Vật liệu tham chiếu là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Khái niệm chung về vật liệu tham chiếu

Vật liệu tham chiếu là mẫu chuẩn có thuộc tính đã được xác lập bằng phương pháp đo tin cậy, dùng để kiểm tra chất lượng phép phân tích, hiệu chuẩn thiết bị và đánh giá tính chính xác của quy trình đo. Các thuộc tính này có thể bao gồm nồng độ chất, độ tinh khiết, thành phần hóa học, đặc tính vật lý hoặc sinh học tùy theo lĩnh vực ứng dụng. Điểm quan trọng nhất của vật liệu tham chiếu nằm ở khả năng truy xuất nguồn gốc đo lường theo chuẩn quốc tế và độ không đảm bảo đi kèm được đánh giá một cách minh bạch.

Vật liệu tham chiếu tồn tại như một cơ sở giúp các phòng thí nghiệm đảm bảo tính nhất quán của kết quả đo khi sử dụng thiết bị, phương pháp và điều kiện làm việc khác nhau. Mọi phép đo đều chứa sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống. Khi sử dụng vật liệu tham chiếu có chứng nhận, người thực hiện phép đo có thể phát hiện sai lệch, ước tính độ chệch hoặc xác nhận độ chính xác của phương pháp. Trong môi trường nghiên cứu, điều này đặc biệt hữu ích vì giúp so sánh dữ liệu giữa nhiều đơn vị khác nhau.

Để mô tả rõ hơn các loại thuộc tính có thể được xác lập trong vật liệu tham chiếu, bảng dưới đây minh họa bốn nhóm phổ biến:

Nhóm thuộc tính	Mô tả
Hóa học	Nồng độ nguyên tố, hợp chất, tạp chất, độ tinh khiết
Vật lý	Mật độ, độ nhớt, độ dẫn điện, tính chất quang học
Sinh học	Hoạt tính enzym, tải lượng DNA, đặc tính protein
Môi trường	Mẫu không khí, nước, trầm tích với giá trị chuẩn xác định

Phân loại vật liệu tham chiếu

Phân loại vật liệu tham chiếu dựa trên mức độ chứng nhận là cách tiếp cận phổ biến nhất. Vật liệu tham chiếu có chứng nhận (Certified Reference Materials, CRM) bao gồm giá trị thuộc tính được xác lập bằng các phép đo độc lập, sử dụng phương pháp được công nhận và đánh giá độ không đảm bảo toàn diện. CRM đi kèm giấy chứng nhận cung cấp thông tin về truy xuất nguồn gốc, quy trình đặc tính hóa và điều kiện bảo quản. CRM thường được sản xuất bởi các tổ chức tiêu chuẩn quốc gia hoặc quốc tế.

Vật liệu tham chiếu không chứng nhận (Reference Materials, RM) vẫn được sử dụng trong nhiều ứng dụng nhưng có mức độ đảm bảo thấp hơn. Các giá trị được nhà sản xuất cung cấp nhưng không bắt buộc phải qua quy trình đặc tính hóa nghiêm ngặt và không có đánh giá độ không đảm bảo đầy đủ. RM phù hợp cho các mục đích như kiểm tra lặp lại, thử nghiệm nội bộ hoặc kiểm soát chất lượng thường xuyên. Ngoài hai nhóm chính này, còn có vật liệu tham chiếu chuyên ngành như mẫu dược phẩm, mẫu thực phẩm hoặc mẫu mô sinh học phục vụ nghiên cứu chuyên sâu.

Dưới đây là danh sách minh họa các nhóm vật liệu tham chiếu theo mục đích sử dụng:

• Chuẩn hiệu chuẩn thiết bị quang phổ, sắc ký, khối phổ
• Mẫu kiểm tra liên phòng thí nghiệm
• Vật liệu mô phỏng mẫu thật trong phân tích môi trường
• Chuẩn sinh học phục vụ các phép đo tải lượng gen hoặc định lượng protein

Vai trò trong đo lường và kiểm chuẩn

Vật liệu tham chiếu đóng vai trò nền tảng trong hệ thống đo lường nhằm đảm bảo kết quả phân tích có thể so sánh được theo chuẩn quốc tế. Dù thiết bị có độ phân giải cao và phương pháp phân tích hiện đại, việc sử dụng chuẩn quy chiếu vẫn là bước bắt buộc để xác nhận tính chính xác. Các tổ chức đo lường như Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) thiết lập hệ thống SI làm chuẩn toàn cầu, và vật liệu tham chiếu được xem như cầu nối để truy xuất giá trị đo về các chuẩn này.

Trong thực hành thí nghiệm, chuẩn tham chiếu giúp phát hiện sai lệch hệ thống và kiểm tra độ ổn định của thiết bị theo thời gian. Khi một phép phân tích sử dụng CRM cho thấy giá trị đo lệch khỏi giá trị chứng nhận vượt quá độ không đảm bảo cho phép, kỹ thuật viên có thể xác định nguyên nhân ở thiết bị, hóa chất hoặc phương pháp. Điều này giúp phòng thí nghiệm duy trì năng lực đo chính xác, đặc biệt trong các ngành đòi hỏi kiểm chứng nghiêm ngặt như dược phẩm, an toàn thực phẩm và môi trường.

Để mô tả rõ vai trò của vật liệu tham chiếu trong kiểm chuẩn, bảng sau đưa ra một số ứng dụng phổ biến:

Hoạt động	Mục tiêu	Loại vật liệu tham chiếu
Hiệu chuẩn thiết bị phân tích	Thiết lập đường chuẩn và hệ số chuyển đổi	CRM hóa học
Kiểm soát chất lượng nội bộ	Theo dõi độ ổn định kết quả đo theo thời gian	RM hoặc CRM
Thử nghiệm liên phòng	So sánh năng lực đo giữa các phòng thí nghiệm	Mẫu thử đồng nhất đặc thù

Các tiêu chuẩn quốc tế liên quan

Việc xây dựng, quản lý và sử dụng vật liệu tham chiếu tuân thủ các bộ tiêu chuẩn quốc tế do Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) ban hành. ISO 17034 quy định yêu cầu đối với nhà sản xuất CRM bao gồm năng lực kỹ thuật, hệ thống quản lý chất lượng và khả năng truy xuất đo lường. Tiêu chuẩn này đảm bảo rằng CRM được sản xuất với độ tin cậy cao và đặc tính hóa phù hợp theo yêu cầu đo lường quốc tế.

ISO Guide 35 mô tả chi tiết các bước đặc tính hóa CRM gồm đồng nhất, đánh giá ổn định và tính toán độ không đảm bảo. Tài liệu này hướng dẫn cách kết hợp dữ liệu từ nhiều phương pháp đo độc lập và cách đánh giá độ tin cậy thống kê. Ngoài ra, nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật trong các lĩnh vực như phân tích môi trường, vật liệu nano hoặc thực phẩm cũng mô tả yêu cầu bổ sung đối với việc sử dụng vật liệu tham chiếu trong từng lĩnh vực cụ thể.

Bên dưới là danh sách các tiêu chuẩn có vai trò quan trọng:

• ISO 17034: Năng lực của nhà sản xuất vật liệu tham chiếu
• ISO Guide 35: Nguyên tắc và hướng dẫn đặc tính hóa CRM
• ISO/IEC 17025: Năng lực phòng thí nghiệm, bao gồm việc sử dụng RM và CRM trong kiểm soát chất lượng

Quy trình sản xuất vật liệu tham chiếu

Quy trình sản xuất vật liệu tham chiếu đòi hỏi mức kiểm soát nghiêm ngặt từ khâu lựa chọn nguyên liệu đến đánh giá độ ổn định. Nhà sản xuất trước hết phải xác định mục tiêu sử dụng của vật liệu và lựa chọn chất nền phù hợp, đảm bảo tính đại diện cho mẫu phân tích thực tế. Sau đó nguyên liệu được xử lý theo quy trình đặc thù nhằm giảm thiểu tạp chất và loại trừ yếu tố gây sai lệch. Quá trình này yêu cầu kiểm soát môi trường sản xuất như độ ẩm, nhiệt độ và sự nhiễm bẩn chéo.

Đồng nhất mẫu là bước quan trọng nhằm đảm bảo mọi đơn vị của vật liệu tham chiếu đều có thuộc tính như nhau trong giới hạn cho phép. Nhà sản xuất sử dụng kỹ thuật trộn, phân phối và kiểm tra ngẫu nhiên để xác nhận mức độ đồng nhất. Đánh giá độ ổn định được thực hiện bằng cách theo dõi sự biến thiên thuộc tính theo thời gian dưới điều kiện bảo quản tiêu chuẩn hoặc điều kiện khắc nghiệt. Dữ liệu thu được dùng để xác định thời hạn sử dụng và điều kiện bảo quản tối ưu.

Đặc tính hóa thuộc tính của vật liệu tham chiếu đòi hỏi nhiều phép đo độc lập được thực hiện bằng các phương pháp chuẩn xác cao. Độ không đảm bảo tổng hợp được tính bằng cách kết hợp các thành phần không đảm bảo từ đặc tính hóa, đồng nhất và ổn định theo mô hình thống kê. Công thức tổng quát được mô tả như sau:

$u_c = \sqrt{u_{char}^2 + u_{stab}^2 + u_{homo}^2}$

Bảng sau tóm tắt các giai đoạn chính trong sản xuất vật liệu tham chiếu:

Giai đoạn	Mục tiêu	Các phép kiểm tra chính
Lựa chọn nguyên liệu	Xác định chất nền phù hợp	Kiểm tra tạp chất, đánh giá tính đại diện
Đồng nhất mẫu	Đảm bảo tính nhất quán giữa các đơn vị	Phân tích ngẫu nhiên, kiểm tra độ lệch
Đánh giá ổn định	Xác định biến thiên theo thời gian	Phép đo định kỳ, thử nghiệm ở điều kiện khắc nghiệt
Đặc tính hóa	Xác lập giá trị chuẩn	Phương pháp đo độc lập, phân tích thống kê

Ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học

Vật liệu tham chiếu xuất hiện trong hầu hết các lĩnh vực có hoạt động đo lường. Trong hóa phân tích, CRM được dùng để xây dựng đường chuẩn, kiểm tra độ đúng và chuẩn hóa các phương pháp định lượng nguyên tố, hợp chất hữu cơ hoặc tạp chất. Trong dược phẩm, vật liệu tham chiếu hỗ trợ xác định hàm lượng hoạt chất, tạp chất liên quan và độ ổn định của sản phẩm. Điều này đảm bảo rằng các lô thuốc khác nhau đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng trước khi đưa ra thị trường.

Trong lĩnh vực môi trường, vật liệu tham chiếu được sử dụng cho các phép đo nước, không khí và đất nhằm đánh giá mức ô nhiễm. Các mẫu tiêu chuẩn này giúp kiểm soát sai lệch giữa các phòng thí nghiệm, tăng độ tin cậy của dữ liệu giám sát môi trường. Trong thực phẩm, vật liệu tham chiếu giúp xác định dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, kim loại nặng và độc tố vi sinh.

Trong sinh học phân tử, vật liệu tham chiếu đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu tải lượng DNA, RNA hoặc đặc tính protein. Sự ổn định và đồng nhất của mẫu giúp đảm bảo kết quả phân tích không bị ảnh hưởng bởi tác nhân ngẫu nhiên. Một số ứng dụng điển hình:

• Định lượng đoạn gen mục tiêu trong xét nghiệm PCR
• Kiểm tra độ nhạy của phương pháp phát hiện virus
• Đánh giá độ chính xác của xét nghiệm protein huyết tương

Đánh giá chất lượng vật liệu tham chiếu

Đánh giá chất lượng vật liệu tham chiếu tập trung vào ba khía cạnh chính: tính đồng nhất, tính ổn định và độ tin cậy của phương pháp đặc tính hóa. Tính đồng nhất được kiểm tra bằng cách phân tích nhiều đơn vị mẫu trong cùng lô sản xuất. Nếu độ lệch giữa các đơn vị nhỏ hơn giới hạn cho phép, vật liệu được xem là đạt yêu cầu. Đánh giá ổn định kiểm tra sự biến đổi theo thời gian hoặc khi mẫu ở điều kiện không thuận lợi.

Phương pháp đặc tính hóa đòi hỏi sử dụng nhiều phương pháp đo khác nhau hoặc nhiều phòng thí nghiệm độc lập. Mục tiêu là giảm sai lệch hệ thống và tăng độ tin cậy cho giá trị chuẩn. Báo cáo chứng nhận phải liệt kê chi tiết các thông tin như giá trị chuẩn, độ không đảm bảo, điều kiện bảo quản và hướng dẫn sử dụng. Bảng dưới minh họa các tiêu chí đánh giá phổ biến:

Tiêu chí	Yêu cầu
Tính đồng nhất	Sai lệch giữa các đơn vị trong giới hạn xác định
Tính ổn định	Không biến đổi đáng kể trong thời gian sử dụng
Hoạt động đặc tính hóa	Nhiều phương pháp đo độc lập, kiểm tra liên phòng
Truy xuất nguồn gốc	Có liên kết với chuẩn quốc tế và hệ SI

Xu hướng phát triển hiện nay

Nhu cầu vật liệu tham chiếu đang tăng nhanh cùng với sự phát triển của công nghệ phân tích hiện đại. Các lĩnh vực mới như sinh học phân tử, vật liệu nano và phân tích siêu vết yêu cầu CRM có độ tinh khiết cao, nồng độ cực thấp và mô phỏng tốt mẫu thật. Các viện chuẩn quốc gia như National Institute of Standards and Technology (NIST) và Joint Research Centre (JRC) đang đẩy mạnh sản xuất CRM cho lĩnh vực gen, proteomics, nano và an toàn thực phẩm.

Song song đó, các mô hình thống kê mới và công nghệ phân tích tiên tiến đang cải thiện quy trình đặc tính hóa. Việc sử dụng khối phổ có độ phân giải cao, sắc ký đa chiều và công nghệ đo quang phổ chính xác giúp giảm độ không đảm bảo và mở rộng khả năng đặc tính hóa các chất phức tạp. Ngoài ra, chuyển đổi số dữ liệu đo lường giúp quản lý truy xuất nguồn gốc thuận tiện hơn và nâng cao độ minh bạch.

Các tổ chức quốc tế cũng thúc đẩy phát triển vật liệu tham chiếu dùng trong hệ thống đo lường toàn cầu. Một số dự án hợp tác tập trung vào việc hài hòa tiêu chuẩn, mở rộng kho dữ liệu CRM và ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán độ ổn định dài hạn. Xu hướng này mở ra cơ hội xây dựng mạng lưới vật liệu tham chiếu toàn cầu có khả năng hỗ trợ nghiên cứu và công nghiệp trên diện rộng.

Thách thức trong phát triển vật liệu tham chiếu

Dù có vai trò quan trọng, việc phát triển vật liệu tham chiếu gặp nhiều thách thức. Chi phí sản xuất cao và yêu cầu thiết bị đo chính xác khiến nhiều phòng thí nghiệm khó tự sản xuất CRM. Một số lĩnh vực như vật liệu nano và sinh học phức hợp đòi hỏi mô hình đặc tính hóa mới vì thuộc tính của chúng phụ thuộc mạnh vào điều kiện môi trường.

Kinh nghiệm sản xuất CRM chất lượng cao cũng không đồng đều giữa các quốc gia. Điều này dẫn đến sự thiếu hụt vật liệu tham chiếu trong một số lĩnh vực chuyên ngành. Ngoài ra, quy trình xác minh liên phòng thí nghiệm để đặc tính hóa CRM tiêu tốn nhiều thời gian và nguồn lực. Các nhà sản xuất đang nghiên cứu phương pháp tiết kiệm chi phí hơn mà vẫn đảm bảo độ tin cậy.

Sự phức tạp của nhiều mẫu phân tích mới làm tăng nhu cầu xây dựng tiêu chuẩn quốc tế chi tiết hơn. Điều này đòi hỏi hợp tác rộng rãi giữa các tổ chức đo lường quốc gia, cơ quan quản lý và cộng đồng khoa học để tạo ra giải pháp dài hạn và bền vững.

Tài liệu tham khảo

1. Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). https://www.bipm.org
2. International Organization for Standardization (ISO). https://www.iso.org
3. National Institute of Standards and Technology (NIST). https://www.nist.gov
4. European Commission Joint Research Centre (JRC). https://www.ec.europa.eu/jrc