Fabricación y prueba de un sensor de microondas controlado ópticamente para la detección de niveles de urea en orina

Summary

Este protocolo describe un sensor de microondas de bajo coste y controlado ópticamente para detectar urea. Utilizando un diseño de resistencia y fractal dependientes de la luz, traduce las propiedades ópticas de la orina en una respuesta lineal de impedancia RF. Aunque el diseño basado en FR4 muestra potencial para su uso en el punto de atención, los trabajos futuros requieren materiales de baja pérdida y la validación clínica de un sistema portátil.

Abstract

El control de los niveles de urea en la orina es fundamental para evaluar la función renal y el estado de hidratación. Los métodos actuales suelen depender de ensayos bioquímicos intrusivos, costosos o que consumen mucho tiempo, que no son ideales para el punto de atención ni para el monitoreo continuo. Este protocolo describe la fabricación y prueba de un sensor de microondas novedoso, de bajo coste y altamente sensible, diseñado para la detección de niveles de urea. El sensor integra un inductor circular en espiral (CSI), un condensador interdigital (IDC) y una resistencia dependiente de la luz (LDR) sobre un sustrato FR4, operando a una frecuencia de resonancia de 1,22 GHz. La innovación clave es el control óptico mediante la LDR, que, al exponerse a una fuente de luz fija a través de una muestra de orina, modula la pérdida de inserción del sensor (S₂₁) de forma lineal y cuantificable respecto a la concentración de urea. El diseño incorpora una traza de lazo inverso y muñones fractales de Hilbert para minimizar los efectos de difracción y mejorar la adaptación de impedancias, mejorando así la precisión de las mediciones. Detallamos la simulación numérica del sensor utilizando CST Microwave Studio, su fabricación mediante grabado químico y su validación experimental mediante muestras de orina humana. Los resultados demuestran un desplazamiento consistente y repetible en el parámetro S₂₁ con niveles variables de urea, confirmado por un modelo de red neuronal para la clasificación de datos. Este sensor presenta una herramienta prometedora para diagnósticos biomédicos no invasivos y en tiempo real.

Introduction

La tecnología de detección por microondas ha surgido como una herramienta poderosa para la caracterización no invasiva de materiales biológicos debido a sus mínimos requisitos de contacto, penetración no destructiva y la naturaleza segura de las ondas electromagnéticas no^ionizantes. Las propiedades dieléctricas de fluidos corporales como la orina están influenciadas por su composición química, incluida la concentración de urea, lo que las hace detectables mediante cambios en la propagación^{de microondas 2}. Aunque existen sensores convencionales de microondas, a menudo se enfrentan a desafíos en la sensibilidad, miniaturización y optimización del factor de calidad (factor Q) para detectar cambios mínimos en fluidos complejos como la^{orina 3}.

Los avances recientes han empleado diversas geometrías de resonadores, como resonadores complementarios de anillo dividido (CSRR) y estructuras fractales, para mejorar el rendimiento de los^{sensores 4}. Sin embargo, lograr una alta sensibilidad con un diseño sencillo y de bajo coste sigue siendo un^{obstáculo importante 5}. El sensor descrito aquí aborda estas limitaciones combinando un CSI e IDC con un mecanismo de control óptico^{único 6}. La inclusión de una LDR permite modular el rendimiento RF del sensor mediante la transparencia óptica de la muestra de orina, lo que se correlaciona con la concentración de^{urea 7}. Esto crea un mecanismo novedoso de transducción que convierte una propiedad bioquímica en una señal de microondas^{medible 8}.

Este artículo ofrece un protocolo detallado y paso a paso para construir y operar este sensor de^{microondas controlado ópticamente 9}. Cubrimos la justificación del diseño, la configuración de la simulación, el proceso de fabricación, el procedimiento de calibración y el método de análisis de datos, incluyendo el uso de un algoritmo de aprendizaje automático para la interpretación de resultados¹⁰. Los resultados representativos demuestran la eficacia del sensor para detectar niveles de urea en muestras de orina humana, destacando su potencial para aplicaciones diagnósticas en el punto de atención¹¹.

A lo largo de este estudio, la concentración de urea se expresa en unidades de mg/mol/cm³ para reflejar la métrica de concentración normalizada derivada del mecanismo de transducción del sensor, que relaciona la atenuación óptica por unidad de longitud de camino (cm) con la concentración molar de urea (mol) normalizada por masa (miligramos⁾¹². Para facilitar la comparación con la literatura clínica estándar, esta unidad puede convertirse en unidades convencionales de la siguiente manera: una concentración de urea de 1 mg/mol/cm³ corresponde aproximadamente a 1 mg/dL al considerar la longitud estándar del camino de medición, o equivalentemente a 0,166 mmol/L dado el peso molecular de la urea (60,06 g/mol)¹³. El rango de concentraciones investigado en este estudio (150–450 mg/mol/cm³) corresponde a niveles clínicamente relevantes de urea de 150–450 mg/dL, que abarcan valores fisiológicos normales (aproximadamente 200–400 mg/dL) y elevaciones^{leves de 14}. Esta alineación garantiza que los hallazgos sean interpretables dentro del contexto de la práctica biomédica^{estándar 15}.

El diseño propuesto del sensor se motiva por la necesidad de un método de detección de urea de bajo coste, no invasivo y en tiempo real que aborde las limitaciones de los enfoques existentes de detección por microondas, que normalmente dependen únicamente de variaciones de permitividadad dieléctrica y a menudo requieren calibración^{compleja 16}. La novedad de este trabajo radica en la integración de tres elementos de diseño distintos que, en conjunto, permiten un mecanismo de transducción óptica directa y lineal^{a microondas 17}. Primero, la combinación de un inductor circular en espiral (CSI) y un condensador interdigital (IDC) forma una estructura resonante de alto Q que concentra el campo electromagnético en la región de detección, aumentando la sensibilidad a cambios mínimos en el medio^{circundante 18}. En segundo lugar, la incorporación de stubs fractales de Hilbert en la unión CSI-IDC minimiza los efectos de difracción y optimiza la adaptación de impedancias, mejorando la estabilidad y repetibilidad en^{la medición 19}. Tercero, y lo más significativo, la introducción de una LDR como elemento transductor controlado ópticamente representa un cambio respecto a los sensores de microondas convencionales; en lugar de depender únicamente de las propiedades dieléctricas de la muestra, la LDR permite que la respuesta RF del sensor sea modulada por la transparencia óptica de la muestra de orina, que se correlaciona con la concentración de^{urea 20}. Esto crea una vía híbrida de transducción óptico-microondas que traduce una propiedad bioquímica directamente en un desplazamiento cuantificable de S₂₁ a una frecuencia de resonancia^{fija 21}. Hasta donde sabemos, este trabajo representa la primera demostración de un sensor de microondas controlado ópticamente para la detección de urea que combina una LDR con un resonador mejorado por fractales CSI-IDC para lograr una lectura lineal directa, posicionando el sensor propuesto como una plataforma prometedora para diagnósticos no invasivos en tiempo real en^{el punto de atención 22}.

El mecanismo de transducción del sensor se basa en una vía híbrida óptico-microondas en la que la LDR traduce la transparencia óptica de la orina —correlacionada inversamente con la concentración de urea— en un desplazamiento cuantificable en |S₂₁| modulando la carga de impedancia del resonador²³ de inductor circular espiral-condensador interdigital (CSI-IDC). Esta relación lineal simplifica la calibración y permite la lectura en tiempo real, diferenciando el diseño propuesto de los sensores de microondas convencionales que dependen únicamente de variaciones de permitividad dieléctrica. Clínicamente, la urea urinaria es un biomarcador clave para la función renal y el estado de hidratación, con niveles normales que oscilan entre 200 y 400 mg/dL; Las desviaciones pueden indicar deshidratación, insuficiencia renal o trastornos metabólicos. El sensor aborda las limitaciones de los ensayos enzimáticos de referencia —que requieren infraestructura de laboratorio y personal formado— ofreciendo mediciones rápidas (<30 s), de bajo coste y no invasivas utilizando muestras a escala de microlitros, apoyando su potencial para aplicaciones en el punto de atención²⁴.

Protocol

Se obtuvo la aprobación ética del Comité de Revisión del IATRC. Todos los procedimientos que implicaban muestras de orina humana cumplían con los principios de la Declaración de Helsinki. Se obtuvo el consentimiento informado por escrito de todos los participantes y todas las muestras fueron anonimizadas para proteger la confidencialidad.

Diseño de sensores y simulación numérica

El primer paso en el diseño de un sensor es ejecutar una simulación electromagnética. CST Microwave Studio se utiliza para crear la maquetación, que incluye un resonador compuesto por un inductor circular en espiral (CSI) en serie con un condensador interdigital (IDC). Hay un punto de conexión para una relación a distancia entre estas partes que les permite trabajar juntas^{ópticamente 25}. Para mejorar el rendimiento, se añaden dos stubs abiertos fractales de Hilbert a la unión CSI-IDC para reducir el fringing y la distorsión del campo electromagnético. También se añade una estructura de lazo inverso al plano de tierra para hacer que la respuesta del filtro por rechazo de banda sea más estable y mejorar la precisión de la^{medición 26}. El diseño funciona mejor sobre un sustrato FR4 estándar y de bajo coste (ε_r≈ 4,3, espesor 1,6 mm) y tiene una resonancia operativa principal a 1,22 GHz. Utilizamos software para crear y analizar un modelo equivalente de circuitos de elementos agrupados para comprobar los parámetros S simulados. Esto aseguraba que los resultados de las simulaciones electromagnéticas y de circuitos de onda completa fueran los^{mismos, 27}. La elección de LDR como elemento de transducción óptica estuvo impulsada por sus ventajas claras en esta arquitectura específica de detección de microondas. A diferencia de los fotodiodos o fototransistores, que requieren circuitos de polarización complejos y ofrecen una relación no lineal corriente-luz, el LDR proporciona una modulación resistiva pasiva, lineal y de amplio rango en respuesta a la intensidad de la luz incidente. Este desplazamiento lineal en la resistencia modula directamente S₂₁ del resonador de microondas adyacente sin introducir ruido activo en el circuito ni requerir un acondicionamiento adicional de señal. Además, el bajo coste, la huella compacta y la integración fluida del LDR con el sustrato FR4 —que no requiere líneas externas de polarización— se alinean con el objetivo general de diseño de un sensor de punto de atención simple, de bajo coste y no invasivo.

Para contextualizar el sensor propuesto dentro del panorama más amplio de las tecnologías de detección de urea, se justifica una breve comparación con los métodos ya establecidos. Los ensayos bioquímicos, como el método enzimático de la urasa, representan el estándar de oro clínico, ofreciendo alta precisión y sensibilidad (límites de detección tan bajos como 1–5 mg/dL) pero requiriendo equipos de laboratorio especializados, personal formado y tiempos típicos de respuesta de 30–60 minutos, lo que limita su utilidad en entornos de atención. Las tiras enzimáticas reactivas ofrecen una alternativa rápida (2–5 minutos), de bajo coste y semi-cuantitativa, adecuada para uso doméstico; sin embargo, se basan en la interpretación colorimétrica, que puede ser subjetiva, y ofrecen una sensibilidad limitada para la medición precisa de la concentración. Los sensores electroquímicos, incluidos los biosensores de urea amperométrica y potenciométrica, alcanzan una alta sensibilidad y permiten la detección en tiempo real, aunque a menudo requieren fabricación compleja de electrodos e inmovilización enzimática, y sufren problemas de estabilidad debido a la degradación enzimática con el tiempo. En contraste, el sensor de microondas controlado ópticamente propuesto ofrece una combinación única de características: el acoplamiento óptico no invasivo elimina el contacto directo de la muestra con los elementos sensores, reduciendo el riesgo de contaminación; el tiempo de medición es inferior a 30 segundos; la fabricación sobre sustrato FR4 de bajo coste minimiza el coste; y la relación lineal entre la concentración de urea y la pérdida por inserción (S₂₁) simplifica la calibración. Aunque la sensibilidad actual (1,42 × ^10-4 por mg/mol/^{cm 3}) es adecuada para la clasificación categórica de rangos clínicamente relevantes de urea (150–450 mg/dL), una optimización adicional podría mejorar los límites de detección comparables a los equivalentes electroquímicos. En general, el sensor ocupa un nicho complementario, priorizando la simplicidad, la rapidez y la portabilidad para aplicaciones en el punto de atención donde la precisión de laboratorio no es esencial.

Fabricación de sensores

La fotolitografía estándar traslada el diseño final a un tablero FR4 de un solo rostro revestido de cobre. Se utiliza una fotomáscara de alta resolución para crear el patrón del sensor sobre un sustrato laminado con fotoresist. El patrón se desarrolla y graba en una solución de cloruro férrico (FeCl₃). Tras el grabado y la limpieza, los conectores SubMiniature versión A (SMA) se soldan cuidadosamente a los puertos microstrip de entrada y salida para que el equipo de medición pueda^{conectarse en 28}. Este proceso crea un sensor funcional, de perfil bajo y listo para ser probado.

Montaje experimental y calibración

Utilizando cables coaxiales de alta calidad, el sensor fabricado está conectado a un analizador de redes vectoriales (VNA), similar a una serie Agilent PNA. Utilizando un kit de calibración mecánico, se realiza una calibración completa de dos puertos (Abierto, Corto, Carga, Atravesado) en los extremos del cable para eliminar errores sistemáticos de medición. Para medir los parámetros S del sensor, el VNA está configurado para barrer de 0,1 GHz a 4 GHz con una potencia de salida de -10 dBm²⁹.

Procedimiento de preparación y medición de muestras de orina

Se pide a los participantes que acepten proporcionar sus muestras de orina que lo hagan. Se monta una plataforma fija de prueba para la medición: una LDR se coloca directamente debajo de una lámina de cristal limpia centrada sobre la región activa del sensor. Primero, se realiza una medición base de S₂₁ con la LDR iluminada por una fuente de luz de intensidad constante y sin muestra presente. Luego, se pipetea una gota de 0,01 mL de orina en el centro del portaobjetos de vidrio. El espectro S₂₁ se registra de nuevo con la misma cantidad de luz. Las propiedades ópticas de la muestra, que dependen de la urea, modifican la resistencia de la LDR, lo que provoca un cambio medible en el sensor |S₂₁| a 1,22 GHz³⁰. Para evitar la contaminación cruzada, la lámina de vidrio se limpia con agua destilada y etanol entre cada medición de muestra. Se recogieron muestras frescas de orina de diez voluntarios sanos (cinco varones, cinco mujeres; de 25 a 45 años). Las concentraciones basales de urea, medidas mediante un analizador de química clínica, oscilaban entre 150 y 450 mg/dL. Para establecer un rango controlado de pruebas, las muestras se categorizaron en tres grupos de concentración: baja (150–250 mg/dL), intermedia (251–350 mg/dL) y alta (351–450 mg/dL), con diez muestras por categoría. Todas las muestras se analizaron en un plazo de 2 horas tras la recogida, se almacenaron a 4 °C cuando no se usaban y se equilibraron a temperatura ambiente antes de la medición. Se aplicó una alicuota de 0,01 mL a una lámina de vidrio limpia para cada prueba, con las láminas limpiadas con etanol al 70% y agua destilada entre mediciones para evitar la contaminación^{cruzada 30}.

Adquisición y análisis de datos

La principal información obtenida de cada medición es el tamaño de S₂₁ (en dB) en la resonancia de 1,22 GHz. Este conjunto de datos se utiliza para enseñar un algoritmo de K-Nearest Neighbors (KNN) que se ejecuta en un programa como MATLAB. El modelo utiliza la magnitud S₂₁ para clasificar los niveles de urea en grupos como "bajo", "intermedio" y "alto^"31. Además, la sensibilidad a la concentración del sensor puede medirse representando el cambio en |S₂₁| (Δ|S₂₁|) frente al cambio en la concentración de urea (ΔC). La pendiente de esta relación lineal, C = ΔS / ΔC, muestra la sensibilidad. Para evaluar la robustez de los sensores y la fiabilidad de la medición, se realizó un estudio de repetibilidad con 45 mediciones por categoría de concentración de urea (baja: 150–250 mg/dL, intermedia: 251–350 mg/dL, alta: 351–450 mg/dL) a lo largo de tres días independientes, sumando un total de 135 mediciones. El coeficiente de variación osciló entre el 0,67% y el 1,07% en todas las categorías, lo que indica una excelente repetibilidad en la medición. La incertidumbre de la medición se cuantificó siguiendo el marco de la Guía para la Expresión de la Incertidumbre en la Medición (GUM), combinando la incertidumbre de Tipo A (variación estadística por mediciones repetidas) con contribuciones de Tipo B de la calibración de VNA (±0,05 dB), fluctuaciones de temperatura (±0,01 dB/°C) y variaciones en la posición de la muestra (±0,02 dB). La incertidumbre ampliada (k=2, intervalo de confianza del 95%) osciló entre ±0,38 dB y ±0,56 dB, dependiendo de la categoría de concentración. La sensibilidad a la concentración, derivada de la regresión lineal de Δ|S₂₁| frente a ΔC, se calculó como 1,42 × ^10-4 por (mg/mol/cm³), con un intervalo de confianza del 95% de 1,35 × ^10-4 a 1,49 × ^10-4 por (mg/mol/^{cm 3}) y un coeficiente de determinación (R²) de 0,94. La incertidumbre relativa ampliada en la sensibilidad fue del ±6,2% (k = 2), lo que confirma que la sensibilidad reportada es estadísticamente robusta y que el sensor demuestra un rendimiento reproducible adecuado para aplicaciones en el punto de atención.

Results

Tras la fabricación que se diseñó y presentó en la Figura 1, el rendimiento del sensor fue primero fabricado, véase la Figura 2, y validado sin ninguna muestra. Los parámetros S medidos mostraron una excelente concordancia con los resultados simulados, con una resonancia primaria a 1,22 GHz y S₂₁ alcanzando -27 dB, como se muestra en la Figura 2. Las pequeñas discrepancias (<5%) se deben ...

Discussion

El protocolo describe el desarrollo exitoso de un innovador sensor de microondas controlado ópticamente, diseñado específicamente para la detección de urea en orina humana. Aspectos clave del protocolo implican el diseño meticuloso de los muñones fractales de Hilbert para optimizar la distribución del campo electromagnético y asegurar la colocación consistente de muestras de orina en una lámina de vidrio sobre LDR para facilitar el acoplamiento óptico reproducible. Los resultados destaca...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Estudio de Microondas CST	Dassault Systè mes	2023	Simulación electromagnética de onda completa
Multímetro digital	Suerte	87V	Para la verificación de resistencia
Agua destilada	Proveedor local	N/A	Para dilución y limpieza de muestras
Baño de grabado	Genérico	N/A	Temperatura controlada, 50°C; C
Etanol (70%)	Merck	100983	Para limpiar las láminas de vidrio
Cloruro férrico (FeCl3)	Sigma-Aldrich	157740	Solución 0,5 M, agente de grabado
Laminado FR4 revestido de cobre	Genérico	N/A	De una sola cara, 1,6 mm de grosor, y epsilon; r 4.3
Correderos de vidrio	Corning	2947-75X25	75 mm y tiempos; 25 mm y tiempos; 1 mm, para la colocación de la muestra
Placa eléctrica	Genérico	N/A	Para el desarrollo y curado
Fuente de luz	LED genérico	N/A	LED blanco, temperatura de color de 6000 K, intensidad fija de 1000 lux
Resistencia dependiente de la luz (LDR)	Genérico (GL5528)	GL5528	Resistencia: 10 kΩ (luz), 1 MΩ (oscuro); 5 mm de diámetro
MATLAB	MathWorks	R2023b	análisis de datos y clasificación KNN; Caja de herramientas de estadística y aprendizaje automático
Kit de calibración mecánica	Agilent	85052D	Abierto, corto, carga, pasando (OSLT) para calibración de dos puertos
Micropipeta	Eppendorf	3120000062	0,5– 10 & micro; Rango de volumen L
Microsoft Excel	Microsoft	Oficina 365	Registro y análisis de datos
Osciloscopio	Tektronix	TBS1052B	Para la medición de la tensión de salida del rectificador
Fotomáscara	Costumbres	N/A	Máscara cromada de alta resolución con patrón de sensor
Fotorresist	Microquímica	SU-8 2000	Fotorresist negativo para fotolitografía
Puntas de pipeta	Eppendorf	30015.119	0.01&nguion; 10 & micro; L, estéril
Recipientes para muestras de polipropileno	Thermo Fisher	342020-0030	Recipientes estériles de 30 mL
Circuito rectificador de RF	Costumbres	N/A	A base de diodos Schottky; convierte RF en tensión DC
Conector de lanzamiento de borde hembra SMA	Amphenol RF	132169	50 Ω, para conexión microstrip
Urea (para pinchar)	Sigma-Aldrich	U5128	Grado farmacéutico, ≥ 99,5% de pureza
Sistema de exposición UV	Karl Suss	MA6	Tiempo de exposición: 120 s
Analizador de redes vectoriales (VNA)	Agilent	Serie PNA	Rango de frecuencia: 0,1 y guion; 4 GHz, ancho de banda FI: 100 Hz, puntos de barrido: 1001