环特生物斑马鱼和大小鼠实验中心
环特生物公司电话服务热线:0571-83783679
斑马鱼与大小鼠模型实验中心

NEWS

新闻中心

公司新闻 首页 > 公司新闻 >

前沿技术 | 拉曼光谱在化妆品透皮吸收中的应用

发布时间:2024-02-21

目前最常用的检测化妆品成分透皮吸收的方法为体外扩散池法,但常规的扩散池法无法检测活性物质渗透到皮肤的具体位置且无法成像,而拉曼光谱可准确定位活性物质的扩散程度且可视化。

近年来拉曼光谱的应用范围越来越广泛,在纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构方面都有很大价值。目前最常用的检测化妆品成分透皮吸收的方法为体外扩散池法,但常规的扩散池法无法检测活性物质渗透到皮肤的具体位置且无法成像,而拉曼光谱可准确定位活性物质的扩散程度且可视化。因此,拉曼光谱技术这一新型光学检测手段在透皮吸收领域日益受到关注和重视。

✦ 什么是拉曼光谱?

1928年,印度物理学家C. V. Raman他们在用汞灯的单色光来照射CCl4液体时,在液体的散射光中观测到了频率低于入射光频率的新谱线。光照射到物质上时会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分。非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分,统称为拉曼(Raman)效应。

由于拉曼谱线的数目,位移的大小,谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此,对拉曼光谱的研究,也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定,分子结构的研究谱线特征。

拉曼(Raman)光谱基本原理是研究分子和光相互作用的散射光的频率。一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成,每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。在拉曼光谱中可以得到以下信息:

根据谱峰的位置可以分析待检物的化学组成,结构,构象,形态,即为成分分布图;

根据频率位移可以分析待检物的应力,温度,即为属性分布图;

根据半高宽可以分析待检物的结晶度,亦属属性分布图;

根据强度可以分析待检物的浓度或物质的量,即为浓度分布图。

图注:拉曼成像空间分布信息

拉曼光谱与红外光谱分析方法比较

拉曼光谱与红外光谱都能获得关于分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况,从而可以用来鉴定分子中存在的官能团。但两者产生的原理和机制都不同,在分子结构分析中,拉曼光谱与红外光谱相互补充,一些在红外光谱无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。

红外光谱侧重于检测基团,适用于极性键,多用于测有机物,拉曼光谱检测分子骨架,适用于非极性键,有机无机均可测试。

图注:拉曼光谱与红外光谱对比

✦ 拉曼光谱技术在皮肤领域的研究进展

皮肤作为人体最大的器官,是保护人体不受外界物质入侵的屏障,皮肤中含有水分、胶原蛋白、类胡萝卜素和脂质等物质,各种物质协同作用共同维持皮肤结构的完整,皮肤的完整性对于维持人体正常的生理功能十分重要。

通过分析皮肤中各种组织成分的含量和分布可以评价皮肤的健康状况。皮肤类的疾病在临床上大多依赖医生的主观判断,常用的检测手段会对患者造成伤害,缺乏无创检测手段。所以对皮肤疾病的快速无创诊断是目前临床急需的检测手段。拉曼光谱能够实时无损伤地完成对皮肤各种物质的检测,为皮肤疾病的诊断提供了一种新思路。

图注:拉曼光谱的广泛应用

01-皮炎

皮肤炎症会破坏皮肤对于外界的屏障作用。拉曼光谱为皮肤炎症的诊断提供了一种新型的无标签临床高分辨率成像诊断方法,可以实现快速早期诊断。有研究者采用多变量曲线分辨率解析皮肤共聚焦拉曼数据中高波数的水、蛋白质和脂质3种成分,通过分析这3种物质的相对质量,验证了非病变和皮炎病变皮肤部位的拉曼光谱存在统计学差异。

02-黑色素瘤

皮肤黑色素瘤是最致命的皮肤癌形式,传统方法对于黑色素瘤的排查需要对人体的痣进行大量活检,其中包含很多的良性痣,而对良性痣的检测不仅对皮肤造成伤害,且浪费时间和经济成本。利用拉曼光谱可实现了人皮肤中黑色素瘤的快速非侵入性体内检测,为黑色素瘤相关的无损非离体检测提供了一种新方法。

03-皮肤光老化

皮肤长期暴露在阳光下会破坏皮肤的胶原蛋白网络,导致光老化,形成皱纹。皮肤的正常衰老和光化学衰老同样可以用拉曼光谱区分,2020年Kourbaj等通过拉曼光谱检测不同的人群发现,真皮中的水分含量可用于评价人体光老化程度。

✦ 拉曼光谱技术在透皮吸收领域的应用

拉曼光谱法是一种无损、非侵入式的光学检测技术,具有多种研究的潜力。以近红外激光为光源,在共焦显微镜模式下,它可以监测皮肤层的生物化学特征,并以高分辨模式直达皮肤表面100μm以下。拉曼光谱技术在大多数情况下不需要样品制备,除了对样品直接检测外,还可以通过液体、玻璃和其他介质直接测量样品。

图注:化妆品乳液成像对比图

皮肤角质层在大部分部位厚度仅为10-30μm,但对于活性成分能否通过皮肤角质层到达给药部位有很大限制。目前,常规用于测试制剂透皮情况方法并不能直接可视化或实时监测药物或活性成分在皮肤中的渗透情况。此时,拉曼光谱技术是一种原位无损的分析方法,可实时获取药物在皮肤中分布情况,实现活性成分经皮渗透领域的可视化分析。

拉曼光谱结合共聚焦技术,还可实现原位在体分析。共聚焦拉曼光谱(Confocal Raman Spectroscopy,CRM)技术是将拉曼光谱分析与光学共聚焦成像有机融合,将激光束准确聚焦到检测样本上以获得样品的光谱信息,能全面直观地呈现样品的化学组成及空间分布信息。共聚焦拉曼光谱不受样品剂型限制,是检测化妆品中有效成分渗透性的新型手段,可以解决人体功效评价的在体、实时的皮肤内部改善效果评估。

图注:三维成像分析-产品中表面活性剂在皮肤中的渗透

图注:活体分析案例-涂抹在手上烟酰胺成像

✦ 拉曼光谱技术在化妆品研究领域的应用

拉曼光谱作为一种新型的无创光学检测手段,具有原位、无创、实时、高时间和空间分辨率等优势,不仅可以解决护肤品活性成分的渗透评价、促渗体系的评价,还在化妆品领域应用提供创新研究思路,为化妆品活性组分的选择,配方的搭配及化妆品成品的开发提供了有力的支持。目前拉曼光谱技术应用的化妆品品类包括日常护肤面霜,精华液,爽肤水,洗发水,头皮精华液,粉底液和口红等。

01-活性组分的选择

拉曼光谱技术研究活性物质或药物输送到皮肤的分析,大多是通过沿垂直于皮肤表面的线获取光谱或通过拉曼成像。不仅可以监测活性成分在皮肤中的渗透深度,同时还可以将活性成分在皮肤中的分布情况可视化。

图注:拉曼成像研究案例-利多卡因

图注:活性物渗透分布研究案例-维生素B3

02-配方快速筛查

基于拉曼光谱技术的分析结果,可以快速比较各种不同活性物促渗效果,从而筛选出活性物的最优渗透体系,从而对化妆品的配方进行优化。通过调整不同成分的比例和组合方式,改善产品性能,提高稳定性和安全性,为处于孵育阶段的配方研发提供强有力的技术支持。

图注:配方优化案例-不同配方添加剂的渗透成像

03-新产品功效评价

拉曼光谱技术还可以用于验证化妆品新产品的功效性。例如,通过该技术可以观察化妆品对皮肤结构和功能的影响,从而评估新产品在保湿、紧致、修护等方面的效果。可以生动地展示活性物在皮肤里的具体位置,配合相关的的功效测试结果,为即将上市的新产品功效宣称提供可视化理论依据,全方位提升新产品营销能力。

04-护发类产品功效研究

利用拉曼光谱技术,可以对头皮的组成进行详细的分析,这包括头皮的油脂、蛋白质、水分等关键成分,结合头皮的成分特点,可以为护发产品的研发提供针对性的方向。通过观察护发成分在头皮中的扩散和渗透深度,了解产品对头皮的滋养和护理效果;通过观察头发二硫键的修复情况和活性物质渗透程度,评价护发产品的修复效果。

图注:拉曼技术在头发修复中的应用

环特化妆品CRO服务站结合拉曼光谱技术,从定性和定量的角度研究化妆品中活性成分在皮肤中的渗透特性,包括渗透深度及渗透量,为活性成分的作用机理研究提供一定技术支持。这不仅是拉曼技术在化妆品透皮吸收研究领域的创新应用,更为活性成分在皮肤中的吸收动力学研究及配方优化提供新的研究思路。技术咨询请联系:17364531293(微信同号)

经过几十年的发展,拉曼光谱技术已经取得了巨大的进步,在不同领域中得到了广泛的应用。拉曼光谱在皮肤研究中有诸多应用,包括皮肤成分分析,透皮吸收监测和分析,皮肤病学中的诊断功能。

利用拉曼光谱技术研究活性成分在皮肤中的渗透浓度分布,可以为产品处方优化、功效评价等提供重要的数据支撑。未来,拉曼数据分析还可以结合人工智能实现更多跨场景应用,在临床及制药相关领域,无损分析与监测技术将会越来越受青睐。

参考文献:

[1]沈心怡,胡韵池等.拉曼光谱成像技术在药物经皮渗透行为考察中的应用.中国医药工业杂志,2023,54(5):683-690.

[2]刘娟,贾雪婷,杨丽,苏宁等.应用共聚焦拉曼光谱法对烟酰胺在人体皮肤角质层渗透性的研究.日用化学工业,2021,51(2):104-108.

[3]周明辉,廖春艳,任兆玉等.表面增强拉曼光谱生物成像技术及其应用.中国光学,2013,6(5):633-642.

[4] Yan Kang, Feiyu Zhang. Image of the distribution profile of targets in skin by Raman spectroscopy-based multivariate analysis. Skin Research and Technology.2021:402-409.

[5] 郭博远,赵鹏翔,王惠等.拉曼光谱在皮肤领域的研究进展[J].生物技术进展,2022,12(01):44-49. 

[6] KOURBAJ G, BIELFELDT S, SEISE M, et al.. Measurement of dermal water content by confocal RAMAN spectroscopy to investigate intrinsic aging and photoaging of human skin in vivo[J]. Skin Res. Technol., 2020,27(3):404-413.

[7] 袁榕穗,吴植强等.基于空间位移拉曼光谱的皮肤含水量无创检测[J].光子学报,2023,52(9):0930003.

[8] 曾琦,刘瑞,王楠等.拉曼光谱技术在医学检验领域中的研究进展(特邀)[J].光子学报,2021,50(10):1017002.

[9] 刘娟,杨丽等.共聚焦拉曼光谱法在β-熊果苷经皮渗透性研究中的应用.日用化学工业,2019,49(7):452-455.