一、引言

人类的皮肤呈现出多种多样的颜色，从白皙到黝黑，从红润到泛黄，这些差异不仅是种族、地域的标志，也反映了皮肤内部复杂的生理结构和物质组成。在皮肤的颜色形成中，发色团物质起着至关重要的作用。人体皮肤中的发色团物质主要包括黑色素、血红蛋白、胆红素和类胡萝卜素等，它们各自具有独特的光学特性，共同决定了皮肤的颜色。同时，利用漫反射光谱分析技术，我们不仅可以深入了解这些发色团物质的状态，还能检测皮肤含水量等重要生理参数，从而实现对皮肤状态的全面分析、精准的肤色评估以及化妆品对皮肤影响的研究。本文将详细介绍这些发色团物质的特性、漫反射光谱分析在皮肤领域的应用，着重阐述皮肤含水量检测相关内容。

二、人体皮肤中的发色团物质

（一）黑色素

黑色素是皮肤中最重要的发色团物质之一，它是一种生物色素，由皮肤中的黑色素细胞合成。黑色素细胞位于表皮的基底层，通过一系列复杂的生化反应，将酪氨酸转化为多巴，进而生成黑色素。黑色素主要有两种类型：真黑色素和褐黑色素。真黑色素呈深褐色至黑色，是皮肤颜色较深的主要原因；褐黑色素则呈红黄色，在红发和白皙皮肤中较为常见。

黑色素具有很强的吸收紫外线的能力，是皮肤的天然防晒剂。它能够吸收紫外线中的 UVA 和 UVB，减少紫外线对皮肤细胞的损伤，保护皮肤免受辐射伤害。同时，黑色素的含量和分布直接决定了皮肤的颜色。在肤色较深的人群中，黑色素细胞合成的黑色素较多，且分布较为均匀；而在肤色较浅的人群中，黑色素含量较少，分布也相对稀疏。此外，黑色素的分布还受到遗传、环境、激素等因素的影响。例如，长期暴露在阳光下，皮肤会通过增加黑色素的合成来保护自身，导致皮肤颜色变深；妊娠期间，女性体内激素水平的变化也可能导致黑色素分布异常，出现妊娠斑等。

不同外周血液含量和黑色素含量的皮肤颜色[1]

（二）血红蛋白

血红蛋白是血液中的主要成分，负责运输氧气。在皮肤中，血红蛋白主要存在于真皮层的毛细血管中。血红蛋白具有独特的光学特性，它对不同波长的光具有不同的吸收和反射特性。当光线照射到皮肤时，血红蛋白会吸收特定波长的光，尤其是在可见光的蓝光和绿光区域，而对红光的吸收相对较少。因此，皮肤中的血红蛋白含量和分布会影响皮肤的颜色，使皮肤呈现出红润或苍白的色调。

在正常情况下，皮肤中的血红蛋白含量相对稳定，皮肤呈现出健康的淡红色。当皮肤受到刺激或发生炎症时，毛细血管会扩张，血红蛋白含量增加，皮肤会出现红肿现象；而当人体贫血时，血红蛋白含量减少，皮肤会显得苍白。此外，血红蛋白的氧合状态也会影响其光学特性。氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对光的吸收和反射特性不同，通过检测皮肤中血红蛋白的氧合状态，可以间接了解皮肤的生理状态和血液循环情况。

不同非功能血红蛋白浓度下的肤色。(a)不同高铁血红蛋白浓度下肤色;(b)不同硫血红蛋白浓度下肤色[1]

（三）胆红素

胆红素是血红素分解代谢的产物，主要由肝脏代谢处理。正常情况下，皮肤中的胆红素含量极低，对皮肤颜色的影响较小。但当人体出现肝脏疾病或胆道梗阻等情况时，胆红素代谢异常，血液中胆红素浓度升高，会导致皮肤和巩膜黄染，即出现黄疸现象。此时，皮肤中的胆红素含量增加，会使皮肤呈现出黄色或黄绿色。

胆红素对光的吸收特性主要集中在可见光的蓝光区域，因此当皮肤中胆红素含量升高时，皮肤对蓝光的吸收增加，反射光中蓝光成分减少，从而使皮肤呈现出黄色。通过检测皮肤中胆红素的含量，可以辅助诊断肝脏疾病和胆道疾病等。

不同胆红素浓度下的肤色[1]

（四）类胡萝卜素

类胡萝卜素是一类广泛存在于自然界中的脂溶性色素，包括 β- 胡萝卜素、番茄红素等。人体可以通过摄入富含类胡萝卜素的食物，如胡萝卜、南瓜、番茄等，将其吸收并沉积在皮肤中。类胡萝卜素在皮肤中主要分布在表皮和真皮的上层，具有抗氧化和保护皮肤细胞的作用。

类胡萝卜素对光的吸收特性主要集中在可见光的蓝紫光区域，同时它也会反射黄色和红色光，使皮肤呈现出淡淡的黄色调。皮肤中类胡萝卜素的含量与饮食和营养状况密切相关。长期摄入富含类胡萝卜素的食物，皮肤中类胡萝卜素含量增加，皮肤会显得更加健康有光泽；而营养不良或摄入不足时，类胡萝卜素含量减少，皮肤可能会显得暗淡无光[2]。

三、漫反射光谱分析技术

（一）漫反射光谱分析的基本原理

漫反射光谱分析是一种基于光与物质相互作用的光学检测技术。当光线照射到皮肤表面时，一部分光会被皮肤表面反射，称为镜面反射；另一部分光会进入皮肤内部，与皮肤中的发色团物质发生相互作用，包括吸收、散射和反射等，然后从皮肤表面漫反射出来。皮肤中的水分子同样会与光产生相互作用，影响漫反射光谱的特性。水对光的吸收具有特定的光谱特征，在近红外光谱区域（700 - 2500nm）有多个吸收峰 ，水分子含量的变化会改变该区域光谱的吸收强度。漫反射光谱分析正是通过检测这些漫反射光的光谱特性，不仅可以获取皮肤中发色团物质的信息，还能据此分析皮肤的含水量。

通过建立数学模型和算法，对漫反射光谱进行分析和处理，可以定量计算出皮肤中黑色素、血红蛋白、胆红素和类胡萝卜素等发色团物质的含量，以及皮肤的其他生理参数，如水分含量、角质层厚度等。

光在皮肤中传输的物理过程 [3]

（二）漫反射光谱分析的仪器设备

漫反射光谱分析的仪器主要包括光源、光谱仪、探测器和样品接口等部分。光源通常采用氙灯、卤素灯或发光二极管（LED）等，提供宽光谱的照明光；光谱仪用于将漫反射光分解成不同波长的光谱成分；探测器则将光信号转换为电信号，以便进行后续的信号处理和分析；样品接口用于将光源和探测器与皮肤表面进行耦合，确保光能够有效地照射到皮肤并收集到漫反射光。

为了提高检测的准确性和可靠性，漫反射光谱分析仪器通常需要进行校准和定标，以消除仪器本身的误差和环境因素的影响。此外，为了适应不同的检测需求，还可以设计不同类型的样品接口，如接触式探头、非接触式探头等，以满足对不同部位皮肤的检测。

（三）漫反射光谱分析的优点

漫反射光谱分析技术具有非侵入性、无损伤、快速、实时等优点，不需要对皮肤进行任何预处理，也不会对皮肤造成伤害。它不仅可以同时检测多种发色团物质的信息，还能快速获取皮肤含水量等重要生理参数，为皮肤状态的分析和评估提供了全面的依据。例如，在一次检测中，就能同时了解皮肤的色素沉着情况、血液循环状态以及水分状况。此外，漫反射光谱分析技术还具有较高的灵敏度和特异性，能够检测到皮肤中微小的变化，对于早期发现皮肤疾病、评估化妆品的效果以及监测皮肤含水量变化具有重要意义。

四、漫反射光谱分析在皮肤状态分析中的应用

（一）皮肤色素沉着分析

黑色素是导致皮肤色素沉着的主要原因，如雀斑、黄褐斑、老年斑等。通过漫反射光谱分析，可以定量检测皮肤中黑色素的含量和分布情况，了解色素沉着的程度和范围。研究表明，漫反射光谱中在 400-500nm 波长范围内的光吸收主要与黑色素有关，通过分析该波长范围内的光谱数据，可以准确计算出黑色素的含量[1]。此外，还可以通过比较不同部位皮肤的漫反射光谱，判断色素沉着的对称性和均匀性，为色素性皮肤病的诊断和治疗提供依据。

在化妆品研发中，针对美白产品的效果评估，漫反射光谱分析可以实时监测皮肤中黑色素含量的变化，了解产品对黑色素合成的抑制作用。例如，使用美白产品一段时间后，通过检测皮肤漫反射光谱中黑色素相关波长处的光吸收变化，可以评估产品的美白效果，为产品的优化和改进提供数据支持。

（二）皮肤炎症和红斑分析

当皮肤发生炎症时，毛细血管扩张，血红蛋白含量增加，皮肤会出现红斑现象。漫反射光谱分析可以通过检测血红蛋白的含量和氧合状态，来判断皮肤是否存在炎症和红斑。在漫反射光谱中，血红蛋白在 540nm 和 570nm 波长处有两个明显的吸收峰，分别对应于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白。通过分析这两个吸收峰的强度和位置变化，可以了解血红蛋白的含量和氧合状态，从而判断皮肤的炎症程度和血液循环情况。

对于痤疮、接触性皮炎等炎症性皮肤病的诊断和治疗监测，漫反射光谱分析具有重要的应用价值。它可以实时检测皮肤炎症部位的血红蛋白变化，评估治疗效果，调整治疗方案[3]。此外，在化妆品刺激性测试中，漫反射光谱分析可以快速检测皮肤受到刺激后血红蛋白的变化，判断化妆品是否具有刺激性，为化妆品的安全性评估提供依据。

（三）皮肤黄疸检测

胆红素升高导致的黄疸在皮肤表面表现为黄色调的改变。漫反射光谱分析可以通过检测皮肤中胆红素的含量，辅助诊断肝脏疾病和胆道疾病。胆红素在 450-470nm 波长处有较强的吸收，通过分析该波长范围内的光谱数据，可以定量计算出皮肤中胆红素的含量。与传统的血液检测方法相比，漫反射光谱分析具有非侵入性、快速便捷的优点，可以在床边或门诊进行实时检测，为黄疸的早期发现和诊断提供了一种新的手段[1]。

（四）皮肤营养和抗氧化状态评估

类胡萝卜素作为一种重要的抗氧化物质，其在皮肤中的含量反映了皮肤的营养和抗氧化状态。漫反射光谱分析可以通过检测类胡萝卜素在 400-500nm 波长处的吸收和反射特性，评估皮肤中类胡萝卜素的含量。研究表明，皮肤中类胡萝卜素含量较高的人群，皮肤的抗氧化能力较强，抵御外界环境损伤的能力也较好。通过监测皮肤中类胡萝卜素含量的变化，可以了解人体的营养状况和抗氧化水平，为合理调整饮食和使用抗氧化护肤品提供建议[2]。

（五）皮肤含水量检测

皮肤含水量是衡量皮肤健康状态的重要指标之一，合适的水分含量能使皮肤保持弹性、光泽和柔软。漫反射光谱分析在皮肤含水量检测方面具有独特优势。正常皮肤的含水量在不同部位和个体之间存在一定差异，一般角质层含水量在 10% - 20% 之间 ，当皮肤含水量低于这个范围时，皮肤会出现干燥、脱屑、皱纹等问题；含水量过高则可能引发皮肤水肿等情况。

通过漫反射光谱分析，观察近红外光谱区域的吸收峰强度变化，能够准确判断皮肤的含水量[1]。例如，当皮肤缺水时，漫反射光谱在近红外区域的吸收强度会减弱，通过与标准光谱数据对比，结合建立的数学模型，就可以精确计算出皮肤的实际含水量。在临床实践中，漫反射光谱分析可用于诊断皮肤干燥症等与水分代谢相关的疾病，为治疗方案的制定提供数据支持。

此外，皮肤含水量检测在日常护肤中也有重要意义。它可以帮助消费者了解自己皮肤的水分状况，从而选择合适的保湿产品。比如，干性皮肤人群通过定期检测皮肤含水量，能够直观看到使用不同保湿产品后的效果差异，进而选择最适合自己的护肤品。

五、漫反射光谱分析在肤色评估报告中的应用

（一）肤色分类和量化

传统的肤色分类主要基于肉眼观察，具有主观性和不准确性。漫反射光谱分析可以通过对皮肤漫反射光谱的定量分析，将肤色进行客观分类和量化。根据皮肤中黑色素、血红蛋白和类胡萝卜素等发色团物质的含量比例，可以将肤色分为不同的类型，如白皙型、偏黄型、红润型、黝黑型等，并给出相应的量化指标，如黑色素指数、红色素指数（主要反映血红蛋白含量）、黄色素指数（主要反映类胡萝卜素和胆红素含量）等[1]。

这些量化指标可以更准确地描述肤色的特点，为化妆品的色号匹配、个性化护肤方案的制定提供科学依据。例如，在化妆品生产中，可以根据不同肤色人群的漫反射光谱数据，开发出更贴合其肤色的粉底、口红等产品；在护肤领域，可以根据肤色评估报告，为不同肤色的人群推荐适合其皮肤特点的护肤品，如针对偏黄型肤色的美白产品、针对红润型肤色的抗敏感产品等。

在肤色分类和量化过程中，皮肤含水量也是一个重要的参考因素。除了考虑黑色素、血红蛋白和类胡萝卜素等发色团物质的含量比例外，皮肤含水量的不同也会影响肤色的视觉效果。例如，含水量充足的皮肤会显得更加饱满、有光泽，使肤色看起来更加健康；而干燥缺水的皮肤则会显得暗沉、粗糙，影响整体肤色的评价。因此，在肤色评估报告中纳入皮肤含水量指标，能更全面、准确地描述肤色特点，为化妆品的色号匹配和个性化护肤方案制定提供更完善的依据。

（二）肤色变化监测

随着时间的推移，皮肤的颜色和状态会受到多种因素影响，其中皮肤含水量的变化尤为关键。长期处于干燥环境、过度清洁皮肤或年龄增长等因素，都会导致皮肤水分流失，进而影响肤色和肤质。漫反射光谱分析可以定期对皮肤进行检测，同时监测肤色和皮肤含水量的变化情况。通过对比不同时间点的检测数据，不仅能及时发现皮肤颜色的变化趋势，还能了解皮肤含水量的波动情况，从而更准确地判断皮肤状态的变化原因，采取相应的预防和干预措施，如加强保湿护理、调整生活习惯等。

（三）个性化护肤方案制定

每个人的皮肤状况都是独特的，皮肤含水量的差异也是制定个性化护肤方案的重要依据。漫反射光谱分析结合肤色评估报告和皮肤含水量检测结果，可以为每个人制定更贴合实际需求的护肤方案。对于皮肤含水量较低的人群，推荐使用具有高效保湿功能的护肤品，如高保湿面霜、补水面膜等，并建议减少清洁次数，避免过度清洁导致水分流失；对于皮肤含水量正常但追求更好肤质的人群，可推荐使用具有锁水功能的护肤品，维持皮肤的水分平衡。

六、漫反射光谱分析在化妆品对皮肤影响分析中的应用

（一）化妆品功效评估

化妆品的功效包括美白、抗衰老、保湿、防晒等多个方面。漫反射光谱分析可以通过检测使用化妆品前后皮肤中发色团物质的变化，评估化妆品的功效。例如，对于美白化妆品，通过检测黑色素含量的减少情况来评估其美白效果；对于抗衰老化妆品，通过检测血红蛋白含量和皮肤弹性的变化来评估其改善皮肤血液循环和抗衰老的效果。

此外，漫反射光谱分析通过检测使用化妆品前后皮肤含水量的变化，能够客观评估化妆品的保湿效果。在化妆品研发阶段，研发人员可以利用该技术测试不同配方的保湿产品，观察其对皮肤含水量的提升程度和持续时间，筛选出保湿效果最佳的配方。例如，对比不同品牌的保湿乳液，使用漫反射光谱分析检测涂抹前后皮肤含水量的变化，可直观比较出各产品的保湿性能差异，为产品优化提供数据支持。

同时，对于具有综合功效的化妆品，如抗衰老产品，皮肤含水量的变化也是评估其效果的重要指标之一。皮肤含水量充足有助于维持皮肤的弹性和紧致度，延缓衰老。通过检测使用抗衰老化妆品后皮肤含水量的变化，结合其他生理参数的检测结果，可以更全面地评估产品的抗衰老效果。

在化妆品功效评估中，漫反射光谱分析具有客观、准确、快速的优点，可以避免主观评价的误差，为化妆品的研发和质量控制提供科学依据。同时，它还可以对不同品牌、不同配方的化妆品进行比较，筛选出效果更好的产品。

（二）化妆品安全性评价

化妆品对皮肤的刺激不仅会引起炎症反应，还可能影响皮肤的水分代谢，导致皮肤含水量发生变化。当化妆品对皮肤造成刺激时，可能破坏皮肤的屏障功能，使皮肤水分流失加快。漫反射光谱分析通过检测使用化妆品后皮肤含水量的变化，结合发色团物质的改变，可以更全面地判断化妆品是否具有刺激性，是否会对皮肤造成损伤。例如，如果使用某化妆品后，皮肤含水量明显下降，同时伴随血红蛋白含量的异常变化，就提示该化妆品可能对皮肤产生了不良影响，存在安全性风险。

（三）化妆品配方优化

在化妆品研发过程中，漫反射光谱分析可以帮助研发人员了解不同配方成分对皮肤的影响，优化化妆品配方。通过测试不同配方的化妆品在使用前后皮肤中发色团物质和皮肤含水量的变化，找出对目标功效最有效的成分组合和浓度，同时避免对皮肤造成不良影响。例如，在研发美白配方时，可以通过漫反射光谱分析不同美白成分对黑色素合成的抑制效果，检测添加不同保湿成分（如透明质酸、甘油等）的配方对皮肤含水量的影响，选择最佳的成分组合；在研发防晒配方时，可以检测不同防晒剂对紫外线的吸收和散射效果，优化防晒剂的配比，提高防晒产品的效果和安全性。

七、结论

人体皮肤中的发色团物质，包括黑色素、血红蛋白、胆红素和类胡萝卜素等，是决定皮肤颜色和反映皮肤状态的重要物质。它们各自具有独特的光学特性和生理功能，共同影响着皮肤的外观和健康。漫反射光谱分析技术基于光与皮肤中发色团物质以及水分子的相互作用，能够快速、准确、无创地检测皮肤中这些物质的含量和分布情况，同时实现对皮肤含水量等重要生理参数的检测，从而全面实现对皮肤状态的分析、精准的肤色评估以及化妆品对皮肤影响的研究。

通过漫反射光谱分析，我们可以深入了解皮肤的色素沉着、炎症反应、黄疸情况、营养状态和水分状况等，为皮肤疾病的诊断和治疗提供依据；同时，还可以为化妆品的研发、功效评估和安全性评价提供科学支持，为消费者制定个性化的护肤方案。尽管目前漫反射光谱分析技术还面临一些挑战，但随着技术的不断进步，它将在皮肤科学领域发挥越来越重要的作用，为人类的皮肤健康和美丽提供更加精准、有效的解决方案。

八、引用

[1] 原静, 赵跃进, 孔令琴, 徐歌, 董立泉, 刘明, & Hui Mei惠梅. (2022). 血液成分变化对皮肤漫反射光谱及肤色的仿真分析. Acta Optica Sinica, 42(8), 0817001. https://doi.org/10.3788/aos202242.0817001

[2]Darvin, M.E.; Lademann, J.; von Hagen, J.; Lohan, S.B.; Kolmar, H.; Meinke, M.C.; Jung, S. Carotenoids in Human Skin In Vivo: Antioxidant and Photo-Protectant Role against External and Internal Stressors. Antioxidants 2022, 11, 1451. https://doi.org/10.3390/antiox11081451

[3]李嘉欣. (2024). Research on Human Skin Color Detection Based on Non-Contact Diffuse Reflectance Spectroscopy. Applied Physics. 14. 261-270. 10.12677/app.2024.145030.