Vi lượng là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa vi lượng

Vi lượng (trace element) là các nguyên tố hóa học tồn tại trong cơ thể sinh vật hoặc môi trường với nồng độ rất thấp (thường dưới 100 ppm), nhưng đóng vai trò thiết yếu trong các quá trình sinh hóa và sinh lý. Mặc dù hàm lượng nhỏ, vi lượng tham gia vào cấu trúc và chức năng của nhiều enzyme, protein và co-factor, điều hòa hoạt động trao đổi chất và bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa.

Khái niệm vi lượng phân biệt với đa lượng (macro element) như carbon, oxy, hydro hay nitơ – những nguyên tố chiếm tỉ lệ cao hơn và đóng vai trò chủ yếu trong khung cơ bản của phân tử sinh học. Vi lượng thường bao gồm sắt (Fe), kẽm (Zn), đồng (Cu), mangan (Mn), iốt (I), selenium (Se), flo (F) và molybden (Mo), cùng một số nguyên tố hiếm khác.

Vi lượng thiết yếu là những nguyên tố mà cơ thể không thể tổng hợp tự nhiên và phải được cung cấp qua chế độ ăn hoặc môi trường. Thiếu hụt hoặc thừa mức vi lượng đều có thể dẫn đến rối loạn chuyển hóa, suy giảm miễn dịch, các bệnh bẩm sinh và mãn tính. Tham khảo tiêu chuẩn hàm lượng vi lượng trong thực phẩm do NIH Office of Dietary Supplements cung cấp.

Lịch sử và nguồn gốc khái niệm

Ý niệm về vai trò của vi lượng bắt đầu từ đầu thế kỷ XX, khi nhà khoa học Casimir Funk đề xuất thuyết vitamin và sau đó mở rộng ra trọng trách của các nguyên tố vi lượng. Nghiên cứu ban đầu tập trung vào sắt và iốt, xác định mối liên hệ giữa thiếu sắt và thiếu máu, thiếu iốt và bướu cổ.

Những thập niên 1920–1930 chứng kiến sự phát triển của phương pháp phân tích hóa học định lượng như phân tích hấp thụ nguyên tử (AAS) và sắc ký khí–khối (GC–MS), cho phép đo đếm hàm lượng vi lượng trong mẫu sinh học và môi trường một cách chính xác. Công nghệ ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) sau này nâng cao độ nhạy, phát hiện được nguyên tố ở mức ppt (Agilent ICP-MS).

Trong dinh dưỡng con người và nông nghiệp, các nghiên cứu từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc (FAO) đã đặt ra khuyến nghị RDA (Recommended Dietary Allowance) và UL (Upper Limit) cho vi lượng nhằm phòng ngừa thiếu hụt và ngộ độc. Nghiên cứu môi trường hóa học cũng dựa vào khái niệm vi lượng để đánh giá ô nhiễm kim loại nặng như chì (Pb), cadmium (Cd) và thủy ngân (Hg).

Phân loại vi lượng

Vi lượng thường được phân thành hai nhóm chính:

• Vi lượng thiết yếu: Nguyên tố cần thiết cho sinh trưởng và chức năng sinh học bình thường, ví dụ Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Se, I và Cr. Thiếu hụt gây ra bệnh lý tương ứng như thiếu máu (Fe), suy giảm miễn dịch (Zn), rối loạn tuyến giáp (I).
• Vi lượng không thiết yếu/toxic: Nguyên tố không có vai trò sinh học rõ ràng hoặc có thể gây độc tại nồng độ cao, ví dụ Pb, Cd, Hg, Al. Tích tụ lâu dài dẫn đến tổn thương thần kinh, thận và các cơ quan khác.

Bảng tóm tắt ngưỡng hàm lượng và vai trò cơ bản của một số vi lượng thiết yếu:

Nguyên tố	Hàm lượng trong cơ thể người (mg)	Vai trò chính	RDA (μg–mg/ngày)
Fe	3,500	Thành phần hemoglobin, myoglobin	8–18 mg
Zn	2,000	Co-factor >300 enzyme	8–11 mg
Cu	100–150	Điều hoà enzyme oxy hóa khử	0.9 mg
I	15–20	Tổng hợp hormon tuyến giáp	150 μg

Vai trò sinh học của vi lượng

Vi lượng thiết yếu tham gia trực tiếp vào cấu trúc và hoạt động của nhiều enzyme, protein vận chuyển và co-factor, quyết định khả năng xúc tác phản ứng sinh hóa và duy trì trạng thái cân bằng nội môi. Ví dụ, kẽm là thành phần của Zn-finger protein trong điều hòa phiên mã và vai trò bảo vệ chống stress oxy hóa.

Sắt là nguyên tố trung tâm trong hemoglobin, chịu trách nhiệm vận chuyển oxy từ phổi đến mô; đồng là co-factor của cytochrome c oxidase trong chuỗi hô hấp tế bào; mangan tham gia quá trình chuyển hóa carbohydrat và tổng hợp axit béo. Tất cả đều là cơ chế then chốt duy trì năng lượng và chức năng sống.

Vi lượng còn điều hòa hệ miễn dịch, tác động lên sản xuất kháng thể và hoạt hóa tế bào chống nhiễm trùng. Selenium hạ thấp mức stress oxy hóa bằng cách là co-factor của glutathione peroxidase, bảo vệ tế bào khỏi hư hại màng. Vai trò đa dạng này làm nổi bật tầm quan trọng của việc duy trì cân bằng vi lượng trong dinh dưỡng và chăm sóc sức khỏe.

Vi lượng trong dinh dưỡng con người

Vi lượng thiết yếu cung cấp qua chế độ ăn đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển, tăng trưởng và duy trì chức năng sinh lý. Nguồn thực phẩm giàu vi lượng bao gồm thịt đỏ, hải sản, nội tạng, các loại hạt, ngũ cốc nguyên cám và rau lá xanh (NIH ODS).

Lượng khuyến nghị hàng ngày (RDA) và giới hạn tối đa (UL) do Viện Y học Hoa Kỳ (IOM) và Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đề xuất nhằm phòng ngừa thiếu hụt và ngộ độc. Các chỉ số này thường phân biệt theo độ tuổi, giới tính và tình trạng sinh lý (mang thai, cho con bú).

• Thiếu hụt sắt: thiếu máu, mệt mỏi, giảm khả năng miễn dịch.
• Thiếu hụt kẽm: chậm lành vết thương, suy giảm vị giác, giảm tăng trưởng ở trẻ.
• Thiếu hụt iốt: giảm chức năng tuyến giáp, bệnh bướu cổ, chậm phát triển trí tuệ.

Nguyên tố	RDA người lớn	UL người lớn
Fe	8–18 mg/ngày	45 mg/ngày
Zn	8–11 mg/ngày	40 mg/ngày
Cu	0.9 mg/ngày	10 mg/ngày
I	150 µg/ngày	1,100 µg/ngày

Vi lượng trong nông nghiệp và đất trồng

Cây trồng cần vi lượng để thực hiện nhiều quá trình sinh lý quan trọng: tổng hợp diệp lục, hoạt hóa enzyme, hấp thụ chất dinh dưỡng và phát triển rễ. Thiếu vi lượng gây hiện tượng vàng lá, chậm sinh trưởng và giảm năng suất (FAO Crops).

Bổ sung vi lượng vào đất trồng có thể thực hiện qua bón gốc (phân bón vi lượng), phun lá hoặc sử dụng phân bón phức hợp chứa chelate để tăng sinh khả dụng của Fe, Zn, Mn, Cu, B, Mo. Hiệu quả bón phụ thuộc pH đất, hàm lượng hữu cơ và hoạt động vi sinh.

• Fe chelate: ngăn ngừa vàng lá ở cây ngô, lúa.
• Zn sulphate: cải thiện năng suất lúa, ngô và lúa mì.
• Boron: cần cho hình thành hoa và thụ phấn ở cây ăn quả.

Nguyên tố	Hàm lượng trong đất (mg/kg)	Vai trò
Fe	3–5	Tổng hợp diệp lục, hô hấp
Zn	1–3	Hoạt hóa dehydrogenase
Mn	0.5–2	Sản xuất Oxygen-evolving Complex

Phương pháp xác định và đo lường

Độ chính xác và độ nhạy cao là yêu cầu khi phân tích vi lượng trong mẫu sinh học, thực phẩm và môi trường. Kỹ thuật phổ biến bao gồm:

• AAS (Atomic Absorption Spectroscopy): Phù hợp với Fe, Zn, Cu, Mn; giới hạn phát hiện ~µg/L.
• ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission): Phân tích đa nguyên tố cùng lúc, độ tương phản cao.
• ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry): Độ nhạy cực cao, phát hiện ppb–ppt (Agilent ICP-MS).

Chuẩn bị mẫu bao gồm sấy khô, nghiền mịn, tiêu hủy mẫu bằng axit (HNO₃, HCl) và lọc để loại bỏ tạp chất. Quy trình phải tuân thủ tiêu chuẩn ISO/IEC 17025 để đảm bảo độ tin cậy và lặp lại.

Độc tính và an toàn

Vi lượng không thiết yếu hoặc thừa mức có thể gây độc cho con người và môi trường. Kim loại nặng như Pb, Cd, Hg tích tụ trong cơ thể, gây tổn thương thần kinh, thận và tăng nguy cơ ung thư (WHO Lead Fact Sheet).

• Cd: tổn thương thận, loãng xương.
• Pb: suy giảm phát triển trí tuệ ở trẻ em.
• Hg: độc thần kinh, ảnh hưởng tuần hoàn.

Giới hạn tối đa dư lượng vi lượng trong thực phẩm và nước uống do Codex Alimentarius, EPA và EU đặt ra, nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Ví dụ, mức Pb tối đa trong nước uống là 10 µg/L (WHO).

Ứng dụng và xu hướng nghiên cứu

Trong y học, vi lượng được sử dụng làm dấu ấn sinh học (biomarker) chẩn đoán thiếu hụt hoặc nhiễm độc. Nghiên cứu mới về nano-vi lượng kết hợp với vật liệu nanocarrier cho phép giải phóng có kiểm soát và tăng hiệu quả điều trị (ACS Publications).

Trong nông nghiệp, kỹ thuật sinh học và gene editing (CRISPR) được ứng dụng để tăng hấp thu và tích lũy vi lượng có lợi trong cây trồng, hướng đến cải thiện giá trị dinh dưỡng của lương thực. Nghiên cứu về tương tác vi lượng – vi sinh vật đất mở ra cơ hội phát triển phân bón sinh học thân thiện môi trường.

• Biomonitoring: đo vi lượng trong máu, nước tiểu để đánh giá trạng thái dinh dưỡng.
• Metal-nanoparticles: ứng dụng trong điều trị ung thư và kháng khuẩn.
• Biofortification: bổ sung vi lượng qua giống cây trồng biến đổi gene.

Tài liệu tham khảo

• World Health Organization. (2020). Guidelines on Food Fortification with Micronutrients. WHO.
• National Institutes of Health, Office of Dietary Supplements. (2021). Micronutrient Facts Sheets. NIH ODS.
• Food and Agriculture Organization. (2019). Fertilizers and their Use. FAO.
• JECFA. (2017). Safety Evaluation of Certain Food Additives and Contaminants. FAO/WHO.
• Turnlund J. R. (2019). “Trace Minerals in Human Health and Disease,” Academic Press.
• Agilent Technologies. (2024). ICP-MS Product Literature. Agilent.