Ô nhiễm môi trường là vấn đề lớn tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam, đặc biệt từ khí thải công nghiệp, hóa chất nông nghiệp và dược phẩm thải bỏ. Trong đó, diclofenac – một loại thuốc giảm đau, kháng viêm thuộc nhóm NSAID – thường tồn dư trong nước thải sau khi bài tiết, gây nguy hại cho hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe con người. Các phương pháp phân tích truyền thống như GC-MS hay LC-MS có độ chính xác cao nhưng tốn kém, mất thời gian và yêu cầu phòng thí nghiệm chuyên dụng. Vì vậy, nhu cầu về các giải pháp cảm biến nhanh, rẻ, và có thể đo trực tiếp tại hiện trường ngày càng cấp thiết.

Bài báo giới thiệu một loại cảm biến sinh học toàn tế bào (WCBs) mới, kết hợp đo trở kháng điện và tín hiệu huỳnh quang. Cấu trúc cảm biến gồm tấm kính phủ điện cực ITO dạng IDEs với 24 ngón liên kết, chiều dài 11 mm và độ rộng 0,5 µm. Hệ thống vi lưu PDMS được thiết kế thành hai kênh đo và tham chiếu, ngăn cách bằng màng polycarbonate xốp cho phép chất dinh dưỡng và chất phân tích khuếch tán nhưng giữ lại tế bào. Tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae BY4741 p426PDR5-tGFP được cố định trong hydrogel, vừa đóng vai trò phần tử sinh học vừa phát tín hiệu huỳnh quang khi bị kích thích bởi LED.

Quy trình chế tạo sử dụng công nghệ CMOS với một photomask duy nhất, phủ ITO bằng phương pháp sputtering, sau đó xử lý nhiệt và tạo hình bằng kỹ thuật lift-off. Mô-đun quang học gồm LED phát sáng xanh (470–510 nm) và photodiode thu tín hiệu huỳnh quang, kết hợp mạch chuyển đổi dòng – áp để tăng tỷ lệ tín hiệu/nhiễu. Hệ thống đo trở kháng sử dụng máy quang phổ trở kháng ISX-3v2, dữ liệu được xử lý bằng phần mềm DAQ FactoryExpress hoặc LabVIEW.

Kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến phát hiện được sự thay đổi trở kháng và tín hiệu huỳnh quang khi nồng độ diclofenac trong dung dịch dinh dưỡng nằm trong khoảng 10–100 µM. Đặc biệt, ở nồng độ 1 µM, cảm biến đã ghi nhận sự thay đổi rõ rệt trong phổ trở kháng, chứng minh khả năng phát hiện ở mức giới hạn thấp. Phổ trở kháng phụ thuộc vào cấu hình điện cực và trạng thái tế bào (cố định trong gel hay treo trong dung dịch). Ở tần số cao (>1 MHz), ảnh hưởng của diclofenac giảm do chi phối bởi điện dung môi trường, nhưng ở tần số trung bình (100 kHz), sự khác biệt trở nên rõ rệt.

Đối với tín hiệu quang học, dòng điện từ photodiode tăng tuyến tính theo nồng độ diclofenac từ 0 đến 50 µM sau 16 giờ tiếp xúc, chứng minh tính ổn định và độ nhạy của mô-đun huỳnh quang. Như vậy, cảm biến kết hợp này vừa theo dõi được phản ứng sinh học của tế bào, vừa phát hiện trực tiếp chất ô nhiễm, mang lại độ tin cậy cao.

Kết luận, cảm biến quang – trở kháng toàn tế bào là giải pháp mới, rẻ, dễ chế tạo và thích hợp cho đo tại hiện trường, thay thế phần nào các phương pháp phân tích truyền thống. Dù giới hạn phát hiện còn ở mức micromolar, thiết kế này mở ra hướng phát triển cảm biến MEMS tích hợp, có khả năng miniaturization và ứng dụng rộng rãi trong giám sát môi trường và an toàn thực phẩm.

Nghiên cứu do các tác giả gồm: Quang Thông Trinh (Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội), Nguyễn Quang Dịch (Viện Công nghệ Điều khiển và Tự động hóa (ICEA), Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (HUST)); Việt Phương Triệu (Viện Tiêu chuẩn và Chất lượng Quốc gia Việt Nam (VSQI)), Gerald Gerlach (Viện Điện tử Bán dẫn (IFE), Đại học Công nghệ Dresden (TUD), Dresden, Đức) thực hiện.

Tạp chí Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa 2025, 29(4): 18-23(ctngoc)