Giáo sư Zhenan Bao trong bộ ảnh chân dung do Christopher Michel thực hiện năm 2024. Ảnh: Christopher Michel/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Một cảm biến đeo trên da muốn theo dõi những biến đổi hóa học trong cơ thể phải giải quyết hai việc cùng lúc: nhận ra lượng chất rất nhỏ và phân biệt được chất cần đo giữa nhiều phân tử xuất hiện cùng nhau. Với các cảm biến điện hóa làm từ carbon, tăng độ nhạy đã khó, nhưng giữ được khả năng phân biệt tín hiệu mà không cần gắn thêm những thành phần nhận diện sinh học như kháng thể còn khó hơn.

Một nhóm gồm 13 tác giả tại Stanford University và các đơn vị cộng tác đã thử một cách khác: biến carbon thành những hạt có cấu trúc giống bông hoa rồi dùng chúng làm điện cực. Công trình “Sensitive Hormone and Neurotransmitter Detection with Carbon Flower Electrodes” được công bố trên Advanced Functional Materials năm 2026. Giáo sư Zhenan Bao, có bằng tiến sĩ Hóa học từ University of Chicago năm 1995 và hiện giữ ghế K.K. Lee Professor in Chemical Engineering tại Stanford University, là tác giả liên hệ của bài báo.

Việc xác định đúng vai trò ở đây quan trọng. Bài báo có 13 tác giả, vì vậy kết quả không thể được mô tả như một “phát minh riêng của Giáo sư Zhenan Bao”. Dữ liệu công bố xác nhận bà là tác giả liên hệ; còn các khâu chế tạo, đặc trưng vật liệu, thử nghiệm điện hóa và phân tích là sản phẩm của cả nhóm nghiên cứu. 

Cấu trúc giống cánh hoa làm tăng bề mặt hoạt động

Những “hoa carbon” trong công trình không phải carbon được tạo hình chỉ để tạo hiệu ứng thị giác. Chúng bắt đầu từ polyacrylonitrile rồi trải qua các bước xử lý nhiệt để tạo thành những hạt carbon có cấu trúc phân cấp, diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện phù hợp cho cảm biến điện hóa. Nhóm phân tán các hạt này thành mực rồi phun phủ lên nền mềm có khả năng co giãn.

Cấu trúc nhiều lớp của các hạt làm tăng vùng bề mặt mà phân tử có thể tiếp xúc với điện cực. Khi một chất bị oxy hóa ở điện thế đặc trưng, sự thay đổi dòng điện tạo ra tín hiệu để cảm biến nhận biết. Nhóm nghiên cứu hướng tới việc khai thác chính đặc tính điện hóa và cấu trúc bề mặt này thay vì phụ thuộc vào kháng thể để “bắt” từng phân tử. Trang nghiên cứu của Bao Group mô tả hướng tiếp cận này là các hạt carbon hình hoa có khả năng phân biệt dấu ấn sinh học mà không cần kháng thể.

Việc đặt điện cực lên nền có thể co giãn cũng liên quan trực tiếp tới bài toán thiết bị đeo. Những vật liệu mềm có thể thích nghi tốt hơn với chuyển động của cơ thể so với các mạch điện cứng. Đây cũng là hướng công nghệ được đề cập trong bài thiết bị điện tử co giãn như da người và học hỏi như não bộ, nhưng công trình của nhóm Zhenan Bao đi vào một lớp bài toán khác: nhận biết các phân tử hóa học bằng điện cực carbon.

Phát hiện sáu chất không đồng nghĩa đo sáu chất cùng lúc

Nhóm thử cảm biến với sáu chất: estradiol, serotonin, melatonin, dopamine, axit ascorbic và axit uric. Ngưỡng phát hiện thấp nhất được báo cáo thuộc về estradiol, ở mức 300 picomolar; serotonin và melatonin khoảng 1 nanomolar, dopamine 4 nanomolar, còn axit ascorbic và axit uric ở mức 10 nanomolar.

Nhưng có một ranh giới cần giữ để tránh làm quá kết quả. Nghiên cứu chứng minh cảm biến phát hiện được sáu chất khi đánh giá từng chất, còn thí nghiệm hỗn hợp mới được thực hiện với tối đa bốn chất cùng lúc. Bài báo không chứng minh một thiết bị duy nhất đã có thể đồng thời đo chính xác cả sáu phân tử trong mẫu sinh học của con người.

Ở hỗn hợp hai và ba thành phần, các đỉnh tín hiệu có thể được tách khá rõ. Khi bổ sung chất thứ tư, axit ascorbic và serotonin bắt đầu có phần tín hiệu chồng lên nhau. Chi tiết này cho thấy việc bỏ kháng thể không đồng nghĩa bài toán chọn lọc đã được giải quyết hoàn toàn; các phân tử có điện thế oxy hóa gần nhau vẫn có thể gây khó cho phép đo.

Sự khác biệt này cũng giúp đặt công trình cạnh cảm biến sinh học trên giấy theo dõi bệnh tiểu đường qua mồ hôi. Thiết bị trong bài đó khai thác phản ứng của bào tử Bacillus subtilis với glucose, tức dựa trên một cơ chế nhận biết sinh học khác. “Hoa carbon” hướng tới sử dụng chính vật liệu điện cực để đạt độ nhạy và khả năng phân biệt tín hiệu.

Đo lặp 100 lần nhưng vẫn mới ở phòng thí nghiệm

Một cảm biến nhạy trong lần đo đầu chưa đủ cho thiết bị đeo, bởi nó còn phải hoạt động lặp lại khi môi trường thay đổi. Nhóm báo cáo điện cực hoa carbon duy trì khả năng đo qua 100 chu kỳ và trong thời gian kéo dài nhiều tuần. Các thử nghiệm cũng xem xét tác động của biến đổi pH và nồng độ muối.

Cảm biến được kiểm tra trong nước bọt nhân tạo, một bước gần hơn với môi trường sinh học phức tạp so với dung dịch đệm đơn giản. Tuy nhiên, “nước bọt nhân tạo” không phải nước bọt thu từ người tham gia nghiên cứu, càng không phải bằng chứng lâm sàng cho thấy thiết bị có thể chẩn đoán hay theo dõi bệnh ở người.

Đây là giới hạn cần được giữ nguyên khi chuyển kết quả phòng thí nghiệm thành thông tin báo chí. Bài báo cho thấy một nền tảng điện cực có độ nhạy, khả năng đo lặp và tính tương thích cơ học với nền co giãn. Công trình chưa trình bày một thiết bị đeo hoàn chỉnh đã được thử nghiệm lâm sàng, chưa chứng minh độ chính xác chẩn đoán bệnh và cũng chưa phải sản phẩm thương mại.

Giáo sư Zhenan Bao, nhà khoa học nghiên cứu vật liệu điện tử mềm tại Stanford University. Ảnh: Christopher Michel/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Từ điện cực tốt đến thiết bị đeo còn nhiều lớp công nghệ

Một sản phẩm theo dõi sinh hóa đeo được không chỉ có vật liệu cảm biến. Nó còn cần cơ chế lấy mẫu dịch cơ thể, mạch điện, nguồn năng lượng, hiệu chuẩn, truyền dữ liệu và thuật toán xử lý tín hiệu. Khoảng cách này có thể thấy khi so với nhẫn thông minh theo dõi nhiều chỉ số sinh hóa qua mồ hôi, nơi mẫu thử CHARM đã tích hợp bộ thu mồ hôi, mảng cảm biến, pin linh hoạt, linh kiện điện tử và truyền dữ liệu không dây trong cùng một hệ thống.

Công trình hoa carbon hiện nằm ở lớp nền tảng đó: cải thiện chính điện cực phát hiện phân tử. Việc điện cực có thể phun phủ lên vật liệu co giãn khiến nó phù hợp để tiếp tục tích hợp vào những miếng dán mềm áp sát da, nhưng “phù hợp để tích hợp” khác với “đã có miếng dán sử dụng được”. Chính phần tóm tắt của bài báo cũng diễn đạt thận trọng rằng hệ cảm biến thích hợp cho hướng phát triển các thiết bị điện tử đeo mềm, thay vì tuyên bố một sản phẩm đã hoàn thiện.

Với estradiol và melatonin, thách thức còn cụ thể hơn. Nồng độ thực tế của những chất này trong một số dịch cơ thể có thể xuống vùng picomolar, thấp hơn khả năng của hệ cảm biến trong một số điều kiện đã thử. Vì thế, tăng thêm độ nhạy vẫn là việc phải làm nếu muốn tiến tới theo dõi không xâm lấn trong đời sống.

Điểm đáng chú ý của nghiên cứu không nằm ở lời hứa thay thế xét nghiệm y khoa. Nó nằm ở một lựa chọn vật liệu: tạo điện cực carbon có hình thái giúp tăng diện tích phản ứng, có thể chế tạo bằng phun phủ trên nền co giãn và vẫn nhận biết nhiều phân tử mà không phải gắn kháng thể vào từng cảm biến.

Đối với Giáo sư Zhenan Bao, công trình này nối tiếp hướng nghiên cứu lâu dài về điện tử mềm và vật liệu có thể giao tiếp với cơ thể. Nhưng ở công bố năm 2026, phần đóng góp cần được đặt đúng trong cấu trúc tập thể của nhóm 13 tác giả và đúng giai đoạn phát triển của công nghệ: một nền tảng cảm biến phòng thí nghiệm có những kết quả đáng kiểm chứng tiếp, chưa phải thiết bị y tế đã bước ra thị trường.

Đọc đúng ba con số của nghiên cứu

- Sáu chất được phát hiện: estradiol, serotonin, melatonin, dopamine, axit ascorbic và axit uric.

- 100 chu kỳ là số lần nhóm kiểm tra khả năng đo lặp của cảm biến, không phải 100 người tham gia thử nghiệm.

- Tối đa bốn chất được đưa vào các thí nghiệm hỗn hợp; nghiên cứu không chứng minh đồng thời phân biệt cả sáu chất trong một mẫu của người thật.