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摘 要： 建立拉曼光譜對(duì)化妝品乳化劑原料品質(zhì)一致性快速鑒別的方法。以硬脂酰谷氨酸鈉、氫化卵磷脂、椰油酰谷氨酸鈉 3 種常用的化妝品乳化劑原料為研究對(duì)象，選取企業(yè)提供且經(jīng)確證質(zhì)量較好的化妝品原料作為標(biāo)準(zhǔn)品，采用自研便攜式拉曼光譜儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，通過 RACOFIC 系統(tǒng)建立標(biāo)準(zhǔn)品的拉曼數(shù)據(jù)譜庫，再將新批次原料所采集的圖譜與標(biāo)準(zhǔn)品拉曼譜庫進(jìn)行一致性比對(duì)。結(jié)果表明，該方法的方法學(xué)試驗(yàn)中測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.02%～0.67%（n=6），驗(yàn)證結(jié)果良好，6批次原料的拉曼光譜一致性值為0.952 8～0.998 3，與入庫的合格原料一致。該方法能夠運(yùn)用于化妝品原料的快速檢測(cè)，可作為企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量控制方法，同時(shí)也為化妝品的日常監(jiān)督監(jiān)管提供了技術(shù)支持。

 

關(guān)鍵詞： 拉曼光譜法； 化妝品乳化劑原料； 快速鑒別； 品質(zhì)一致性

 

伴隨著科技的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平普遍提高，美麗和健康成為大家共同追求的目標(biāo)，化妝品也成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵穂1]。近些年來，化妝品的安全問題日益突出，這些安全性問題大多與化妝品的原料密切相關(guān)[2]。我國是化妝品生產(chǎn)和使用大國，列入《已使用化妝品原料名稱目錄》（2021年版）的化妝品原料共8 972種[3]?；瘖y品是由多種原料按照配方比例加工制備而成，其中，乳化劑是其重要組分之一，對(duì)化妝品的外觀、理化特性和用途都有很重要的作用[4]。硬脂酰谷氨酸鈉、氫化卵磷脂、椰油酰谷氨酸鈉均有較好的助乳化作用，且刺激性較小，在化妝品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。原料是化妝品生產(chǎn)的源頭，不同批次和生產(chǎn)商之間的原料質(zhì)量存在較大的差異[5]，而原料驗(yàn)收又是化妝品質(zhì)量控制的重中之重[6]，生產(chǎn)企業(yè)缺少對(duì)到貨原料是否摻雜摻假的鑒別手段[7]。嚴(yán)格控制原料的質(zhì)量是保證化妝品安全性的最初環(huán)節(jié)和重要手段，目前該方面的研究較少，大多數(shù)原料缺乏相關(guān)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[8]，因此化妝品原料檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)非常有必要。拉曼光譜在化妝品應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道，主要包括化妝品中防腐劑、非法添加藥物、香料以及成品的分類研究等[9?13]，而使用拉曼光譜技術(shù)研究化妝品乳化劑原料的報(bào)道未見有。筆者采用便攜式拉曼光譜儀，建立了一種快速判斷3種化妝品乳化劑原料品質(zhì)一致性的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)化妝品原料的快速、無損定性分析。

 

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器工作原理

自研R10型便攜式拉曼光譜儀，尺寸為180 mm×95 mm×38 mm，重量約700 g，如圖1所示。該拉曼光譜儀配備高靈敏度的RACOFIC采集系統(tǒng)和功能強(qiáng)大的OriginPro 9.1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，支持云端檢索和云端數(shù)據(jù)管理；該光譜儀具有體積小、便于攜帶、操作簡便等特點(diǎn)，同時(shí)具備高分辨率和良好的穩(wěn)定性，能夠滿足現(xiàn)場快速檢測(cè)的需求。其光學(xué)系統(tǒng)采用先進(jìn)的光柵分光技術(shù)和高靈敏度探測(cè)器，可保證對(duì)微弱拉曼散射信號(hào)的有效捕捉和精確測(cè)量。在儀器校準(zhǔn)方面，用美國實(shí)驗(yàn)材料協(xié)會(huì)ASTME1840推薦的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行拉曼位移的校準(zhǔn)，需校驗(yàn)通過后才能進(jìn)行下一步操作，為獲取準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供保障。

圖1   拉曼光譜儀外觀圖

Fig.1   Appearance drawing of Raman spectrometer

1.2 主要儀器與試劑

電子天平：MS105DU型，感量為0.01 mg，瑞士梅特勒-托利多公司。聚丙烯自封袋：規(guī)格為15 cm×10 cm×0.12 mm，山東翔騰塑業(yè)有限公司。對(duì)照品：選取經(jīng)合作企業(yè)嚴(yán)格篩選并對(duì)3種原料使用的配方進(jìn)行打樣生產(chǎn)后，確證質(zhì)量較好的硬脂酰谷氨酸鈉、氫化卵磷脂、椰油酰谷氨酸鈉作為對(duì)照品，理化指標(biāo)如表1所示。

表1   3種對(duì)照品原料的理化指標(biāo)

Tab. 1   The physicochemical indicators of the three reference substance raw materials

 

樣品：包含硬脂酰谷氨酸鈉（批號(hào)分別為0023425913、0020816267、0024141070）、氫化卵磷脂（批號(hào)分別為1915901、2006501）、椰油酰谷氨酸鈉（批號(hào)為927816Q21），均由合作企業(yè)提供。

1.3 待測(cè)原料的制備

稱取對(duì)照品或目標(biāo)樣品5 g，置于潔凈透明的聚丙烯自封袋中，排出袋內(nèi)空氣后于常溫避光環(huán)境[溫度（25±2） ℃、相對(duì)濕度（50±5）%]保存。

1.4 圖譜采集

1.4.1 儀器工作條件

激光功率：300 mW；分辨率：8 cm-1；波數(shù)范圍：200～3 100 cm-1；激發(fā)波長：785 nm；積分時(shí)間：3 000 ms；單次采集時(shí)間：6～12 s。

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)光譜圖構(gòu)建

將對(duì)照品按 1.3方法處理后，設(shè)置拉曼光譜儀，在常溫避光環(huán)境條件下，使用儀器探頭垂直貼近對(duì)照品自封袋表面（距離不大于1 mm）進(jìn)行圖譜采集，通過“拉曼光譜-化藥快檢（RACOFIC）”分析系統(tǒng)建立含特征峰位置、強(qiáng)度及峰形信息的化妝品原料標(biāo)準(zhǔn)光譜圖，并對(duì)每種原料的標(biāo)準(zhǔn)光譜圖進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)注，包括原料名稱、類別、采集時(shí)間、采集人員、采集環(huán)境條件等信息，以便于后續(xù)的查詢、比對(duì)和管理。

1.4.3 快速檢測(cè)流程

按照1.3方法處理樣品，設(shè)置拉曼光譜儀為“快速檢測(cè)”模式，在常溫避光環(huán)境條件下，使用儀器探頭垂直貼近樣品自封袋表面（距離不大于1 mm）進(jìn)行圖譜采集，通過RACOFIC分析系統(tǒng)入庫后，使用OriginPro 9.1系統(tǒng)繪制結(jié)果，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)化妝品原料標(biāo)準(zhǔn)光譜圖進(jìn)行一致性比對(duì)并出具快檢分析報(bào)告。一致性值是通過命中率指數(shù)(HQI)[14]來量化每個(gè)匹配項(xiàng)的相似度，表示兩個(gè)光譜之間光譜相關(guān)系數(shù)。HQI的值介于0~1.0之間，數(shù)值越大，表示目標(biāo)樣品譜圖與已知的標(biāo)準(zhǔn)圖譜之間的相似度越高。

 

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器條件

激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，部分光子會(huì)被散射并發(fā)生頻率變化，這種頻率變化即為拉曼散射。拉曼散射譜是分子特有的指紋譜，可以提供分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等信息。拉曼光譜儀利用激光激發(fā)目標(biāo)樣品產(chǎn)生拉曼散射光通過光柵進(jìn)行分光[15]，光柵將不同波長的光在空間分離開來，分離后的拉曼光譜被傳送到光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)和記錄，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析，最終得到樣品的拉曼光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的分析和表征。拉曼光譜儀的檢測(cè)參數(shù)主要包括激光功率、激光波長、采集次數(shù)、波長范圍以及采集時(shí)間等。其中，激光功率和積分時(shí)間屬于可由操作人員依據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)設(shè)置的參數(shù)，激光功率的可選設(shè)置值為100、200、300 mW 3個(gè)檔位，而積分時(shí)間則可以設(shè)置為1 000、2 000、3 000 ms 3個(gè)不同選項(xiàng)。在實(shí)際檢測(cè)過程中，鑒于不同樣品拉曼信號(hào)強(qiáng)度存在差異，操作人員可根據(jù)目標(biāo)樣品拉曼信號(hào)的強(qiáng)弱，靈活地對(duì)激光功率和積分時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以獲取更為精準(zhǔn)、更具代表性的檢測(cè)結(jié)果，從而更好地滿足樣品分析需求。

2.1.1 儀器激光功率的選擇

為了確定最佳的激光功率，分別設(shè)置拉曼光譜儀激光功率為100、200、300 mW時(shí)采集圖譜，以激光功率300 mW時(shí)采集圖譜為參照，不同激光功率下的采集圖譜如圖1所示。從圖1可以看出，當(dāng)激光功率較低（100、200 mW）時(shí)，拉曼散射信號(hào)較弱，這是因?yàn)榧す饽芰枯^低，無法有效激發(fā)樣品分子產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的拉曼散射。在這種情況下，特征峰的強(qiáng)度較低，信噪比差，導(dǎo)致特征峰識(shí)別度相對(duì)較低，一些較弱的特征峰可能會(huì)被噪聲淹沒，無法準(zhǔn)確辨認(rèn)，從而影響對(duì)樣品的定性分析。而將激光功率提高至300 mW時(shí)，特征峰明顯增強(qiáng)，信噪比顯著提高，光譜的分辨率和靈敏度均得到優(yōu)化，能夠更清晰地分辨出樣品特征拉曼峰，可以滿足樣品分析需求，因此最終確定儀器的激光功率為300 mW。

2.1.2 儀器積分時(shí)間的選擇

為確定最優(yōu)的積分時(shí)間，分別設(shè)置拉曼光譜儀積分時(shí)間為1 000、2 000、3 000 ms時(shí)采集圖譜，以積分時(shí)間3 000 ms時(shí)采集圖譜為參照，如圖2所示。

圖2   不同激光功率下的采集圖譜

Fig. 2   Acquisition spectra under different laser powers

圖3   不同積分時(shí)間下的采集圖譜

Fig. 3   Collection spectra at different integration times

從圖2可以看出，較短的積分時(shí)間（1 000、2 000 ms）會(huì)使光譜信號(hào)的積累不足，特征峰輪廓不夠清晰，這是由于積分時(shí)間過短，探測(cè)器收集到的光子數(shù)量有限，導(dǎo)致光譜強(qiáng)度較低，容易造成特征峰丟失或誤判。當(dāng)積分時(shí)間延長至3 000 ms時(shí)，光譜信號(hào)充分積累，特征峰的形狀和位置穩(wěn)定，光譜強(qiáng)度達(dá)到理想水平，能夠提供更豐富的光譜信息，有助于對(duì)樣品進(jìn)行精確的定性分析，可以滿足樣品分析需求，因此最終選擇積分時(shí)間為3 000 ms。

2.2 方法學(xué)考察

2.2.1 專屬性試驗(yàn)設(shè)置

拉曼光譜儀為快速檢測(cè)模式，在常溫避光環(huán)境下，使用儀器探頭貼近未使用的透明潔凈自封袋作為空白進(jìn)行圖譜采集，然后通過RACOFIC分析系統(tǒng)入庫后進(jìn)行分析計(jì)算，與系統(tǒng)內(nèi)化妝品原料標(biāo)準(zhǔn)光譜圖進(jìn)行一致性比對(duì)。采集空白圖譜是為了確定在無樣品的情況下，儀器及空白自封袋是否會(huì)對(duì)拉曼光譜產(chǎn)生干擾信號(hào)，從而考查該方法的專屬性。3種原料拉曼光譜的主要特征峰見表2，專屬性圖譜如圖4所示。

表2   3種原料拉曼光譜的主要特征峰

Tab. 2   Main characteristic peaks of Raman spectra of three raw materials

 

圖4   專屬性圖譜

Fig. 4   Proprietary Atlas

從表2和圖4可以看出，空白自封袋在所采集的光譜范圍內(nèi)未出現(xiàn)與3種化妝品原料特征峰相重疊的干擾峰，且空白信號(hào)的強(qiáng)度較低，信噪比良好，表明該方法具有較好的專屬性，能夠準(zhǔn)確地對(duì)硬脂酰谷氨酸鈉、氫化卵磷脂、椰油酰谷氨酸鈉3種原料進(jìn)行定性檢測(cè)，而不會(huì)受到空白自封袋及其他無關(guān)因素的干擾。

2.2.2 采集區(qū)域差異性試驗(yàn)

按照上述儀器條件，分別在3種標(biāo)準(zhǔn)品的6個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行圖譜采集并對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，與系統(tǒng)內(nèi)原料標(biāo)準(zhǔn)光譜圖進(jìn)行一致性比對(duì)，采集區(qū)域差異性試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，3種原料不同區(qū)域采集的拉曼光譜一致性平均值分別為0.993 6、0.977 0、0.998 6，一致性值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為0.16%、0.58%、0.08%，表明在同一目標(biāo)樣品的不同區(qū)域進(jìn)行圖譜采集時(shí)，所獲得的光譜數(shù)據(jù)具有高度的一致性，采集區(qū)域?qū)Y(jié)果的影響較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可靠性。

表3   采集區(qū)域差異性試驗(yàn)結(jié)果

Tab. 3   Collect regional difference test results

 

2.2.3 重復(fù)性試驗(yàn)

按照上述儀器條件，在3種標(biāo)準(zhǔn)品的相同位置，連續(xù)采集拉曼光譜6次，在采集過程中盡量使每次采集的位置、角度等均保持一致，以最大限度地減少人為操作引起的誤差。對(duì)采集到的6次光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，與系統(tǒng)內(nèi)原料標(biāo)準(zhǔn)光譜圖進(jìn)行一致性比對(duì)，重復(fù)性試驗(yàn)樣品一致性測(cè)定結(jié)果見表4。由表4可知，3種原料重復(fù)性試驗(yàn)采集的拉曼光譜一致性平均值分別為0.996 3、0.972 3、0.998 7， 一致性值的RSD分別為0.11%、0.26%、0.02%，表明該方法具有良好的重復(fù)性，能夠在相同的條件下穩(wěn)定地獲取一致的光譜數(shù)據(jù)。

表4   重復(fù)性試驗(yàn)樣品一致性測(cè)定結(jié)果

Tab. 4   Repeatability test sample consistency determination results

 

2.2.4 穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照上述儀器條件，分別在第0、1、15、30、60、90 d使用拉曼光譜儀對(duì)3種標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行采集拉曼光譜，于不同時(shí)間點(diǎn)采集各原料3次，與系統(tǒng)內(nèi)原料標(biāo)準(zhǔn)光譜圖進(jìn)行一致性比對(duì)，取3次一致性平均值作為各時(shí)間點(diǎn)的一致性值。在不同的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行樣品采集時(shí)，確保儀器的參數(shù)設(shè)置、樣品的處理方式以及操作環(huán)境等因素保持一致，以準(zhǔn)確評(píng)估在不同時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性，結(jié)果見表5。由表5可知，3種原料穩(wěn)定性試驗(yàn)采集的拉曼光譜一致性平均值分別為0.995 7、0.960 9、0.998 9，一致性值的RSD分別為0.27%、0.67%、0.04%。其中，硬脂酰谷氨酸鈉、氫化卵磷脂、椰油酰谷氨酸鈉在各時(shí)間點(diǎn)的一致性值變化趨勢(shì)不同，但整體穩(wěn)定性良好。這表明3種原料在一定時(shí)間內(nèi)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能滿足測(cè)定需要，同時(shí)也反映出該方法在長時(shí)間檢測(cè)過程中的可靠性。

表5   穩(wěn)定性試驗(yàn)樣品一致性測(cè)定結(jié)果

Tab. 5   Stability test sample consistency determination results

 

2.3 樣品測(cè)定

按照上述儀器條件，使用拉曼光譜儀對(duì)不同批號(hào)目標(biāo)樣品進(jìn)行采集圖譜，與系統(tǒng)內(nèi)原料標(biāo)準(zhǔn)光譜圖進(jìn)行一致性比對(duì)，樣品測(cè)定結(jié)果見表6。通過對(duì)光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，一致性計(jì)算結(jié)果大于0.95認(rèn)為入庫與快檢樣品一致，0.90～0.95認(rèn)為入庫與快檢樣品疑似為不同批，小于0.90的認(rèn)為入庫與快檢樣品不一致。

表6   樣品測(cè)定結(jié)果

Tab. 6   Determination results of samples

 

由表6可知，6批次原料采集的拉曼光譜一致性值為0.952 8～0.998 3。其中，氫化卵磷脂的兩個(gè)批號(hào)樣品一致性值略低于硬脂酰谷氨酸鈉和椰油酰谷氨酸鈉，但均大于0.95，表明這些批次原料與入庫的合格原料一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了該拉曼光譜快速定性檢測(cè)方法在實(shí)際樣品檢測(cè)中的可行性和有效性，能夠準(zhǔn)確、快速地識(shí)別出符合質(zhì)量要求的化妝品乳化劑原料。

 

3 結(jié)論

建立了化妝品乳化劑原料硬脂酰谷氨酸鈉、氫化卵磷脂、椰油酰谷氨酸鈉的拉曼光譜快速定性檢測(cè)方法，該方法專屬性強(qiáng)，重復(fù)性、穩(wěn)定性好，具有很好的一致性鑒別效果。待測(cè)原料無需進(jìn)行前處理，大幅縮短了檢測(cè)時(shí)間，對(duì)人員操作技術(shù)要求較低，適合于基層應(yīng)用，該方法首次將拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于化妝品乳化劑原料的快速定性檢測(cè)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的研究空白，針對(duì)當(dāng)前企業(yè)缺乏原料摻假鑒別手段的痛點(diǎn)[16]，提供了一種非破壞性、快速篩查的技術(shù)參考方案，為化妝品原料驗(yàn)收和日常監(jiān)督監(jiān)管提供了技術(shù)支持。目前該方法僅為定性鑒別方法，無法量化原料純度或摻假比例；對(duì)于其他類型的乳化劑或化妝品原料的檢測(cè)能力尚未得到充分驗(yàn)證，應(yīng)用范圍有待進(jìn)一步拓展，在全面評(píng)估化妝品原料質(zhì)量方面還存在一定的局限性。下一步探索將拉曼光譜技術(shù)與其他定量分析方法相結(jié)合的可能性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)化妝品原料中有效成分含量的準(zhǔn)確測(cè)定；進(jìn)一步研究和完善拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)，使其能夠適用于更多種類的化妝品原料；收集不同批次、不同生產(chǎn)商原料的拉曼光譜數(shù)據(jù)，建立多維度、標(biāo)準(zhǔn)化的原料光譜數(shù)據(jù)庫，提升檢測(cè)方法的普適性和準(zhǔn)確性，為化妝品原料的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供更全面的依據(jù)。

 

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