvu, sončna krema vsrka škodljivo UV sevanje in ga spremeni v neškodljivo toplotno energijo.   Spojine, ki to zagotavljajo so pogosto velike organske molekule.   Nekatere najbolj pogoste so:

Sun-reams that scatter UV are often inorganic; the most common being titanium dioxide (TiO₂) and zinc oxide (ZnO). They scatter light and leave a white film on the skin. These are the types of sun-block favoured by cricketers., This isn’t always the most appealing option. To get round this, manufacturers use very small particle sizes for the oxides and prevent them sticking together by using chemicals to keep them separated.

Kaj naredi dobra sončna krema?

Zaščitni faktor ( Sun Protection Factor - SPF) je merilo, kako učinkovito sončna krema preprečuje poškodbe kože s strani sončne svetlobe. SPF 15 pomeni, da je lahko koža izpostavljena petnajstkratni količini UV svetlobe preden postane opečena. Od UV svetlobe, ki doseže površje Zemlje, je skoraj 99 % UV-A, zato mora biti sončna krema zelo učinkovita pri absorpciji v tem valovnem območju. Kakorkoli je UV-B sevanje odgovorno za opekline, medtem, ko UV-A sevanje povzroča nevidne poškodbe, kot so staranje kože in poškodbe DNA. Da je sončna krema dobra mora absorbirati svetlobo širokega spektra UV valovnih dolžin, zato vsebujejo kompleksne zmesi kemikalij. Več UV svetlobe kot lahko sončna krema absorbira ali razprši, boljša je za zaščito naše kože.

Postopek

1. Natehtajte 0,1g vzorca vaše sončne kreme v stekleno čašo.
2. V čašo dodajte 20 ml etanola in dobro premešajte.   Vzorec je morda potrebno rahlo segreti na vroči plošči (opomba ne na plamenu!).   Verjetno niso vsi vzorci popolnoma topni, zato je normalno, če na dnu čaše ostane malo bele trdne snovi.
3. Ta postopek ponovite za več različnih krem, da pridobite vsaj 5 različnih raztopin.
4. Postavite čist blister v UV-VIS spektrometer in dodajte v blister 5 kapljic etanola. Uravnajte prepustnost tako, da se na zaslonu izpiše vrednost 100,0.   Naprava je zelo občutljiva, zato je potrebno previdno vrteti gumb za fino uravnavanje prepustnosti.  
5. Kanite pet kapljic raztopine vsakega vzorca v eno od vdolbin na blistru, blister vstavite v spektrometer in odčitajte prepustnosti vseh vzorcev. Zabeležite nove vrednosti za prepustnosti.
6. Narišite graf prepustnosti v odvisnosti od vzorca za analizo trendov pri vzorcih.
   

Praktični vidiki 

• Vsaka bela trdna snov, ki ostane v etanolu, je mešanica netopnih spojin v sončni kremi. Pomembno je, da vzorec v blistru ne vsebuje teh netopnih spojin, ker bo to vplivalo na rezultate.
• Zaradi zasnove spektrometra je dolžina poti celice v bistvu globina raztopine. Zato je pomembno, da je v vsako vdolbinico blistra odmerjena podobna količina raztopine. Če tega ne upoštevamo, rezultati niso primerljivi.
• Poskus ni posebno robusten, zato če ni številnih skupin, ki izvajajo poskus hkrati, je priporočljivo opraviti poskus z različnimi volumni dodanega etanola (tj. različne koncentracije). Tako bo lažje videti trende v grafu, ki prikazuje vse različne koncentracije hkrati.(Glej primer.)

Varnostna opozorila

Etanol

• Lahko vnetljivo - shranjuj stran od plamena in virov vžiga.
• Draži kožo in oči - laboratorijski plašč in očala se nosijo skozi celoten poskus.
• V nobenem primeru ni laboratorijski etanol za zaužitje.

UV Spektrometer

• Ne glejte direktno v vir UV svetlobe. Samo, ko je pokrov zaprt, lahko vklopite vir UV svetlobe.

Sklepi

• Niso vse sončne kreme enako sposobne absorbirati ultravijolično svetlobo. Samo zato, ker imajo, enak SPF, še ne pomeni, da vse kreme absorbirajo enako učinkovito.
• Razlike med SPF 30 in SPF 15 kremami niso tako velike kot, bi pričakovali. Čeprav ni dokazano, pa najverjetneje lahko trdimo, da je lahko krema z SPF 15 s smiselno uporabo prav tako učinkovita kot krema z višjim zaščitnim faktorjem.
• Tudi znanstveni način merjenja moči sončne kreme SPF ni 100 % natančen! To je zato, ker sloni na testiranjih na koži prostovoljcev in so lahko rezultati različni.   Raziskava med bralci revije "Which?" kaže, da se lahko rezultati za SPF razlikujejo kar za ± 6.
  

Primeri odgovorov in komentarjev

1. Izračunajte povprečne prepustnosti za vsako sončno kremo.
   • Aritmetična sredina je vse, kar je potrebno tukaj.   Glejte Primer.
2. Izdelajte graf za rezultate.  Na x-os, postavite pet različnih krem.   Na Y-os pa prepustnosti, z vašimi povprečnimi rezultati, ki ste jih izračunali v delu 1.
   • Glejte primer.
3. S pomočjo grafa odgovorite na naslednja vprašanja:
   1. Katera sončna krema je po vašem mnenju najboljša?
      • Pri tem preizkusu, prepoznamo vzorec z najnižjo prepustnostjo kot najboljši. To je tudi vse, kar je treba. V primeru vzorčnih podatkov, je to lahko Nivea Sun SPF 30 ali Asda Smart Price SPF 15 (lastna blagovna znamka).   Najmanj učinkovita pri tem testiranju je Ambre Solaire Spray.
   2. Nivea kreme stanejo 10 £, Ambré Solaire 7 £ in Asda kreme 3 £. Katera je najboljša glede na ceno?
      • V našem primeru je to Asda Smart Price SPF 15.
   3. Kakšne so omejitve in težave z uporabo te tehnike?
      • Merimo lahko samo absorbance, ki jih povzročajo snovi, ki so topne v etanolu. Vzorci bodo najverjetneje vsebovali nekatere bele ostanke, ki verjetno vsebujejo TiO₂ in ZnO. Slednji je eden izmed najbolj učinkovitih pri zaščiti pred UV-A sevanjem.
      • Zaradi prejšnjih razlogov, je test pristranski za sončne kreme, ki večinoma vsebujejo organske spojine. Verjetno je krema Ambre Solaire tako slaba, delno tudi zato, ker ima večji delež anorganskih delcev.
      • Z merjenjem mase vzorca nismo upoštevali razlike v koncentracijah. Najverjetnejši vzrok za slabo delovanje Ambré Solaire je, da je to krema v obliki razpršila in najverjetneje vsebuje večji delež topila. Dober test bi to upošteval. Prav tako je vredno omeniti, da to pomeni večjo uporabnost razpršila, s čimer se zmanjša njegova denarna vrednost.
      • Rezultati niso posebej zanesljivi po svoji naravi. Medtem, ko je trende prikazane spodaj treba upoštevati, saj se lahko dejanske vrednosti močno razlikujejo zaradi različnih dolžin poti. Če študent po nesreči preveč napolni eno od vdolbin v blistru in je verjetno, da se bo zdel ta vzorec najbolj učinkovit.
4. Test je bil ponovno uporabljen z vodo kot topilom namesto etanola. Pri Ambré Solaire je bila izmerjena prepustnost približno 25, medtem ko so drugi štirje vzorci imeli vrednosti približno 60.
   1. Zakaj mislite, da je taka razlika med vrednostmi Ambré Solaire v vodi in etanolu?
      • To je najverjetneje posledica relativne topnosti snovi v različnih topilih. Kreme, ki se bolje raztopijo v etanolu, imajo višje koncentracije aktivnih sestavin in zato bolje absorbirajo UV svetlobo, enako velja za vodo. Ambré Solaire Spray je bolj topen v vodi.
      • Zakaj bi lahko bila topnost v vodi velik problem za ta izdelek?
      • Največji uporabniki sončnih krem so med počitnicami kmetje in turisti v vročih državah. Mnogi uporabniki sončno kremo verjetno uporabljano na plaži ali bazenu, kjer bi vodotopne kreme zelo hitro sprali. V odoodporna krema je torej bolj priporočljiva, saj zahteva manjšo porabo. Ciničen študent bi lahko opozoril, da je to bonus za proizvajalca, saj bi to pomenilo pogostejšo zamenjavo izdelka!
   2. Zakaj mislište, da druge sončne kreme kažejo podobno prepustnost?
      • Druge štiri sončne kreme verjetno vse vsebujejo podoben delež sestavin, ki so topne v vodi.

Primer rezultatov

Delovni list za študente

Avtorji: Daniel Wolstenholme in Tim Harrison (Bristol ChemLabS)