制造和测试用于检测尿液中尿素水平的光学控制微波传感器

摘要

该方案提出了一种低成本、光学控制的微波传感器用于检测尿素。利用光依赖电阻和分形设计，它将尿液的光学特性转化为线性射频阻抗响应。虽然基于FR4的设计在现场应用中展现出潜力，但未来工作仍需低损耗材料和便携系统的临床验证。

摘要

监测尿中尿素水平对于评估肾功能和水分状态至关重要。现有方法通常依赖侵入性、昂贵或耗时的生化检测，这并不适合现场或持续监测。该协议描述了一种新型、低成本且高灵敏度的微波传感器的制造和测试，该传感器专为尿素水平检测设计。该传感器集成了圆形螺旋电感（CSI）、数字间电容（IDC）和光依赖电阻（LDR），运行于FR4基板上，工作频率为1.22 GHz。关键创新是通过LDR进行光学控制，当LDR通过尿液样本暴露于固定光源时，会以线性且可量化的方式调节传感器的插入损耗（S₂₁），相对于尿素浓度。设计采用了回环走线和希尔伯特分形截根，以最小化衍射效应并增强阻抗匹配，从而提高测量精度。我们详细介绍了使用CST微波工作室对传感器进行数值模拟、通过化学刻蚀制造，以及利用人体尿液样本进行实验验证。结果显示，随着尿素水平变化，S₂₁参数存在一致且可重复的移动，这一点通过神经网络模型用于数据分类得到了证实。该传感器为非侵入性、实时生物医学诊断提供了有前景的工具。

引言

由于微波传感技术的接触需求极低、无损穿透性以及非电离电磁波的安全性，已成为生物材料非侵入性表征的强大^工具。体液如尿液的介电特性受其化学成分（包括尿素浓度）影响，使其可通过微波传播变化被检测。虽然传统微波传感器存在，但它们在灵敏度、微型化以及质量因子（Q因子）优化方面常面临挑战，以检测复杂流体如^尿液3中的微小变化。

近期进展采用了多种谐振器几何形状，如互补分裂环谐振腔（CSRR）和分形结构，以提升传感器性能⁴.然而，以简单低成本的设计实现高灵敏度仍是一个重大难^关。这里描述的传感器通过结合CSI和IDC和独特的光学控制机制6，解决了这些局^限性。LDR的加入使传感器的射频性能能够通过尿液样品的光学透明度调制，该透明度与尿素浓度⁷相关。这创造了一种新的变导机制，将生化性质转化为可测量的微^波信号8。

本文提供了详细的分步骤协议，用于构建和操作这台光学控制微波传感器⁹。我们涵盖了设计理念、模拟设置、制造工艺、校准程序和数据分析方法，包括使用机器学习算法进行结果解释¹⁰。代表性结果展示了该传感器在检测人体尿液样本中尿素水平方面的有效性，凸显了其在现场诊断应用中的潜力¹¹。

在整个研究中，尿素浓度以mg/mol^/cm3 为单位表示，以反映传感器转导机制得出的归一化浓度指标，该机制将单位路径长度（cm）的光学衰减与以质量（毫克）归一化的尿素摩尔浓度（mol）联系起来¹²。为便于与标准临床文献比较，该单位可转换为传统单位如下：尿素浓度为1 mg/mol^/cm3 ，在标准测量路径长度下约相当于1 mg/dL，或相当于以尿素分子量（60.06 g/mol）为单位的0.166 mmol/^L13。本研究中研究的浓度范围（150–450 mg/mol/^cm³）对应临床相关尿素水平150–450 mg/dL，涵盖正常生理值（约200–400 mg/dL）及轻度升高¹⁴。这种一致性确保了研究结果在标准生物^{医学实践的}背景下可解释。

拟议的传感器设计源于对一种低成本、非侵入性且实时尿素检测方法的需求，以解决现有微波传感方法的局限性，这些方法通常仅依赖介电介电率变化，且常需复杂的校准。这项工作的创新之处在于整合了三个不同的设计元素，这些元素共同实现了直接且线性的光到微波的转导机制¹⁷。首先，环形螺旋电感（CSI）与指间电容（IDC）结合形成高Q谐振结构，集中电磁场于感应区，增强对周围介质微小变化的灵敏^度。其次，在CSI-IDC结处引入希尔伯特分形残头可最大限度减少衍射效应，优化阻抗匹配，提升测量稳定性和重复性¹⁹。第三，也是最重要的，LDR作为光学控制换能元件的引入，代表了对传统微波传感器的突破;LDR不仅仅依赖样品的介电特性，还使传感器的射频响应能够通过尿液样品的光学透明度调制，该透明度与尿素浓度²⁰相关。这形成了一种混合光学-微波换能通路，将生化性质直接转化为在固定共振频率²¹下S₂₁的可量化位移。据我们所知，这项工作首次展示了光学控制的尿素检测微波传感器，该传感器将LDR与CSI-IDC分形增强谐振腔结合，实现直接线性读数，使该传感器成为无创实时护理现场诊断的有前景平台²²。

传感器的转导机制依赖于一种混合光学-微波通路，其中LDR将尿液光学透明度（与尿素浓度成反比）转化为可量化的|的位移。S₂₁|通过调制圆形螺旋电感-数字间电容（CSI-IDC）谐振器²³的阻抗负载。这种线性关系简化了校准，并实现了实时读数，使拟议设计区别于仅依赖介电介电常数变化的传统微波传感器。临床上，尿素是判断肾功能和水分状态的关键生物标志物，正常水平在200–400 mg/dL之间;偏差可能表明脱水、肾功能障碍或代谢障碍。该传感器解决了黄金标准酶检测的局限性——这些检测需要实验室基础设施和受过培训的人员——通过提供快速（<30秒）、低成本、非侵入性测量，使用微升级样品，支持其在^{现场应用的}潜力。

方案

获得IATRC审查委员会的伦理批准。所有涉及人体尿液样本的程序均符合《赫尔辛基宣言》的原则。所有参与者均获得书面知情同意，所有样本均进行匿名处理以保护机密性。

传感器设计与数值仿真

设计传感器的第一步是运行电磁仿真。CST Microwave Studio 用于制作布局，包括一个由圆形螺旋电感（CSI）与数字间电容（IDC）串联组成的谐振器。这些部件之间有一个连接点，可以让^{它们在光学}上协同工作。为提升性能，CSI-IDC结在两组希尔伯特分形开放截根中加入，以减少电磁场边缘和失真。地面平面还增加了回环结构，以提高带阻滤波器响应的稳定性并提高测量精度²⁶。该设计在标准低成本FR4基板（ε_r≈ 4.3，厚度1.6毫米）上表现最佳，主工作共振频率为1.22 GHz。我们使用软件创建并分析了等效的集总元件电路模型，以检查模拟的S参数。这确保了全波电磁和电路仿真^{的结果一致。}选择LDR作为光学换能元件，是因为它在这一特定微波传感架构中的独特优势。与需要复杂偏置电路并提供非线性电流-光关系的光电二极管或光电晶体管不同，LDR在响应入射光强度时提供被动、线性和宽范围的电阻调制。这种线性电阻变化直接调制相邻微波谐振器的S₂₁ ，而不引入有源电路噪声或额外信号处理。此外，LDR低成本、紧凑的体积以及与FR4基板无缝集成——无需外部偏置线——符合设计中简单、低成本且非侵入式护理现场传感器的目标。

为了将拟议传感器置于尿素检测技术的更广泛背景中，有必要简要比较现有方法。生化检测方法，如酶促尿素酶法，是临床黄金标准，具有高准确性和灵敏度（检测限低至1–5 mg/dL），但需要专业实验室设备、受过培训的人员，以及典型的30–60分钟周转时间，限制了其在现场护理环境中的实用性。酶试纸为家庭使用提供了快速（2–5分钟）、低成本、半定量的替代方案;然而，它们依赖比色解释，这种解释可能具有主观性，且对精确浓度测量的敏感度有限。电化学传感器，包括安培和电位尿素生物传感器，具有高灵敏度并实现实时检测，但通常需要复杂的电极制造和酶固定，且因酶随时间降解而存在稳定性问题。相比之下，拟议的光学控制微波传感器具有独特的特性组合：非侵入式光学耦合消除样品与感应元件的直接接触，降低污染风险;测量时间不到30秒;在低成本FR4基底上制造成本最低;尿素浓度与插入损耗之间的线性关系（S₂₁）简化了校准。虽然目前灵敏度（1.42 × ^10-4 / mg/mol/^cm³）适合对临床相关尿素范围（150–450 mg/dL）进行分类，但进一步优化可能提升检测限，可媲美电化学检测。总体而言，该传感器占据了一个互补的领域，优先考虑简洁、速度和便携性，适用于非实验室级精度的现场护理应用。

传感器制造

标准光刻技术将完成的设计移至单面包铜的FR4板上。使用高分辨率光罩在用光刻胶层压的基板上制作传感器图案。然后显影并刻蚀在氯化铁（FeCl₃）溶液中。蚀刻和清洗后，亚微型A（SMA）连接器被仔细焊接到输入和输出微带端口，以便连接^{测量设备28}。该工艺使传感器能够工作且低调，随时可供测试。

实验装置与校准

利用高品质的同轴电缆，自制传感器连接到矢量网络分析仪（VNA），类似于安捷伦PNA系列。使用机械校准套件，在电缆两端进行完整的双端口校准（开路、短路、负载、穿孔），以消除系统性测量误差。为了测量传感器的S参数，VNA被设置为扫描频率从0.1 GHz到4 GHz，输出功率为-10 dBm²⁹。

尿液样本制备与测量程序

同意提供尿液样本的参与者被要求这样做。设置一个固定测试平台进行测量：LDR直接放置在一个干净的玻璃载玻片下方，该玻片位于传感器的活动区域中央。首先，在LDR由恒定强度的光源照射且无样本的情况下，进行基线S₂₁ 测量。然后，将0.01毫升的尿液滴液移液到玻片中间。S₂₁ 光谱在相同光量下再次记录。样品的光学性质依赖尿素，改变LDR的电阻，从而导致传感器|的可测量变化。S₂₁|频率为1.22 GHz³⁰。为避免交叉污染，每次样品测量间均用蒸馏水和乙醇清洗玻璃载玻片。从十名健康志愿者（五男五女，年龄25至45岁）采集了新鲜尿液样本。临床化学分析仪测量的基线尿素浓度范围为150至450 mg/dL。为确定受控检测范围，样本被分为三个浓度组：低浓度（150–250 mg/dL）、中间浓度（251–350 mg/dL）和高浓度（351–450 mg/dL），每类共十个样本。所有样本采集后2小时内进行分析，未使用时保存在4°C，测量前平衡至室温。每次测试均在干净玻璃玻片上涂抹0.01毫升分量，测量间用70%乙醇和蒸馏水清洗，以防止交叉污染³⁰。

数据采集与分析

每次测量中获取的主要信息是1.22 GHz共振下的S₂₁（单位为dB）大小。该数据集用于教授运行在MATLAB等程序中的K最近邻（KNN）算法。该模型利用S₂₁星等将尿素水平分为“低”、“中等”和“高”³¹。此外，传感器的浓度灵敏度还可以通过绘制|的变化来测量。S₂₁|(Δ|S₂₁|）与尿素浓度（ΔC）的变化形成对比。该线性关系的斜率C = ΔS / ΔC，显示了灵敏度。为评估传感器的鲁棒性和测量可靠性，进行了一项重复性研究，针对尿素浓度类别（低值：150–250 mg/dL，中间值：251–350 mg/dL，最高值：351–450 mg/dL），在三天内进行了45次测量，共计135次测量。所有类别的变异系数范围为0.67%至1.07%，显示出极佳的测量重复性。测量不确定性依据《测量不确定性表达指南》（GUM）框架进行量化，结合了A型不确定性（重复测量产生的统计变异）与来自VNA校准的B型贡献（±0.05 dB）、温度波动（±0.01 dB/°C）和样品定位变化（±0.02 dB）。扩展后的不确定性（k=2,95%置信区间）范围为±0.38 dB至±0.56 dB，具体取决于浓度类别。浓度敏感性，由Δ|的线性回归推导得出S₂₁|与ΔC相比，计算为1.42×^10-4/（mg/mol/^cm3），95%置信区间为1.35×10-4至1.49×^10-4/（mg/mol/^cm3），决定系数（^R2）为0.94。灵敏度的相对扩展不确定性为±6.2%（k=2），证实报告的灵敏性具有统计学上的稳健性，且传感器展现出适合现场护理的可复现性能。

结果

在设计并展示于 图1的制造后，传感器的性能首先被制造出来（见 图2），并在未采样的情况下进行了验证。测量的S参数与模拟结果高度吻合，主共振频率为1.22 GHz，S₂₁ 频率达到-27 dB，如图2所示。<5%）的细微差异归因于制造公差和焊接效果。

传感器对尿素浓度变化的反应是清晰可见的。图3显示了不同尿液样本在1.22 GHz时S₂₁ 星等的可测量偏移。结果总结于表1，显示尿素浓度越高，|变化越大，趋势一致。S₂₁|。

为了将射频测量转换为更易使用的直流电压，传感器输出端连接了一个射频整流电路。

讨论

该方案概述了一种创新的光学控制微波传感器的成功开发，专门用于人体尿液尿素检测。该方案的关键方面是精心设计希尔伯特分形截根，以优化电磁场分布，并确保尿液样本在低密度复查（LDR）上的玻璃载玻片上均匀放置，从而实现可重复的光学耦合。结果凸显了LDR在将尿液光学性质（随尿素^浓度7变化）转化为不同射频阻抗方面的有效性。一个显著发现是S₂₁大小与尿素浓度之间的线性相关，证明了传感器的功能能力。

该传感器采用反环结构，将谐振腔对带衰配置的响应变换，相较通带共振提升了稳定性和精度。然而，神经网络评估显示，中间尿素浓度范围内的分类误差增加，存在一个局限性。这一缺点可以通过扩展未来机器学习应用的训练数据集来解决。此外，虽然使用低成本的FR4基板有助于降低成本效率，但也会产生更高的介电损耗，可能影响传感器的最终Q值和灵敏度。未来的改进可能会受益于使用低损耗基材如罗杰斯材料以提升整体性能。

总之，该传感器代表了向经济实惠且非侵入性的现...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CST微波工作室	达索系统与格拉夫;MES	2023	全波电磁仿真
数字万用表	弗鲁克	87V	用于电阻验证
蒸馏水	本地供应商	无	用于样品稀释和清洗
蚀刻浴	通用	无	温度控制，50度;C
乙醇（70%）	默克	100983	用于清洁玻璃玻片
氯化铁（FeCl3）	西格玛-奥尔德里奇	157740	0.5 M溶液，蚀刻剂
FR4铜包层压板	通用	无	单面，厚度1.6毫米，且有ε;<字幕 >r 4.3
玻璃幻灯片	科宁	2947-75X25	75毫米及时间;25毫米及时间;1毫米，用于样品放置
热板	通用	无	用于显影与固化
光源	通用发光二导管	无	白色LED，6000K色温，1000勒克斯固定强度
光依赖电阻（LDR）	仿制药（GL5528）	GL5528	抗性：10 kΩ（轻），1 MΩ（暗）;直径5毫米
MATLAB	数学作品	R2023b	数据分析与KNN分类;统计与机器学习工具箱
机械校准套件	安捷伦	85052D	开口、短路、加载、通关（OSLT）用于双口校准
微量移液器	埃彭多夫	3120000062	0.5–10 & micro;L 音量范围
Microsoft Excel	Microsoft	Office 365	数据记录与分析
示波器	泰克特罗尼克斯	TBS1052B	用于整流器输出电压测量
光罩	习俗	无	带传感器图案的高分辨率铬面罩
光刻胶	微化学	苏-8 2000	用于光刻的负光刻胶
移液器头	埃彭多夫	30015.119	0.01–10 & micro;L，无菌
聚丙烯样品容器	赛莫飞舍尔	342020-0030	30毫升无菌容器
射频整流电路	习俗	无	肖特基二极管;将射频转换为直流电压
SMA母边发射连接器	安非醇射频	132169	50 & Omega;，用于微带连接
尿素（用于刺杀）	西格玛-奥尔德里奇	U5128	药品级，≥纯度99.5%
紫外线暴露系统	卡尔·苏斯	MA6	曝光时间：120秒
矢量网络分析仪（VNA）	安捷伦	PNA系列	频率范围：0.1和ndash;4 GHz，中频带宽：100 Hz，扫描点：1001