Trong những năm gần đây, các vụ cháy rừng trên khắp thế giới đang diễn ra với tần suất và mức độ nghiêm trọng ngày càng tăng. Không chỉ tàn phá môi trường và tài nguyên thiên nhiên, cháy rừng còn để lại hậu quả âm thầm nhưng nghiêm trọng: khói độc lan rộng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe hàng triệu người – từ lính cứu hỏa tuyến đầu đến cộng đồng dân cư sống gần khu vực cháy.

Trước thực trạng ấy, một nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học Bang Washington (WSU) và Đại học Georgia (UGA) đã phát triển một giải pháp công nghệ đột phá: một cảm biến sinh học giá rẻ làm từ giấy và một đầu đọc in 3D kết nối với điện thoại thông minh, giúp nhanh chóng xác định mức độ phơi nhiễm khói độc hại của từng cá nhân. Công nghệ này hứa hẹn mở ra một kỷ nguyên mới trong giám sát sức khỏe cộng đồng và hỗ trợ ứng phó cháy rừng hiệu quả hơn.

Vì sao cần theo dõi phơi nhiễm khói?

Khói từ cháy rừng không đơn thuần là bụi mù – nó chứa hàng loạt hóa chất nguy hiểm như benzen, formaldehyde, các hạt mịn PM2.5, và các chất ô nhiễm hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Khi hít phải, những chất này có thể gây:

Bệnh hô hấp cấp tính và mạn tính (hen suyễn, viêm phế quản, COPD…)

Bệnh tim mạch

Ung thư phổi

Tổn thương tế bào và hệ miễn dịch

Tác động lâu dài đến trẻ em, người già và người có bệnh nền

Tuy nhiên, cho đến nay, việc đánh giá mức độ phơi nhiễm khói của từng cá nhân vẫn là một thách thức lớn. Các mô hình hiện tại chỉ ước tính tổng quát dựa trên dữ liệu khí tượng, ảnh vệ tinh hoặc cảm biến chất lượng không khí ở phạm vi khu vực, chưa đủ để xác định ai đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng nhất.

Bên cạnh đó, mỗi người phản ứng khác nhau với khói. Có người hít phải ít nhưng chuyển hóa chậm, tích lũy chất độc lâu dài. Có người tiếp xúc nhiều nhưng thải độc nhanh hơn. Vì vậy, một hệ thống đo trực tiếp mức độ phơi nhiễm trên cơ thể từng người sẽ là chìa khóa để phân tích chính xác rủi ro và đưa ra biện pháp can thiệp kịp thời.

Cảm biến giấy: Nhỏ gọn, nhạy bén và dễ sử dụng

Cảm biến mới do nhóm nghiên cứu phát triển có cấu trúc rất đơn giản, được làm từ giấy thấm, tương tự như vật liệu dùng trong các bộ xét nghiệm nhanh. Tuy nhiên, công nghệ đằng sau lớp giấy ấy lại vô cùng tinh vi.

Cấu trúc cảm biến sinh học

Trên giấy, các nhà khoa học phủ lên đó các hạt kim loại siêu nhỏ từ paladi và bạch kim, có hình dáng như những bông hoa. Các hạt kim loại này đóng vai trò là chất xúc tác và bộ khuếch đại tín hiệu sinh hóa. Khi tiếp xúc với nước tiểu của người dùng – vốn có thể chứa dấu vết của các chất chuyển hóa từ benzen (một thành phần nguy hiểm trong khói cháy gỗ) – cảm biến sẽ phản ứng và sinh ra tín hiệu màu hoặc điện hóa.

Điều đặc biệt là cảm biến này không chỉ cho biết có hay không việc tiếp xúc với khói (như que thử COVID), mà còn có thể định lượng chính xác nồng độ chất độc đã đi vào cơ thể, dựa trên mức độ phản ứng của các chất xúc tác.

Kết hợp với điện thoại thông minh: Theo dõi trực tiếp và theo thời gian thực

Để giải mã tín hiệu từ cảm biến giấy, nhóm nghiên cứu cũng phát triển một đầu đọc in 3D nhỏ gọn, kết nối với điện thoại thông minh qua ứng dụng tùy chỉnh.

Cách thức hoạt động như sau:

Người dùng lấy mẫu nước tiểu bằng que thử giấy.

Đặt que vào đầu đọc được kết nối với điện thoại.

Ứng dụng sẽ quét mẫu, đo cường độ phản ứng, tính toán nồng độ chất chuyển hóa độc hại và hiển thị kết quả trên màn hình.

Nếu người dùng cho phép định vị, dữ liệu sẽ được định vị theo GPS và tải về hệ thống trung tâm để các nhà nghiên cứu hoặc cơ quan chức năng phân tích.

Lợi ích vượt trội

Tiện lợi: Có thể sử dụng ngay tại hiện trường cháy, không cần phòng thí nghiệm.

Nhanh chóng: Kết quả có trong vòng vài phút.

Chính xác cá nhân hóa: Biết được cụ thể một người đã hấp thụ bao nhiêu chất độc từ khói.

Giá rẻ: Mỗi cảm biến chỉ tốn vài xu (cent).

Phù hợp với vùng xa: Không cần kết nối internet hay hạ tầng y tế hiện đại.

Thử nghiệm thực tế và kết quả ban đầu

Sau khi được thử nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm, cảm biến đã được đưa vào sử dụng thử nghiệm bởi các lính cứu hỏa trong mùa cháy rừng.

Trong quá trình triển khai thực địa, thiết bị cho kết quả nhất quán với các phương pháp đo truyền thống. Tuy nhiên, tốc độ xử lý, khả năng định vị và tính cá nhân hóa vượt trội, giúp phát hiện nhanh những người có nguy cơ cao để ưu tiên chăm sóc sức khỏe hoặc nghỉ ngơi, đồng thời hỗ trợ thiết lập các bản đồ nhiệt về mức độ phơi nhiễm khói trong từng khu vực.

Dữ liệu thu thập từ điện thoại có thể tổng hợp theo thời gian thực, cho phép các cơ quan phòng cháy chữa cháy, y tế công cộng và quản lý môi trường theo dõi, phân tích và điều chỉnh chiến lược ứng phó một cách linh hoạt.

Mở rộng ứng dụng trong tương lai

Ngoài cháy rừng, công nghệ cảm biến giấy và đầu đọc di động còn có thể mở rộng để:

Giám sát công nhân trong ngành công nghiệp ô nhiễm cao như luyện kim, khai khoáng, sản xuất hóa chất.

Theo dõi phơi nhiễm khí độc trong chiến tranh, khủng bố sinh hóa.

Phát hiện sớm rủi ro sức khỏe môi trường trong cộng đồng dân cư gần khu công nghiệp, bãi rác, nhà máy đốt rác…

Với việc cá nhân hóa dữ liệu môi trường, người dân sẽ có công cụ tự bảo vệ sức khỏe và ra quyết định đúng đắn hơn trong thời gian thực – như tránh khu vực ô nhiễm, đeo khẩu trang đặc biệt, hoặc hạn chế vận động ngoài trời khi cần thiết.

Tương lai của giám sát sức khỏe môi trường: Rẻ, nhanh và cá nhân hóa

Công nghệ cảm biến sinh học in giấy, kết hợp với ứng dụng di động thông minh, không chỉ là một sáng kiến y tế – mà còn là nền tảng cho một hệ sinh thái giám sát sức khỏe môi trường toàn diện.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang làm gia tăng các sự kiện cực đoan như cháy rừng, bão bụi và ô nhiễm không khí, giải pháp này có thể trở thành vũ khí thiết yếu để bảo vệ con người trước những hiểm họa môi trường vô hình.

Không cần đến các thiết bị đắt tiền hay cơ sở hạ tầng phức tạp, bất kỳ ai sở hữu một chiếc điện thoại thông minh và một que thử đơn giản đều có thể trở thành “trạm đo di động” cho hệ thống cảnh báo ô nhiễm toàn cầu.

Dự án hợp tác giữa Đại học Bang Washington và Đại học Georgia đã tạo nên một bước ngoặt lớn trong việc cá nhân hóa việc theo dõi phơi nhiễm khói độc hại. Với giá thành rẻ, hiệu quả cao và khả năng mở rộng, hệ thống cảm biến giấy và điện thoại thông minh không chỉ giúp lính cứu hỏa và cộng đồng chủ động ứng phó với ô nhiễm từ cháy rừng, mà còn đặt nền móng cho một tương lai nơi công nghệ và sức khỏe môi trường được kết nối liền mạch.

Câu hỏi đặt ra không còn là "liệu chúng ta có thể theo dõi mức độ ô nhiễm cá nhân?" mà là: chúng ta sẽ triển khai công nghệ này đến đâu để bảo vệ được nhiều người nhất có thể – trước khi quá muộn?

Nguồn: VISTA