【CIRS功效评价与技术实践】第26期——傅里叶变换红外显微光谱成像技术带你观察头发漂白损伤

染烫漂发早已是日常，但头发究竟是怎么被“漂伤”的，过去很难说清。近日，借助傅里叶变换红外显微光谱成像技术，把漂白剂在发丝内部的破坏过程展现了出来。

头发直径仅50-100 μm，外层是起保护作用的毛鳞片，中间占头发纤维总量90%的毛皮质才是决定发质强弱的关键。傅里叶变换红外显微光谱成像技术融合了光学显微镜与傅里叶变换红外光谱技术，具备高灵敏度与微区分析能力，检测限可达纳克（ng）甚至皮克（pg）级别，测量区域可小至微米级（如5-10 μm）。该技术对样品无损或微损，对样品大小、形状要求低。并且通过面扫描（Mapping）模式，可获得样品表面化学成分的分布图像，实现化学成像功能。

将黑色头发纤维切成约10 μm厚的横截面切片，贴于氟化钡红外载片，再用6%的过氧化氢在40℃下分别处理0、30、60、90、120 min，模拟头发漂白过程。利用傅里叶变换红外显微光谱成像技术在4000～900 cm⁻¹范围、4 cm⁻¹分辨率下以透射模式采集数据。

图1 (A)(左)人发横截面光学图像，(右)(a)毛皮质、(b)毛鳞片和(c)石蜡的酰胺I分布图像；(B)(左)(a)毛皮质、(b)毛鳞片和(c)石蜡的傅里叶变换红外光谱，(右)(a)毛皮质和(b)毛鳞片光谱中酰胺I和II区域的放大图谱。

结果表明，基于1658 cm⁻¹酰胺Ⅰ谱带的化学成像图可清晰地分辨毛皮质（红色）、毛鳞片（绿色）与石蜡包埋层（蓝色），毛鳞片层厚度约3-5 μm，与文献报道吻合。酰胺Ⅰ谱带（主要由肽键C=O伸缩振动产生）在头发检测中，核心意义是‌用来评估头发蛋白质的二级结构状态，比如α-螺旋、β-折叠等比例是否正常‌，从而反映头发的健康程度或受损情况。‌‌毛鳞片酰胺Ⅰ谱带展宽，这主要与毛鳞片中β-折叠相对含量更高、α-螺旋相对含量较低的二级结构构成有关。

图2 漂白前（0分钟）与漂白后（120分钟）的头发照片（左）；头发亮度随漂白时间变化曲线（右）

漂白前后照片对比显示，头发平均亮度由34升至103（0-255灰度标尺），褪色程度随漂白时间延长而增加。

图3 不同漂白时间下胱氨酸单氧化物分布图

漂白30 min时，标志二硫键氧化的胱氨酸单氧化物信号（1072 cm^-1）最先出现在毛鳞片与毛皮质交界处；随时间推移，该区域不断向内蔓延，90 min后已覆盖整个横截面——证实过氧化氢自毛鳞片渗透进入毛皮质。

图4 胱氨酸单氧化物谱带相对于酰胺Ⅰ谱带（1072 cm^-1/1658 cm^-1）的平均强度比（蓝色折线）与氧化峰面积比（黑色折线）随漂白时间的变化关系图

图4进一步显示，平均强度比在漂白初期（<60 min）迅速增大，并在60 min后趋于饱和，推断为过氧化氢在整个皮质层中的扩散进行得相对较快，使部分二硫键发生了初步断裂。峰面积比在漂白30 min后才出现滞后性上升，这表明有些二硫键隐藏在扩散路径沿途，需要更长的时间才能被氧化剂触及。

傅里叶变换红外显微光谱成像可同步采集样品红外光谱与目标化学物质分布信息，从空间维度表征漂白过程中特定化学基团的键断裂转化过程，还可以量化损伤程度与进程。胱氨酸单氧化物特征谱带可作为头发损伤程度的表征指标，为护发产品研发和发质评估提供了直观有力的工具。

参考文献

[1] Ryu, S. , Jang, W. , Yu, S. , Lee, B. , Kwon, O. and Shin, K. (2016) FT-IR Microspectroscopic Imaging of Cross-Sectioned Human Hair during a Bleaching Process. Journal of Cosmetics, Dermatological Sciences and Applications, 6, 181-190. doi: 10.4236/jcdsa.2016.65023.

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