TiO2与ZnO紫外线过滤剂光诱导活性氧的抑制：材料设计与评价方法学框架

《ChemistrySelect》：Mitigating Photoinduced Reactive Oxygen Species From TiO2 and ZnO UV Filters: Materials Design and Evaluation

　　

二氧化钛（TiO₂）和氧化锌（ZnO）是广泛使用的紫外线（UV）衰减材料，但这些半导体的光激发可通过界面氧化还原反应产生活性氧（ROS）。其氧化活性并非固有常数，而取决于晶体结构、粒径与形貌、表面缺陷、涂层、聚集状态、周围基质及辐照条件。本综述系统审视了颗粒工程、掺杂、表面钝化、抗氧化功能化、复合架构及配方策略对光诱导ROS的控制作用。代表性研究报道， selected dopants可使ROS相关或光催化信号降低约30%–40%，无机表面涂层可降低约60%–70%，固定化或多层钝化可达约80%–90%，而优化的金属-酚网络涂层已实现所测光诱导ROS的>99%抑制。分析手段包括电子顺磁共振（EPR）、化学探针、光催化氧化测定、色谱分析及生物学氧化应激终点，本文依据其实际测量过程进行批判性比较。提出三级框架：比较性筛选、机制确认及应用相关验证。由于目前尚无通用ROS阈值界定UV过滤剂安全性，该框架强调互补终点、辐照与材料特性的完整报告，以及确认ROS抑制在最终配方中持续存在且不损害光防护性能。

1 引言

防晒产品旨在减少太阳紫外线（UV）辐射的不良效应，同时保持光稳定性、皮肤相容性、配方稳定性及可接受的感官性能。二氧化钛（TiO₂）和氧化锌（ZnO）因其广谱衰减能力和较高光稳定性而被广泛用作矿物UV过滤剂。然而，二者均为半导体材料，可发生光激发并参与表面氧化还原反应，产生潜在有害的活性氧（ROS），如超氧阴离子、羟基自由基、过氧化氢和单线态氧。光催化活性与防晒性能的相关性不能仅从矿物颗粒本身判定。在商业配方中，TiO₂和ZnO受晶相、粒径与形貌、表面缺陷、聚集、涂层及周围配方基质（如油脂、硅油、表面活性剂、聚合物、抗氧化剂及其他UV过滤剂）的影响，这些因素可改变颗粒分散、氧与水可用性、ROS淬灭及氧化性物种的迁移性。因此，简化悬浮液中裸颗粒的测量结果不应直接外推至成品防晒产品。矿物表面产生的ROS可能氧化配方组分，或在逃离颗粒微环境后与生物靶标相互作用。不同ROS的反应性和寿命差异显著：高反应性羟基自由基主要在生成位点附近起作用，而较长寿命的物种如过氧化氢可扩散更远。颗粒表面ROS的检测并不必然表明活体皮肤中存在生物学意义的氧化暴露。降低光催化氧化活性的策略可在三个相互关联的层面加以考虑：颗粒工程可通过晶相选择、粒径与形貌控制、掺杂或复合设计改变固有光活性；表面钝化可减少矿物核与周围反应物接触、改变界面电荷转移或限制ROS迁移；配方层面方法包括抗氧化剂掺入、受控分散和成膜系统，可进一步限制残余氧化活性或下游氧化传播。重要的是，最有用的策略不一定是在简化测定中产生最低ROS信号的策略；防晒产品还必须保持足够的UV防护。文献解读因氧化活性评估方法繁多而进一步复杂化。电子顺磁共振（EPR）和自旋捕获可提供自由基物种的机制信息，化学探针靶向特定氧化剂，染料降解测定测量总体光催化氧化，而细胞测定、氧化损伤生物标志物及重建或离体皮肤模型评估逐步更具生物学相关性的后果。这些终点不可互换，辐照条件、颗粒特性、测试基质和测定化学的差异使研究间直接比较困难。近期综述已涉及无机UV过滤剂安全性、配方、功效、环境影响或理化表征。Thy等综述了无机UV过滤剂的机制、评估方法、毒性和安全性增强，Araki和Baby强调了安全性、功效和环境考量。然而，这些综述并未主要围绕连接半导体结构与界面化学至ROS形成、清除、迁移限制、下游氧化损伤及区分这些过程所需分析方法的化学反应方案来组织证据。本综述通过将材料设计、表面化学、配方效应和机制区分的评估整合于聚焦控制光诱导氧化活性的单一框架中，填补这一空白。因此，本综述整合TiO₂和ZnO基UV过滤剂产生ROS的光化学起源、材料工程、表面化学及分析评估。光氧化活性不被视为固定材料属性，而是由内在和外在因素共同决定的系统依赖性结果。提出分级评估框架，将快速光催化筛选与机制表征及应用相关验证相连接。

2 文献检索与范围

采用叙述性文献综述，检索Web of Science、Scopus和PubMed，Google Scholar用于补充检索。检索时间为2026年1月至2026年9月，纳入截至2026年9月发表的文献。检索词包括二氧化钛、氧化锌、矿物防晒、无机UV过滤剂、ROS、光催化活性、掺杂、表面涂层、表面修饰、抗氧化剂、EPR、自旋捕获和氧化应激的组合。纳入经同行评议的研究，需涉及TiO₂或ZnO光反应性、ROS控制策略、UV过滤剂性能、相关分析方法或皮肤/配方响应。光催化和光动力治疗研究仅在提供可转移机制信息且在讨论中明确标识时纳入。与光诱导氧化活性或UV过滤剂行为无关的研究被排除。经相关性筛选后，94篇文献纳入最终定性综合。由于研究间实验条件差异较大，证据以定性方式综合而非荟萃分析。使用涂层或化妆品级颗粒、配方相关系统及成品或皮肤相关模型的研究被赋予更大的解释权重。本综述聚焦TiO₂和ZnO基防晒产品中光催化氧化活性的抑制及用于评估该活性的方法；环境归趋和更广泛的纳米颗粒毒理学仅在有助于防晒配方或ROS行为解读时加以考虑。

3 TiO₂和ZnO产生ROS的光化学起源

TiO₂和ZnO是半导体材料，当吸收能量等于或大于其带隙的光子时可发生光激发，机制见图1。光激发将电子从价带提升至导带，并在价带留下带正电的空穴。这些光生电子-空穴对可复合消散吸收能量，或迁移至颗粒表面与吸附氧、水、氢氧根离子及周围配方组分参与氧化还原反应。电荷复合与界面电荷转移之间的平衡因此是光催化活性的主要决定因素。在颗粒表面，导带电子可将分子氧还原为超氧阴离子（O₂^•?），价带空穴可氧化水或表面羟基生成羟基自由基（^•OH）。超氧阴离子可随后参与质子转移和歧化反应，促成过氧羟基自由基和过氧化氢（H₂O₂）的形成。单线态氧（¹O₂）也可通过光诱导途径产生，但其贡献取决于颗粒组成、表面状态和辐照条件。这些物种不应被视为等同，因其反应性、寿命和扩散行为差异显著。导带和价带的能级位置决定哪些界面氧化还原反应在热力学上可行。锐钛矿TiO₂带隙约3.2 eV，金红石通常接近3.0 eV；ZnO通常表现为约3.2–3.4 eV的直接带隙。约中性pH下的代表性水相带边估计值：锐钛矿TiO₂导带约?0.3至?0.5 V（相对于标准氢电极NHE），价带约+2.7至+2.9 V；ZnO分别报道约?0.31和+2.89 V。这些带边位置足以支持O₂还原和羟基自由基形成途径。pH 7下相对于NHE的报道电位约为O₂/O₂^•? ?0.16至?0.33 V，H₂O/^•OH +2.27至+2.31 V，但精确值取决于标准态约定和反应定义。晶相影响TiO₂光反应性，锐钛矿在匹配模型条件下常表现出比金红石更高的光催化活性。因此，富含金红石的牌号通常被选用于化妆品应用。形貌同样影响暴露晶面、吸附位点、缺陷密度和电荷传输。个别研究报道特定ZnO形貌（包括纳米棒）具有更高光催化活性，但此类排序依赖于合成和测定条件，不应在ZnO材料间推广。此外，仅晶相并不能预测ROS产生。表面缺陷如氧空位、羟基、杂质位点和吸附离子可作为电荷陷阱或影响界面电子转移。取决于缺陷类型和密度，它们可促进复合或增加可用于表面反应的电荷载流子寿命。这些效应有助于解释组成和尺寸相似的材料为何表现出不同ROS谱。ROS形成位置在防晒系统中尤为重要。高反应性羟基自由基预计在颗粒表面附近反应，通过配方迁移的机会有限，而较长寿命的氧化剂如H₂O₂可扩散更远并参与二次反应。超氧阴离子和单线态氧同样表现出不同的化学行为和寿命。因此，矿物表面ROS的检测并不必然意味着相同物种到达活体皮肤或产生生物学氧化应激。ROS反而可能在配方中被淬灭或在到达生物靶标前与附近配方组分反应。颗粒尺寸也影响光催化行为。减小粒径通常增加比表面积及可用于吸附氧和水的位点数，可增加表面氧化还原反应机会。同时，较小颗粒在防晒配方中有用，因其减少可见泛白并可保持有效UV衰减。然而，相关性并非如此简单。聚集、涂层、形貌和表面缺陷可显著改变可及表面积和电荷行为，名义尺寸相似的颗粒可能产生不同氧化响应。在实际防晒系统中，固有颗粒性质仅代表整体氧化行为的一部分。商业矿物UV过滤剂在配方前通常经涂层或表面处理。表面修饰可改变半导体核与氧或水的直接接触、改变界面电荷转移并限制反应性物种远离颗粒表面的运动。因此，使用裸实验室级TiO₂或ZnO测得的光催化活性不应自动外推至涂层化妆品级材料。周围配方进一步改变颗粒行为。矿物过滤剂通常分散于含油脂、硅油、表面活性剂、聚合物、保湿剂、抗氧化剂及某些产品中有机UV过滤剂的复杂基质中。这些组分可影响氧和水可用性、颗粒聚集、ROS清除及氧化产物的迁移性。某些成分可作为自由基清除剂，而其他成分可作为氧化底物。疏水处理还可减少矿物表面与水相域的接触。因此，矿物过滤剂的氧化响应在干粉、水悬浮液、化妆品分散体、乳液和涂抹防晒膜之间可能显著不同。辐照条件引入进一步变异来源。ROS产生取决于光谱分布、辐照度、光照持续时间及样品温度和几何构型。当入射波长与TiO₂或ZnO吸收带重叠时，较高辐照度和较长暴露通常增加电子-空穴产生概率。在实际使用中，防晒膜还受不均匀涂抹、皮肤地形、汗液、皮脂、水暴露和摩擦影响，所有这些均可改变颗粒分布和涂层完整性。综上所述，这些因素表明光催化氧化活性应被视为系统依赖性属性而非TiO₂或ZnO的固定特征（表1）。测量响应反映半导体结构、颗粒尺寸和缺陷、表面处理、聚集、配方环境及辐照条件的综合效应。这一概念是文献解读的核心，并为评估旨在降低氧化活性同时保持有效防晒性能的策略提供机制基础。

4 控制光诱导ROS的化学与材料策略

降低光催化氧化活性的策略可在三个层面考虑：矿物颗粒修饰、颗粒-配方界面钝化及配方层面残余ROS控制。这些方法应保持UV防护、透明度、分散性和配方相容性，而非仅在简化悬浮液中最小化ROS。

4.1 颗粒工程

颗粒工程旨在降低TiO₂或ZnO的固有光活性。掺杂可改变能带结构、缺陷态及电荷载流子捕获和复合，但其对光活性的影响强烈依赖于掺杂剂身份、浓度和合成条件。在防晒导向系统中，Mn掺杂TiO₂将自由基产生降低>90%，Na和Al掺杂ZnO将亚甲基蓝降解率从未掺杂ZnO的66%分别降至46%和38%。然而，掺杂并不固有地抑制光反应性。Yin和Casey发现Fe掺杂降低ZnO溶解但增加ROS相关细胞损伤，而Mn掺杂ZnO也产生升高的细胞内ROS。Arshad等同样报道Sn掺杂ZnO的光催化活性增强。这些对比结果表明掺杂剂可促进复合或引入增强氧化活性的电荷捕获和缺陷态。因此，掺杂剂稳定性应与相关辐照和基质条件下的光反应性和溶解性一并考虑。复合颗粒设计可在降低光活性的同时改善UV衰减。Reinosa等开发了分级ZnO/TiO₂颗粒，报道UV防护提高约50%且光降解低于常规颗粒。这可解释为粗糙表面减少光吸收，以及ZnO/TiO₂分级复合物提供更高UV防护和更低光降解，机制依赖于架构。二氧化硅处理ZnO/TiO₂复合物也显示出改善的UV屏蔽和降低的光催化活性。除ZnO和TiO₂外，其他无机材料正被探索作为防晒UV过滤剂。例如，二氧化铈（CeO₂）因其4f价电子壳层结构和丰富电子跃迁能级而对光吸收（尤其UV辐射）高度敏感；它还避免传统过滤剂常见的苍白外观。用氧化钙（CaO）掺杂CeO₂可通过减少自由基形成和潜在增加带隙宽度降低光催化活性。类似地，磷酸铈（CePO₄）表现出降低的光催化活性，有助于防止有机材料降解。羟基磷灰石是人骨中发现的生物相容材料，是皮肤科应用的另一合适替代品。当掺杂各种二价和三价离子时，它提供无光催化的UV屏蔽。然而，其商业采用受监管批准、毒理学评估、制造可扩展性、成本和消费者接受度限制。因此，近期化妆品开发更可能依赖已批准TiO₂和ZnO的安全设计版本而非全新矿物UV过滤剂。另一考虑是ROS控制策略的耐久性。合成后立即测量的表面钝化可能在储存、反复辐照、水暴露或pH变化中不持久。Slomberg等发现疏水TiO₂纳米复合物上的Al₂O₃涂层在水相老化后仍可检测，而另一TiO₂材料上99%–100%的SiO₂钝化层在模拟淡水和海水中48 h后溶解，留下光催化活性接近裸金红石TiO₂的产物。ZnO面临额外挑战，因其可溶解为Zn²⁺，溶解强烈依赖pH和介质并可能被太阳辐照增强。尽管水生老化条件不能直接外推至局部使用，这些发现表明涂层完整性和颗粒溶解是动态属性。因此，反复辐照和储存研究应评估涂层完整性、ROS活性、抗氧化剂消耗及ZnO的Zn²⁺释放。总体而言，颗粒工程可在源头减少ROS形成，但其有效性仍取决于后续表面处理和配方条件。

4.2 表面钝化与功能化

表面处理是化妆品矿物过滤剂最直接相关的策略之一，因其控制半导体表面与周围配方之间的相互作用。涂层可物理隔离矿物核与氧和水、改变界面电荷转移、限制ROS迁移或引入局部自由基清除功能。二氧化硅和氧化铝是最成熟的无机钝化材料之一。El-Toni等表明，在优化溶剂热条件（200°C，15 h）下制备的致密二氧化硅壳强烈抑制TiO₂光催化，而不完整或多孔涂层保留残余活性；增加钝化还可能因TiO₂分数稀释而略微降低UV屏蔽。最近，Katsanou等报道在UVA/UVB测试下，未涂层TiO₂的亚甲基蓝降解约64%，SiO₂涂层为55%–59%，Al₂O₃-SiO₂涂层为22%–24%。这些结果表明涂层组成和架构可显著改变测得的光反应性，但定量值不应在未考虑实验条件的情况下跨研究直接比较。因此，涂层性能应与壳厚度或负载量、涂层连续性和孔隙率、辐照光谱和剂量、颗粒浓度及所用方法一并解读。某些涂层架构通过限制反应性物种而非完全阻止其形成来降低氧化暴露。例如，氧化钇（Y₂O₃）具有高氧亲和力，可阻断从TiO₂核到表面反应物的电荷载流子转移，从而增强UV衰减同时抑制光催化活性。Chen等开发了中空CeO₂/ZnO结构，其中羟基自由基被显著减少或保留在中空颗粒架构内。这说明了三种可能缓解机制的重要区别：抑制ROS形成、形成后化学清除及限制ROS迁移。同时，有机和疏水涂层可额外改变颗粒润湿性和分散性。聚合物涂层已降低ZnO系统的光催化活性，而壳聚糖包封同样被用于抑制TiO₂光催化，作为牺牲或抑制层。然而，表面修饰并不总是意味着钝化。例如，Ancona等开发了脂质涂层ZnO专门作为光动力治疗的ROS产生平台并改变ROS形态，而非降低光催化活性。抗氧化功能化将自由基清除基团直接置于颗粒界面。例如，Battistin等用酚类抗氧化剂衍生物功能化TiO₂并观察到增强的抗氧化活性，归因于自由基清除及改变的表面可及性。多层系统可结合多种机制。Li等报道TiO₂经顺序SiO₂和氨丙基硅烷修饰后光催化活性降低约十倍。聚乙烯亚胺功能化二氧化硅涂层进一步改善羟基自由基抑制和ROS清除，而在Al₂O₃涂层TiO₂上添加二次硬脂酸层通过增加疏水限制降低降解。含多酚杂化涂层也可提供物理钝化。Choi等开发了带外部单宁层的TiO₂-SiO₂杂化物，产生的^•OH和H₂O₂少于原始TiO₂。该效应部分归因于单宁中的没食子酰基团，其可向自由基捐赠氢原子或电子并通过共振稳定所得苯氧自由基，从而在颗粒界面附近淬灭ROS。近期研究进一步证明多酚基表面工程的多功能性。Choi等用单宁酸金属-酚网络（MPN）涂层TiO₂，在6 h内抑制光诱导ROS达99.9%，同时将SPF和UVA防护提高约四倍。Choi等将MPN概念扩展至ZnO，其中颗粒自身释放的Zn²⁺引发单宁酸络合和氧化；所得涂层抑制>99%的光生成ROS并将SPF和UVA防护提高约三倍。Huang等进一步将单宁酸修饰TiO₂ incorporated into玉米淀粉基质用于Pickering乳液，强烈抑制^•OH和O₂^•?同时改善UV屏蔽和细胞相容性。将矿物过滤剂固定于较大载体结构内提供了限制直接颗粒暴露的另一手段。TiO₂ incorporated into纤维素纳米纤维显示出改善的UV阻断和比游离TiO₂低约80%的光催化活性。在UVA和UVB照射下，^•OH被报道比h⁺对光降解贡献更强，表明羟基自由基控制在这些复合系统中尤为重要。类似固定化概念已应用于负载于明胶介孔二氧化硅（如GSBA-15）上的ZnO。然而，增加的载体负载必须与透明度、负载能力和感官性能平衡。介孔二氧化硅涂层可用于空间分离矿物和有机UV过滤剂。Lin等将阿伏苯宗和氧苯酮 incorporated into SBA-15涂层TiO₂，而Ma等将TiO₂和DHHB共包封于介孔二氧化硅纳米颗粒内。这些架构减少光活性矿物与有机过滤剂之间的直接相互作用，被报道限制ROS形成或迁移，同时减少细胞渗透和细胞毒性。因此，这种空间分离可改善杂化矿物-有机防晒系统的相容性。然而，表面修饰并非总是抑制光活性。Donnadio等报道将ZnO共价连接至二氧化硅后抗菌和抗真菌活性增加，表明某些表面架构可能保留或增强氧化反应性而非钝化。但在大多数情况下，涂层化学对光稳定性至关重要：Kockler等发现铝涂层和锰修饰TiO₂的光稳定性较好，其次是铝/二氧化硅涂层材料，而未涂层和某些有机硅烷处理TiO₂较差。Rampaul等同样报道聚二甲基硅氧烷涂层TiO₂比未涂层具有更好的光防护。这些研究共同强调，涂层组成和架构而非仅表面修饰决定光催化活性是否被抑制。

4.3 配方层面控制

配方策略通过清除残余ROS、限制氧化传播及改变矿物颗粒周围局部环境提供最后一道保护。一个重要组分是抗氧化剂，其有效性不仅取决于内在清除活性，还取决于配方中的稳定性和定位。亲脂性抗氧化剂可通过不同机制起作用。生育酚主要是断链自由基清除剂，从色满环酚羟基向过氧自由基捐赠氢，形成共振稳定的生育酚氧自由基。它们还可通过不同于自由基清除的机制贡献单线态氧淬灭。相比之下，类胡萝卜素是单线态氧的特别有效物理淬灭剂：其共轭多烯系统从¹O₂接受激发能并通过非辐射弛豫耗散。取决于结构和条件，类胡萝卜素也可参与自由基反应。亲水性抗氧化剂如抗坏血酸和多酚可在水相或界面区域起作用，但其对光、氧和金属离子的稳定性可能限制性能。维生素C还可再生氧化型维生素E，联合局部维生素C和E减少猪皮肤中UVB诱导的脂质过氧化。更稳定的衍生物如3-O-乙基抗坏血酸、抗坏血酸棕榈酸酯和抗坏血酸四异棕榈酸酯已被开发以改善配方相容性和氧化稳定性。抗氧化保护在反复辐照中也可能下降，因为抗氧化剂在自由基清除中被消耗或发生光降解。因此，其浓度或残余清除能力应在反复暴露后评估而非仅在辐照前。靠近矿物表面的定位对短寿命ROS可能尤为重要。Yu等报道用姜黄素或槲皮素修饰的TiO₂显示出抗氧化活性并减少线粒体脂质过氧化。虽然游离抗氧化剂并不总是最有效形式（因其可能降解或扩散），包封可进一步改善抗氧化剂稳定性和递送；例如，槲皮素负载纳米结构脂质载体已在光防护配方中研究以保护抗氧化剂并改善其分布。配方架构也可减少氧化相互作用。成膜系统可改善颗粒分布并形成更连续的屏障。同时，涂层、包封、乳液结构或相分离可减少光活性矿物过滤剂与氧化敏感有机UV过滤剂之间的直接接触。然而，抗氧化剂应在真实配方条件下评估，因其行为取决于浓度、相分布和光稳定性，某些系统在不利条件下可能变为促氧化。总体而言，最实用的方法是结合相对低光活性矿物颗粒、有效表面钝化和适当定位配方抗氧化剂的多层次策略（表2）。这些干预在不同阶段起作用——ROS形成、迁移和氧化传播——因此应视为互补而非可互换。

5 光诱导ROS与氧化活性的评估

没有单一方法能完全表征矿物防晒系统中的光催化氧化活性。现有方法测量不同终点，从短寿命自由基和选定ROS到报告分子氧化、细胞内氧化应激及下游生物损伤。结果还受颗粒分散、表面处理、配方组成和辐照条件影响。因此，分析方法应基于所解决的具体问题选择，而非将所有测定视为"ROS"的等同测量。

5.1 直接与机制信息性分析

EPR又称电子自旋共振（ESR），是识别光活性TiO₂和ZnO产生自由基的最信息性方法之一。由于大多数ROS寿命太短无法直接检测，使用自旋陷阱或自旋标记生成更持久的顺磁物种。He等使用EPR与多种探针检测ZnO和ZnS辐照期间的^•OH、O₂^•?、单线态氧、光诱导电子和氧消耗。TEMPO用作电子敏感自旋标记，BMPO用于超氧阴离子和羟基自由基相关加合物，4-oxo-TEMP用于单线态氧。在ZnO系统中 assigned 约1:2:2:1强度模式的四线BMPO/^•OH信号。然而，BMPO/^•OH和BMPO/^•OOH信号可重叠，超氧阴离子衍生加合物可能在测量中转化；因此，光谱归属应辅以超精细模拟和清除剂对照而非仅线型。超精细耦合常数报告时应以高斯（G）或毫特斯拉（mT）给出。5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物（DMPO）也广泛用于捕获超氧阴离子和羟基自由基相关物种，但解释可能复杂，因为DMPO-OH可源于直接^•OH捕获或O₂^•?捕获后形成的DMPO-OOH分解。Ancona等和Lipovsky等证明了这一局限。二甲基亚砜（DMSO）可用作^•OH清除剂或途径指示剂，而5-(二乙氧基磷酰基)-5-甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DEPMPO）可改善O₂^•?和^•OH相关物种的检测。EPR还可揭示波长依赖性光活性。Lipovsky等报道ZnO ROS产生最大值接近384 nm，蓝光也贡献氧化过程。这些发现强调在比较研究时需报告辐照光谱并区分UVA、UVB、模拟阳光和可见光暴露。尽管具有机制价值，EPR受溶剂、pH、氧浓度、辐照时间和颗粒表面化学影响。矿物颗粒还可吸附探针或改变其可及性。Brezová等进一步表明硝酸盐或亚硝酸盐衍生自由基可在UVA辐照TiO₂悬浮液中干扰测量。色谱和质谱方法通过识别稳定氧化产物而非瞬态自由基提供补充信息。高效液相色谱（HPLC）、气相色谱-质谱（GC-MS）和超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）可监测降解产物、抗氧化剂消耗或辐照后形成的生物标志物。例如，Kryczyk等向TiO₂和ZnO系统中加入克霉唑并使用UPLC-MS/MS表征UVA辐照下形成的光降解产物。然而，相似产物可源于不同氧化途径，因此这些方法证明氧化后果而非直接识别起始ROS。

5.2 ROS选择性化学探针

化学探针提供更易获得的特定ROS检测方法。例如，对苯二甲酸与^•OH反应形成荧光2-羟基对苯二甲酸，在315 nm激发后检测。该测定已用于比较涂层和未涂层TiO₂或ZnO的羟基自由基产生，并提供比一般染料降解更高的选择性。过氧化氢可使用Amplex Red与辣根过氧化物酶测量，产生荧光试卤灵，激发/发射最大值约570/585 nm，在合适条件下灵敏度达低皮摩尔范围。然而，Amplex Red在辐照期间即使无H₂O₂和HRP也可光氧化为试卤灵。因此，在UVA暴露矿物过滤系统中应用该测定时，暗对照和辐照对照至关重要。单线态氧可使用单线态氧传感绿（SOSG）、1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）和9,10-蒽二基-双(亚甲基)二马龙酸（ABDA）等探针评估。SOSG与¹O₂反应后发荧光，报道激发/发射行为约504/525 nm。由于SOSG本身可参与光敏反应，需要清除剂或氧耗尽对照以加强信号归属为¹O₂。超氧阴离子相关活性可使用硝基蓝四唑（NBT）或细胞色素c检测。NBT还原产生有色甲臜产物，而细胞色素c还原可分光光度监测。这些测定可能受光激发颗粒直接电子转移、探针吸附、光散射或配方成分影响；因此，超氧化物歧化酶对照有助于确认O₂^•?参与。使用1,5-二苯基卡巴肼（DPCI）的氧化萃取光度法提供另一方法。ROS将DPCI氧化为1,5-二苯基卡巴腙，萃取后分光光度测量。清除剂实验可提供额外机制信息，组氨酸用于单线态氧，DMSO或硫脲用于羟基自由基。这些测定比一般光催化筛选更具物种导向性，但仍对探针光化学、表面吸附、直接电子转移和基质效应敏感。因此，其表观选择性应辅以适当对照。

5.3 光催化氧化筛选

染料降解测定因提供简单、廉价的光催化活性比较而广泛使用。TiO₂或ZnO对亚甲基蓝的降解可在定期采样并通过离心或过滤去除悬浮颗粒后于665 nm分光光度跟踪。罗丹明B类似地在553 nm附近监测，结晶紫降解在590 nm附近跟踪。结晶紫降解也可在UV辐照下约590 nm跟踪。这些测定应解释为总体光催化氧化的测量而非特定ROS的直接测量。染料损失可涉及^•OH、O₂^•?、光生空穴、单线态氧、电子转移或直接光敏化。溶剂选择也重要：乙醇或异丙醇可改善颗粒分散但同时淬灭自由基。疏水涂层可减少颗粒润湿或染料吸附，从而降低表观降解而不一定抑制ROS形成。使用鲁米诺或光泽精的化学发光方法可检测低水平氧化活性，尽管信号可源于多种氧化途径。电化学方法也可监测H₂O₂、氧消耗或氧化还原活性降解产物并可能允许实时分析，但在防晒研究中仍不常见。在筛选测定中，矿物浓度、涂层、分散程序、pH、探针浓度、氧可用性、溶剂组成、UV光谱、辐照度、辐照时间、温度和样品几何构型应受控并报告。

5.4 抗氧化能力测定

抗氧化能力测定应与矿物过滤剂ROS产生测量区分。例如，2,2-二苯基-1-苦基肼水合物（DPPH）测量稳定有机自由基的还原，因此反映自由基清除能力而非TiO₂或ZnO光激发期间产生的ROS量。Das等使用100 μM DPPH与ZnO纳米颗粒并监测517 nm处自由基漂白。Shetty等进行基于微板的DPPH测定，使用200 μM DPPH并在暗孵育20 min后于540 nm测量吸光度。尽管原始出版物将仪器读数描述为"ELISA"，该方法为使用微板读取器的分光光度测定而非酶联免疫吸附测定。波长也不同于更常用的DPPH最大值约517 nm，说明明确报告测定条件的重要性。尽管如此，此类测定在评估抗氧化功能化颗粒或含抗氧化剂配方时有用，但不应解释为光催化ROS形成被抑制的直接证据。

5.5 细胞氧化应激与损伤终点

与化学测定相比，细胞模型提供化学测量的光氧化活性是否产生下游生物氧化响应的补充信息。然而，其高成本和相对 rigid 实验设置也使其对常规防晒产品开发效率较低。以下讨论的一些研究使用非皮肤细胞系或微生物，纳入是为说明分析原理和氧化应激终点而非作为局部防晒评估的首选模型。Hanson等将二氢罗丹明 incorporated into防晒配方并使用双光子荧光显微镜可视化辐照前后皮肤表面和核化表皮层内的UV诱导氧化。荧光强度随后用于定量氧化响应。二氯-二氢-荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）常用于评估细胞内氧化条件。进入细胞后，DCFH-DA被细胞酯酶脱乙酰化并随后氧化为荧光二氯荧光素（DCF）。Aranda等在暴露于TiO₂前用DCFH-DA预孵育大鼠肝细胞并在485 nm激发和527 nm发射测量荧光。该方法灵敏但非特异性，可受光、过氧化物酶活性、金属离子和纳米颗粒吸附影响。细胞活力和膜完整性测定提供生物效应的补充证据但非直接ROS测量。乳酸脱氢酶（LDH）释放可指示质膜完整性丧失，而3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（MTT）测定反映细胞代谢活性。例如，Lee等将HaCaT角质形成细胞暴露于ZnO纳米颗粒并观察到MTT活性降低和LDH泄漏增加伴随ROS和脂质过氧化升高，表明代谢损伤和膜损伤可伴随氧化应激。Yin等和Maddaleno等均报道TiO₂处理HaCaT细胞中LDH释放类似增加。这些测定应解释为补充下游细胞毒性终点，矿物颗粒可能干扰。抗氧化酶活性提供另一氧化应激测量。Metryka等通过跟踪240 nm处H₂O₂分解测量过氧化氢酶，通过420 nm处红倍酚形成测量过氧化物酶，并使用黄嘌呤氧化酶/四唑测定在450 nm测量超氧化物歧化酶，在将大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌和表皮葡萄球菌暴露于TiO₂或ZnO后。下游氧化损伤可通过脂质、蛋白质和DNA终点评估。丙二醛（MDA）或硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）可指示脂质过氧化，2,4-二硝基苯肼（DNPH）衍生蛋白质羰基可评估蛋白质氧化。8-羟基-2′-脱氧鸟苷（8-OHdG）、彗星或微核测定可评估氧化或结构性DNA损伤。Dubey等在TiO₂和ZnO暴露后结合总ROS和急性细胞毒性测量与彗星和微核测定、TBARS和蛋白质羰基分析。对于防晒应用，皮肤相关系统如角质形成细胞、黑素细胞、成纤维细胞和适当共培养优于无关细胞类型。对照应区分仅UV效应、颗粒效应、载体效应和阳性氧化响应。

5.6 皮肤相关模型与成品评估

重建人表皮和人皮肤等效物提供与局部防晒使用更大的相关性，因其重现屏障结构和UV响应的重要方面。这些模型可与荧光探针、氧化生物标志物或成像方法结合以确定简化测定中观察到的氧化活性在局部应用后是否仍然相关。离体皮肤保留角质层、活性表皮、真皮、细胞外基质和附属器结构。Hanson和Clegg及Hanson等在离体或组织样皮肤系统中使用荧光成像区分防晒膜附近与核化表皮层内检测的氧化信号。这种空间区分很重要，因为高反应性^•OH预计在生成位点附近反应，而较长寿命氧化剂如H₂O₂可迁移更远。其他方法如胶带剥离、共聚焦显微镜、荧光寿命成像、拉曼光谱和光学相干断层扫描可提供产品分布、渗透或氧化变化信息。尽管这些尚非常规防晒ROS测定，它们可能有助于弥合颗粒悬浮液与真实局部暴露之间的差距。产品级测试应考虑矿物UV过滤剂以膜形式应用而非在溶液中自由分散。膜厚度、颗粒分布、汗液、皮脂、水暴露、摩擦和皮肤地形均可影响UV防护和氧化行为。因此，后期评估应尽可能优先成品配方而非直接从裸TiO₂或ZnO悬浮液外推。

5.7 将分析方法解释为互补证据

这些方法回答不同问题，因此应解释为互补证据。EPR提供自由基身份和反应途径的最强信息；ROS选择性探针靶向个别氧化剂；染料降解测量一般光催化氧化；抗氧化能力测定评估清除能力；细胞测定测量生物氧化响应；重建或离体皮肤模型提供更大产品级相关性（表3）。不同测定可能产生不同结果而不矛盾。涂层可减少ROS迁移而不完全抑制电荷产生，而抗氧化剂可减少下游氧化损伤而不改变初始自由基形成。解释应区分ROS形成、ROS清除、ROS迁移和下游氧化损伤，而非将所有结果简化为"ROS水平"的单一测量。

6 评估光诱导氧化活性的整合框架

由于现有方法在特异性、通量和生物相关性方面不同，光催化氧化活性应使用互补方法而非单一测定评估。分级方法可随开发从原料选择推进至成品验证逐步增加实验复杂性。该框架还降低将简化颗粒测定过度解释为产品级氧化效应直接指标的风险。

6.1 第一级：比较性筛选

初始筛选应在标准化条件下识别相对高或低光活性矿物过滤剂、涂层和早期配方。染料降解测定和靶向化学探针可提供快速比较，但结果应解释为相对氧化活性而非生物安全性的直接证据。染料降解特别适用于筛选，但可能受吸附、润湿和光敏化影响，尤其对疏水涂层颗粒。

6.2 第二级：机制确认

有前景的材料随后应进行更具体分析以确定氧化活性变化的潜在机制。EPR与适当自旋陷阱可提供自由基形成信息，而ROS选择性探针和清除剂实验可支持个别反应性物种的识别。色谱或质谱分析还可确定光活性是否导致配方成分降解。该阶段对区分减少ROS形成、增强ROS清除和限制ROS迁移尤为重要，因为这些机制在简单筛选测定中可能产生相似结果。

6.3 第三级：成品验证

后期评估应在预期应用基质内评估UV过滤剂材料而非作为孤立颗粒。对于防晒应用，重建人表皮、人皮肤等效物、离体皮肤或涂抹配方膜可与氧化应激生物标志物、成像和化学分析结合以确定简化系统中观察到的氧化活性在真实暴露条件下是否仍然相关。

6.4 决策标准与当前局限

由于尚无经验证的通用阈值界定矿物UV过滤剂的可接受ROS水平，目前不能推荐固定数值的通过/失败标准。因此，第一级应在相同辐照和基质条件下识别相对于适当匹配对照的可重复降低，同时确认UV衰减保留，适合早期产品开发。第二级应使用至少一种机制信息性方法（如EPR或带适当清除剂和辐照对照的物种导向探针）确认所提机制。第三级应确定效应在应用相关条件下的成品配方中是否持续以及UV防护、光稳定性和配方性能是否保持可接受。所提出的分级序列本身尚未经前瞻性验证，因此应视为开发框架而非监管或安全标准。缺乏经验证标准代表当前领域的重要空白，本综述旨在引起对该需求的更多关注并刺激研究人员和监管机构的系统研究。

6.5 标准化与报告

颗粒性质、测试基质和辐照条件的差异目前限制研究间比较。至少，研究应报告晶相和组成；初级和聚集颗粒尺寸；形貌；涂层身份、厚度或负载量（如可得）；矿物浓度；分散程序和基质；pH；辐照光谱、辐照度、累积剂量、持续时间、温度和几何构型；分析探针浓度；暗对照、仅辐照对照和仅颗粒对照；重复数和统计分析。

7 当前知识空白与研究优先方向

尽管对TiO₂和ZnO光催化已有广泛研究，向成品防晒产品的转化仍受不一致测试条件和不足产品相关验证的限制。目前也没有广泛标准化的终点界定矿物UV过滤剂或成品防晒配方的可接受光催化氧化活性。

7.1 标准化与可比性

研究间比较困难，因为测得氧化活性取决于颗粒浓度、晶相、涂层、聚集、分散介质、pH、氧可用性、辐照光谱、辐照度、暴露时间和分析方法。未来研究应一致报告这些变量并区分ROS形成、清除、迁移和下游氧化损伤，而非将所有测定视为"ROS"的等同测量。

7.2 向成品配方的转化

裸颗粒在简化悬浮液中的测量与化妆品级矿物过滤剂在成品防晒中的行为之间仍存在重大差距。表面处理、配方成分和涂抹膜条件可改变颗粒润湿、聚集、氧获取和ROS迁移性。应更大强调涂层商业材料和真实膜条件下的成品配方，包括水、汗液、皮脂和摩擦的影响。缓解策略的耐久性也需更多关注。涂层有效性取决于连续性、厚度、孔隙率和稳定性，而抗氧化剂和有机表面处理可能在储存或长时间辐照中降解。未来研究应确定降低的氧化活性在配方加工、储存和反复UV暴露后是否维持。

7.3 连接化学测量与生物相关性

颗粒表面ROS检测并不必然表明生物学相关暴露。短寿命物种如^•OH在其生成位点附近反应，而较长寿命氧化剂如H₂O₂可迁移更远。因此，未来工作应将化学测量与重建人表皮、人皮肤等效物或离体皮肤连接以确定简化系统中测量的氧化活性是否转化为皮肤相关模型中意义的脂质、蛋白质或DNA氧化。一个新出现的问题是防晒光化学还可能产生传统聚焦瞬态ROS的测定未捕获的持久自由基。Vejerano等在七种商业防晒配方中人工阳光暴露后检测到持久自由基，自由基在辐照后持续数天。这些发现表明未来防晒评估可能需要考虑辐照期间产生的瞬态ROS以及较长寿命自由基物种和辐照后氧化还原活性。然而，其在真实局部使用条件下的生物相关性仍有待确定。总体而言，未来研究应连接颗粒设计、测得氧化活性、成品行为和生物结果，同时保持UV防护、光稳定性、透明度和感官性能。这将使早期筛选更具预测性并改善ROS控制策略对矿物防晒的实际相关性。

8 总结与展望

TiO₂和ZnO因其广谱防护和光稳定性仍是重要的矿物UV过滤剂，但其半导体性质可在辐照下促进ROS形成。该活性的程度并非矿物本身的固有常数；它由晶体结构、颗粒特性、表面处理、聚集、配方环境和辐照条件决定。因此，光催化氧化活性应作为防晒产品的系统依赖性属性评估，而非仅从裸颗粒测量推断。ROS缓解在多层面处理时最有效。颗粒工程可降低固有光活性，表面钝化可限制电荷转移或限制ROS逃逸，配方策略可清除残余氧化剂并中断氧化传播。这些机制互补，解释实验结果时应加以区分。目标不是在模型悬浮液中简单实现最低ROS信号，而是在保持UV防护、光稳定性、透明度、配方稳定性和感官性能的同时降低氧化活性。评估同样应依赖互补方法。EPR和选择性探针提供机制信息，光催化氧化测定支持比较性筛选，细胞或皮肤相关模型确定化学光活性是否转化为生物氧化效应。应尽可能评估成品配方，因为表面涂层、抗氧化剂和配方架构可显著改变分离TiO₂或ZnO观察到的行为。未来进展将在半导体层面过程、界面ROS化学、基质依赖行为和生物后果之间提供更强联系。整合这些层面应能更合理地设计具有低光氧化活性同时保持光学和功能性能的TiO₂和ZnO基UV过滤剂材料。