已經(jīng)有很多人嘗試通過使用顏色判別標準科學地表征不同人種的皮膚類型，其中大多數(shù)方法都是基于肉眼觀察對皮膚顏色的評價。常用的評價方法是哈佛大學的皮膚病學家Thomas B. Fitzpatrick在1975年提出的基于數(shù)值分類圖表的Fitzpatrick標度。該方法將皮膚類型劃分為6個類別。對于保健和護膚品行業(yè)，該方法也被認可用作劃分人類皮膚對可見光響應的皮膚病學研究工具之一。Fitzpatrick標度是更早期的Von Luschan色度的現(xiàn)代化，后者使用36塊不透明的玻璃片表征皮膚的顏色。圖1所示為Von Luschan玻璃片描述的人類皮膚的顏色范圍。Fitzpatrick標度將這些顏色劃分為6種皮膚類型：白化、白色、淡棕色、地中海棕色、深棕色、黑色。
圖1.Von Luschan顏色標度
直觀比較實驗對象的皮膚與標準玻璃片的顏色，找出最接近的匹配。這種視覺檢查和比較的方法現(xiàn)在看來是存在誤差的，因為其結(jié)論受主觀因素影響是易變的，在很多實例中不同研究者對同一實驗對象的測試結(jié)果是不同的。
視覺檢查結(jié)果的差異主要是因為人眼對顏色敏感度的變化和環(huán)境照明條件的不同。目前視覺方法已經(jīng)逐漸被反射分光光度法所取代，因為后者不會受制于人體和環(huán)境的變動。
配備有積分球的分光光度計可以精確測量人體皮膚的反射光譜，還可以配置顏色分析的數(shù)學方法，使膚色評價成為一種嚴密、可重復、準確的技術(shù)。顏色分析的數(shù)學方法使用樣品的百分比反射率光譜、給定照明光源的光譜響應曲線以及三種人眼可見顏料的光譜靈敏度，得到反映樣品視覺顏色的量化標準。也就是說，現(xiàn)代光譜顏色分析方法可以計算出顏色的數(shù)值，對應于人眼在特定照明條件下看到的顏色。
反射光譜測量的數(shù)據(jù)與樣品的化學成分直接相關(guān)。人類皮膚分為三個亞層：角質(zhì)層（起保護作用的一層細胞）、表皮層和真皮層。反射光譜可以穿透上述三個皮膚亞層，包含其化學成分信息。表皮層僅由細胞構(gòu)成，其底部有內(nèi)含黑色素的黑素細胞。表皮層的主要化學成分是蛋白質(zhì)(色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸)、DNA、黑色素和尿刊酸。真皮層除了含有細胞之外，還包含神經(jīng)和毛細血管。真皮層的化學成分還包括氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白和膽紅素。
圖2.反射光譜中涉及到的皮膚結(jié)構(gòu)層次
本研究將通過顏色分析方法評價Von Luschan顏色圖表玻璃片和不同人種皮膚的反射光譜。盡管光譜顏色分析方法比直觀檢查更加可靠，但是對于理解人類皮膚著色的化學機理該方法仍有一些不足。顏色分析方法雖然可以很好地測量肉眼看到的顏色，但是僅限于定性評價樣品可見光的顏色性質(zhì)。
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實驗
樣品反射光譜的測量使用裝有150 mm Spectralon積分球的Lambda X50+紫外/可見/近紅外光譜儀。使鏡面反射口保持原位，以便獲得全反射光譜。將實驗對象的前臂內(nèi)側(cè)放置于積分球的漫反射口，采集皮膚樣品的光譜。Von Luschan玻璃片的光譜也使用漫反射口進行測量。圖3所示為150 mm積分球處于全反射模式時的樣品光路。鏡面反射光和漫反射光都被收集。為了全面研究不同類型的人類皮膚，本研究中測量了從輕度白化到美國黑人等多個人種的實驗對象。
圖3.150 mm積分球中的光路(點擊查看大圖)
樣品光譜的顯示和處理使用珀金埃爾默的UV WinLab™譜圖分析軟件。樣品的顏色分析使用珀金埃爾默的顏色分析軟件，按照國際照明委員會CIE 1976 L*a*b*規(guī)程使用400~700nm的標準波長范圍。該分析方法使用CIE 1964 10°標準觀察者以及標準光源C(代表了對應色溫為6774K的平均日光照明)。
本研究在顏色分析過程中選擇了CIE L*a*b*顏色空間。L*a*b*顏色空間將色度分量和亮度分量進行分離，使得對樣品的色度和亮度分別進行研究成為可能。
圖4形象地說明了一個典型的L*a*b*顏色圖中L*分量和a*b*分量的分離。在這個三維空間中，x軸代表綠色/紅色(a*)，y軸代表藍色/黃色(b*)，z軸代表暗度/亮度(L*)。色度和亮度的分離對于膚色分析是非常重要的。人類膚色的亮度主要決定于表皮層底部的黑色素含量，而皮膚色度的主導因素是真皮層的血紅蛋白和膽紅素。
圖4.L*a*b*顏色空間(點擊查看大圖)
既然我們可以對顏色進行量化地測量，也就可以將人類皮膚與Von Luschan玻璃片進行比較。關(guān)鍵問題在于：Fitzpatrick標度中使用的玻璃片與人類皮膚的顏色接近程度如何時才算是匹配？由于使皮膚和玻璃片產(chǎn)生顏色的化學成分差異很大，這是一個需要考慮的問題。
在人類皮膚光譜中，可見光的波長能夠穿過相對透明的表皮層，與富含血管的真皮層中復雜多樣的化學成分發(fā)生相互作用。圖5所示為剝離的豬皮表皮層的百分比透射光譜。對于可見光的波長來說，表皮層是相對透明的，僅因為散射過程而減弱到達真皮層的可見光(400 nm以上區(qū)域)。400 nm以下的紫外光被尿刊酸、DNA的核酸環(huán)和蛋白質(zhì)的芳香氨基酸等細胞成分所吸收。表皮層的廣泛吸收表現(xiàn)為280 nm附近的吸收峰。
圖5. 豬皮表皮層的百分比透射光譜(點擊查看大圖)
皮膚的反射光譜主要決定于真皮層的化學成分，隨不同人種皮膚類型而變化。血紅蛋白和黑色素含量的變化使光譜形狀有顯著的改變，如圖6所示。
圖6.不同人種皮膚類型的反射光譜(點擊查看大圖)
對于白化等透明的皮膚類型，入射光較深地穿透到真皮組織。在可見光區(qū)域的中部，氧合血紅蛋白的雙峰(540和580 nm)在光譜上清晰可見。還原血紅蛋白在560 nm處的單個吸收峰被氧合血紅蛋白的吸收峰所掩蓋。氧合與還原血紅蛋白的重疊寬峰出現(xiàn)在425 nm。膽紅素在540 nm處有一個小的吸收峰。真皮層組織中有豐富的血液供應，所以全部成分都可以觀察到。
黑色素是由酪氨酸衍生得到的黑色高分子，對于皮膚的光譜有顯著的影響。從200 nm到超過1000 nm的近紅外區(qū)域，黑色素都具有非常寬的吸收。黑色素集中存在于黑素細胞中，這種特殊的細胞分布在表皮層底部的基底細胞層(表皮生發(fā)層)。膚色越深，緊貼真皮層的表皮層底部(如圖2所示)分布的黑素細胞越多。黑素細胞的數(shù)量越多，阻止有害紫外線到達真皮層的能力越強。如果光線被黑素細胞吸收，也就不會到達真皮層并與其中的成分發(fā)生相互作用。皮膚的顏色加深時，其光譜上與真皮層化學成分相關(guān)的譜圖特征開始消失。黑人皮膚的光譜僅包含與黑色素反射相關(guān)的譜圖特征。黑色皮膚的反射率隨波長的漸變主要是因為黑色素的吸光系數(shù)隨波長增加而遞減。
現(xiàn)在，我們需要考慮如何比較人類皮膚與用于表征膚色類型的Von Luschan玻璃片的反射光譜。圖7顯示了三種有代表性的皮膚類型（紅色光譜-白化型，綠色光譜-西班牙型，藍色光譜-黑人型）與相應范圍內(nèi)Von Luschan玻璃片(黑色光譜)的光譜重疊。兩組光譜的吸收峰結(jié)構(gòu)特征基本沒有相關(guān)性。如果考慮到玻璃片的顏色產(chǎn)生于無機顏料而皮膚的顏色產(chǎn)生于芳香類生物體成分，上述現(xiàn)象并不意外。這兩類化合物的電子成鍵特征是顯著不同的。很多玻璃片的光譜顯示出無機化合物典型的截斷特征，而皮膚的光譜有很多的吸收峰特征。
圖7.Von Luschan玻璃片與不同人種皮膚類型的光譜比較(點擊查看大圖)
使用CIE L*a*b*顏色分析法對Von Luschan玻璃片的反射光譜進行分析，結(jié)果總結(jié)于表1。表中還對代表亮度的L*值與Fitzpatrick皮膚類型進行了關(guān)聯(lián)。
玻璃片的L*值從89(淺色)到29(深色)不等，分布范圍達到了60個L*單位。在色度值確定之后，Von Luschan玻璃片顏色的人為因素開始變得明顯。圖8將色度值a*對b*做圖，x軸代表紅色/綠色分量，y軸代表藍色/黃色分量。顏色最淺的玻璃片是黃綠色的，而顏色較深的玻璃片中紅色分量更多。顏色最深的玻璃片是藍紅色的。正常情況下，健康的人類皮膚中不會出現(xiàn)藍色和綠色。
圖8.Von Luschan玻璃片的CIE a*b*色度圖(點擊查看大圖)
圖9所示為不同人種實驗對象的皮膚反射光譜的色度圖。注意，數(shù)據(jù)點在黃色-紅色象限內(nèi)集中分布為一組。隨著皮膚顏色從白化型到黑人型的加深，黃色-紅色色度值呈增加趨勢。毫無疑問，這是因為人類皮膚的顏色主要確定于真皮層中存在的血紅蛋白和膽紅素成分。
圖9. 不同人種前臂皮膚反射光譜的CIE a*b*色度圖(點擊查看大圖)
完整的人類皮膚顏色L*a*b*數(shù)據(jù)收集于表2中。從中可見，皮膚的L*值從73(淺色)到34(深色)不等。比較Von Luschan玻璃片與人類皮膚的L*值，可以發(fā)現(xiàn)皮膚的L*值分布范圍更窄，僅有39個單位，而Von Luschan玻璃片的L*值分布范圍達到了60個單位。皮膚的L*值分布范圍更窄的主要原因很可能在于起反射作用的細胞的表面結(jié)構(gòu)。與玻璃片相比，皮膚的表面質(zhì)地更加粗糙。表面質(zhì)地對于漫反射光譜有很重要的影響。漫反射樣品的表面越平滑，看起來就越明亮。因為“粗糙”的表面包含微小的孔洞和縫隙，可以捕捉入射光而阻止其反射。表面的凹凸不平越多或越大看起來就越暗。也就是說，對于同等膚色的實驗對象，干燥粗糙的皮膚看起來要比光滑的皮膚更暗一些。
結(jié)論
對于不同人種的膚色分析，使用配有150 mm標準積分球的紫外-可見分光光度計和CIE L*a*b*顏色分析法是一套切實可行的方法。該方法是具有很好重復性的定性分析技術(shù)，優(yōu)于以前那些基于經(jīng)驗觀察的方法。
真實的人類皮膚與Von Luschan玻璃片的L*a*b*數(shù)據(jù)有明顯的差異。對做為Fitzpatrick標度基礎的Von Luschan玻璃片的分析結(jié)果表明，玻璃片的生色成分與表面質(zhì)地導致了人為顏色的存在。通過大量不同類型皮膚的L*a*b*數(shù)據(jù)庫，可以很簡便地對Fitzpatrick標度進行評估。
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