Fabbricazione e test di un sensore a microonde controllato otticamente per il rilevamento del livello di urea nelle urine

Summary

Questo protocollo delinea un sensore a microonde a basso costo, controllato otticamente per il rilevamento dell'urea. Utilizzando un design a resistenza e frattale dipendenti dalla luce, traduce le proprietà ottiche dell'urina in una risposta lineare di impedenza RF. Sebbene il progetto basato su FR4 mostri potenzialità per l'uso al punto di cura, i lavori futuri richiedono materiali a basso costo e la validazione clinica di un sistema portatile.

Abstract

Il monitoraggio dei livelli di urea nelle urine è fondamentale per valutare la funzione renale e lo stato di idratazione. I metodi attuali spesso si basano su sagaggi biochimici intrusivi, costosi o che richiedono tempo, che non sono ideali per il punto di assistenza o il monitoraggio continuo. Questo protocollo descrive la fabbricazione e il collaudo di un sensore a microonde innovativo, a basso costo e altamente sensibile, progettato per il rilevamento dei livelli di urea. Il sensore integra un induttore a spirale circolare (CSI), un condensatore interdigitale (IDC) e una resistenza dipendente dalla luce (LDR) su un substrato FR4, operando a una frequenza di risonanza di 1,22 GHz. L'innovazione chiave è il controllo ottico tramite la LDR che, quando esposta a una sorgente luminosa fissa tramite un campione di urina, modula la perdita di inserimento del sensore (S₂₁) in modo lineare e quantificabile rispetto alla concentrazione di urea. Il progetto incorpora una traccia back-loop e stub frattali di Hilbert per minimizzare gli effetti di diffrazione e migliorare l'adattamento delle impedenze, migliorando così la precisione delle misurazioni. Dettagliamo la simulazione numerica del sensore utilizzando CST Microwave Studio, la sua fabbricazione tramite incisione chimica e la sua validazione sperimentale utilizzando campioni di urina umana. I risultati dimostrano uno spostamento costante e ripetibile del parametro S₂₁ con livelli variabili di urea, confermato da un modello di rete neurale per la classificazione dei dati. Questo sensore rappresenta uno strumento promettente per la diagnostica biomedica non invasiva e in tempo reale.

Introduction

La tecnologia di rilevamento a microonde è emersa come uno strumento potente per la caratterizzazione non invasiva di materiali biologici grazie ai suoi requisiti minimi di contatto, alla penetrazione non distruttiva e alla natura sicura delle onde elettromagnetiche non^ionizzanti. Le proprietà dielettriche dei fluidi corporei come l'urina sono influenzate dalla loro composizione chimica, inclusa la concentrazione di urea, rendendole rilevabili attraverso cambiamenti nella propagazione delle^{microonde 2}. Sebbene esistano sensori a microonde convenzionali, spesso affrontano sfide nella sensibilità, miniaturizzazione e ottimizzazione del fattore di qualità (fattore Q) per rilevare minime cambiamenti in fluidi complessi come^{l'urina 3}.

I progressi recenti hanno impiegato varie geometrie dei risonatori, come i resonatori ad anello spacciato complementare (CSRR) e le strutture frattali, per migliorare le prestazioni dei^{sensori 4}. Tuttavia, ottenere un'alta sensibilità con un design semplice e a basso costo rimane un ostacolo^{significativo 5}. Il sensore descritto qui affronta queste limitazioni combinando un CSI e un IDC con un meccanismo di controllo ottico^{unico 6}. L'inclusione di una LDR permette di modulare le prestazioni RF del sensore grazie alla trasparenza ottica del campione di urina, che corrisponde alla concentrazione di^{urea 7}. Questo crea un nuovo meccanismo di trasduzione che converte una proprietà biochimica in un segnale microonde^{misurabile 8}.

Questo articolo fornisce un protocollo dettagliato passo dopo passo per costruire e operare questo sensore a^{microonde controllato otticamente 9}. Trattiamo la logica del progetto, la configurazione della simulazione, il processo di fabbricazione, la procedura di calibrazione e il metodo di analisi dei dati, incluso l'uso di un algoritmo di apprendimento automatico per l'interpretazione dei^{risultati 10}. I risultati rappresentativi dimostrano l'efficacia del sensore nel rilevare i livelli di urea nei campioni di urina umana, evidenziandone il potenziale per applicazioni diagnostiche al punto di cura¹¹.

Durante tutto questo studio, la concentrazione di urea è espressa in unità di mg/mol/cm³ per riflettere la metrica di concentrazione normalizzata derivata dal meccanismo di trasduzione del sensore, che collega l'attenuazione ottica per unità di lunghezza di percorso (cm) alla concentrazione molare di urea (mol) normalizzata in massa (milligrammi⁾¹². Per facilitare il confronto con la letteratura clinica standard, questa unità può essere convertita in unità convenzionali come segue: una concentrazione di urea di 1 mg/mol/^{cm 3} corrisponde a circa 1 mg/dL considerando la lunghezza standard del percorso di misura, o equivalentemente 0,166 mmol/L dato il peso molecolare dell'urea (60,06 g/mol)¹³. L'intervallo di concentrazione indagato in questo studio (150–450 mg/mol/cm³) corrisponde a livelli clinicamente rilevanti di urea di 150–450 mg/dL, che coprono valori fisiologici normali (circa 200–400 mg/dL) e lievi elevazioni^{di 14}. Questo allineamento garantisce che i risultati siano interpretabili nel contesto della pratica biomedica^{standard 15}.

Il progetto proposto del sensore è motivato dalla necessità di un metodo di rilevamento dell'urea a basso costo, non invasivo e in tempo reale, che affronti le limitazioni degli approcci esistenti di rilevamento a microonde, che tipicamente si basano esclusivamente sulle variazioni di permittività dielettrica e spesso richiedono una calibrazione^{complessa 16}. La novità di questo lavoro risiede nell'integrazione di tre elementi progettuali distinti che insieme consentono un meccanismo di trasduzione ottico a microonde diretto^{e lineare 17}. Innanzitutto, la combinazione di un induttore a spirale circolare (CSI) e di un condensatore interdigitale (IDC) forma una struttura risonante ad alto Q che concentra il campo elettromagnetico nella regione di rilevamento, aumentando la sensibilità ai minimi cambiamenti nel mezzo^{circostante 18}. In secondo luogo, l'incorporazione di stub frattali di Hilbert alla giunzione CSI-IDC minimizza gli effetti di diffrazione e ottimizza l'adattamento delle impedenze, migliorando la stabilità e la ripetibilità^{della misura 19}. In terzo luogo, e più significativo, l'introduzione di una LDR come elemento trasduttore controllato otticamente rappresenta una deviazione dai sensori a microonde convenzionali; invece di affidarsi esclusivamente alle proprietà dielettriche del campione, la LDR permette che la risposta RF del sensore venga modulata dalla trasparenza ottica del campione di urina, che corrisponde alla concentrazione di urea²⁰. Questo crea un percorso ibrido di trasduzione ottico-microonde che traduce direttamente una proprietà biochimica in uno spostamento quantificabile di S₂₁ a una frequenza di risonanza^{fissa 21}. Per quanto ne sappiamo, questo lavoro rappresenta la prima dimostrazione di un sensore a microonde controllato otticamente per il rilevamento dell'urea che combina una LDR con un risonatore potenziato da frattali CSI-IDC per ottenere una lettura lineare diretta, posizionando il sensore proposto come una piattaforma promettente per diagnostiche non invasive e in tempo reale al punto^{di cura 22}.

Il meccanismo di trasduzione del sensore si basa su un percorso ibrido ottico-microonde in cui la LDR traduce la trasparenza ottica dell'urina — inversamente correlata alla concentrazione di urea — in uno spostamento quantificabile in |S₂₁| modulando il carico di impedenza del risonatore induttore a spirale circolare induttore-interdigitale (CSI-IDC)²³. Questa relazione lineare semplifica la calibrazione e consente la lettura in tempo reale, distinguendo il progetto proposto dai sensori a microonde convenzionali che dipendono esclusivamente dalle variazioni di permittività dielettrica. Clinicamente, l'urea urinaria è un biomarcatore chiave per la funzione renale e lo stato di idratazione, con livelli normali che variano da 200 a 400 mg/dL; Le deviazioni possono indicare disidratazione, deficit renale o disturbi metabolici. Il sensore affronta i limiti degli saghi enzimatici di livello eccellente—che richiedono infrastrutture di laboratorio e personale formato—offrendo misurazioni rapide (<30 s), a basso costo e non invasive, utilizzando campioni su scala di microlitri, supportando il suo potenziale per applicazioni al punto di assistenza²⁴.

Protocol

L'approvazione etica è stata ottenuta dal Consiglio di Revisione IATRC. Tutte le procedure che coinvolgevano campioni di urina umana rispettavano i principi della Dichiarazione di Helsinki. È stato ottenuto un consenso informato scritto da tutti i partecipanti e tutti i campioni sono stati anonimizzati per tutelare la riservatezza.

Progettazione dei sensori e simulazione numerica

Il primo passo nella progettazione di un sensore è eseguire una simulazione elettromagnetica. CST Microwave Studio viene utilizzato per realizzare la disposizione, che include un risonatore composto da un induttore a spirale circolare (CSI) in serie con un condensatore interdigitale (IDC). C'è un punto di connessione per una relazione a distanza tra queste parti che permette loro di lavorare insieme^{otticamente 25}. Per migliorare le prestazioni, vengono aggiunti due stub aperti frattali di Hilbert alla giunzione CSI-IDC per ridurre il fringing e la distorsione del campo elettromagnetico. Viene inoltre aggiunta una struttura a back-loop sul piano di massa per rendere la risposta del filtro di rifiuto a banda più stabile e migliorare la precisione della misura²⁶. Il progetto funziona al meglio su un substrato FR4 standard e a basso costo (ε_r≈ 4,3, spessore 1,6 mm) e ha una risonanza operativa principale a 1,22 GHz. Abbiamo utilizzato software per creare e analizzare un modello di circuito a elementi aggregati equivalente per verificare i parametri S simulati. Questo garantiva che i risultati delle simulazioni elettromagnetiche e di circuito a onda intera fossero gli^{stessi 27}. La scelta della LDR come elemento ottico di trasdutzione è stata guidata dai suoi vantaggi distinti in questa specifica architettura di rilevamento a microonde. A differenza dei fotodiodi o fototransistor, che richiedono circuiti di polarizzazione complessi e offrono una relazione corrente-luce non lineare, il LDR fornisce una modulazione resistiva passiva, lineare e ad ampio intervallo in risposta all'intensità della luce incidente. Questo spostamento lineare di resistenza modula direttamente S₂₁ del risonatore a microonde adiacente senza introdurre rumore del circuito attivo né richiedere un condizionamento aggiuntivo del segnale. Inoltre, il basso costo, l'ingombro compatto e l'integrazione senza soluzione di continuità con il substrato FR4 della LDR—senza linee di polarizzazione esterne—sono in linea con l'obiettivo generale di progettazione di un sensore di punto di cura semplice, a basso costo e non invasivo.

Per contestualizzare il sensore proposto all'interno del più ampio panorama delle tecnologie di rilevamento dell'urea, è necessario un breve confronto con i metodi consolidati. I saghi biochimici, come il metodo enzimatico dell'ureasa, rappresentano lo standard clinico d'oro, offrendo alta accuratezza e sensibilità (limiti di rilevamento anche bassi fino a 1–5 mg/dL) ma richiedono attrezzature di laboratorio specializzate, personale formato e tempi tipici di risposta di 30–60 minuti, limitandone l'utilità nei contesti di assistenza. Le strisce enzimatiche offrono un'alternativa rapida (2–5 minuti), a basso costo e semi-quantitativa, adatta all'uso domestico; tuttavia, si basano sull'interpretazione colorimetrica, che può essere soggettiva, e offrono una sensibilità limitata per una misurazione precisa della concentrazione. I sensori elettrochimici, inclusi i biosensori dell'urea amperometrici e potenziometrici, raggiungono un'elevata sensibilità e permettono la rilevazione in tempo reale, ma spesso richiedono una complessa fabbricazione di elettrodi e immobilizzazione enzimatica, e soffrono di problemi di stabilità dovuti alla degradazione degli enzimi nel tempo. Al contrario, il sensore a microonde controllato otticamente proposto offre una combinazione unica di caratteristiche: l'accoppiamento ottico non invasivo elimina il contatto diretto del campione con gli elementi sensori, riducendo il rischio di contaminazione; il tempo di misurazione è inferiore a 30 secondi; la fabbricazione su substrato FR4 a basso costo minimizza i costi; e la relazione lineare tra concentrazione di urea e perdita di inserimento (S₂₁) semplifica la calibrazione. Sebbene la sensibilità attuale (1,42 × ^10-4 per mg/mol/^{cm 3}) sia adatta per la classificazione categorica dei livelli di urea clinicamente rilevanti (150–450 mg/dL), ulteriori ottimizzazioni potrebbero migliorare i limiti di rilevamento paragonabili a quelli elettrochimici. Nel complesso, il sensore occupa una nicchia complementare, dando priorità a semplicità, velocità e portabilità per applicazioni al punto di assistenza in cui la precisione di laboratorio non è essenziale.

Fabbricazione dei sensori

La fotolitografia standard sposta il design finito su un pannello FR4 rivestito in rame a faccia singola. Una fotomaschera ad alta risoluzione viene utilizzata per creare il motivo del sensore su un substrato laminato con fotoresist. Il modello viene poi sviluppato e inciso in una soluzione di cloruro ferrico (FeCl₃). Dopo incisione e pulizia, i connettori SubMiniature versione A (SMA) vengono accuratamente saldati alle porte microstrip di ingresso e uscita in modo che le apparecchiature di misura possano essere^{collegate a 28}. Questo processo crea un sensore funzionante, a basso profilo e pronto per il test.

Configurazione sperimentale e calibrazione

Utilizzando cavi coassiali di alta qualità, il sensore realizzato è collegato a un analizzatore di rete vettoriale (VNA), simile a una serie Agilent PNA. Utilizzando un kit di calibrazione meccanica, viene effettuata una calibrazione completa a due porte (Aperto, Corto, Carico, Attraversante) alle estremità del cavo per eliminare errori di misurazione sistematica. Per misurare i parametri S del sensore, il VNA è configurato per spazzare da 0,1 GHz a 4 GHz con una potenza di uscita di -10 dBm²⁹.

Procedura di preparazione e misurazione del campione di urina

Ai partecipanti che accettano di fornire i loro campioni di urina viene chiesto di farlo. Viene impostata una piattaforma fissa per la misurazione: una LDR viene posizionata direttamente sotto un vetrino di vetro pulito centrato sulla regione attiva del sensore. Per prima cosa, viene effettuata una misurazione di base S₂₁ con la LDR illuminata da una sorgente luminosa a intensità costante e senza campione presente. Poi, una goccia di urina di 0,01 mL viene pipettata sul centro del vetrino di vetro. Lo spettro S₂₁ viene registrato nuovamente con la stessa quantità di luce. Le proprietà ottiche del campione, che dipendono dall'urea, modificano la resistenza della LDR, causando una variazione misurabile nel sensore |S₂₁| a 1,22 GHz³⁰. Per evitare contaminazioni incrociate, il vetrino viene pulito con acqua distillata ed etanolo tra una misurazione e l'altra. Sono stati raccolti campioni di urina fresca da dieci volontari sani (cinque uomini, cinque donne; di età 25–45 anni). Le concentrazioni basali di urea, misurate tramite un analizzatore di chimica clinica, variavano da 150 a 450 mg/dL. Per stabilire un intervallo di test controllato, i campioni sono stati suddivisi in tre gruppi di concentrazione: basso (150–250 mg/dL), intermedio (251–350 mg/dL) e alto (351–450 mg/dL), con dieci campioni per categoria. Tutti i campioni sono stati analizzati entro 2 ore dalla raccolta, conservati a 4 °C quando non in uso e bilanciati a temperatura ambiente prima della misurazione. Per ogni test è stato applicato un aliquota di 0,01 mL su una vetrata di vetro pulita, con vetrini puliti usando etanolo al 70% e acqua distillata tra una misurazione e l'altra per prevenire la contaminazione^{incrociata 30}.

Acquisizione e analisi dei dati

L'informazione principale trattenuta da ogni misurazione è la dimensione di S₂₁ (in dB) alla risonanza di 1,22 GHz. Questo dataset viene utilizzato per insegnare un algoritmo K-Nearest Neighbors (KNN) che funziona in un programma come MATLAB. Il modello utilizza la magnitudine S₂₁ per suddividere i livelli di urea in gruppi come "basso", "intermedio" e "alto^"31. Inoltre, la sensibilità alla concentrazione del sensore può essere misurata tracciando la variazione in |S₂₁| (Δ|S₂₁|) contro la variazione della concentrazione di urea (ΔC). La pendenza di questa relazione lineare, C = ΔS / ΔC, mostra la sensibilità. Per valutare la robustezza e l'affidabilità dei sensori, è stato condotto uno studio di ripetibilità con 45 misurazioni per categoria di concentrazione di urea (bassa: 150–250 mg/dL, intermedia: 251–350 mg/dL, alta: 351–450 mg/dL) in tre giorni indipendenti, per un totale di 135 misurazioni. Il coefficiente di variazione variava dallo 0,67% all'1,07% in tutte le categorie, indicando un'eccellente ripetibilità delle misurazioni. L'incertezza della misurazione è stata quantificata seguendo il framework Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), combinando incertezza di Tipo A (variazione statistica da misurazioni ripetute) con i contributi di Tipo B dalla calibrazione VNA (±0,05 dB), fluttuazioni di temperatura (±0,01 dB/°C) e variazioni di posizionamento del campione (±0,02 dB). L'incertezza ampliata (k=2, intervallo di confidenza al 95%) variava da ±0,38 dB a ±0,56 dB, a seconda della categoria di concentrazione. La sensibilità alla concentrazione, derivata dalla regressione lineare di Δ|S₂₁| rispetto a ΔC, è stato calcolato come 1,42 × ^10-4 per (mg/mol/^{cm 3}), con un intervallo di fiducia del 95% di 1,35 × da 10-4 a 1,49 × ^10-4 per (mg/mol/^{cm 3}) e un coefficiente di determinazione (R²) di 0,94. L'incertezza relativa ampliata della sensibilità è stata ±6,2% (k = 2), confermando che la sensibilità riportata è statisticamente robusta e che il sensore dimostra prestazioni riproducibili adatte ad applicazioni nel punto di cura.

Results

Al momento della fabbricazione progettata e presentata nella Figura 1, le prestazioni del sensore venivano prima fabbricate, vedi Figura 2, e validate senza alcun campione. I parametri S misurati hanno mostrato un'eccellente concordanza con i risultati simulati, con una risonanza primaria a 1,22 GHz e S₂₁ che ha raggiunto -27 dB, come mostrato nella Figura 2. Le piccole discrepanze (<5%) ...

Discussion

Il protocollo delinea lo sviluppo riuscito di un innovativo sensore a microonde controllato otticamente progettato specificamente per il rilevamento dell'urea nell'urina umana. Aspetti chiave del protocollo riguardano la progettazione meticolosa di stub frattali di Hilbert per ottimizzare la distribuzione del campo elettromagnetico e garantire una posizione coerente dei campioni di urina su vetrata di vetro su LDR, facilitando così un accoppiamento ottico riproducibile. I risultati evide...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Studio Microonde CST	Dassault Systè mes	2023	Simulazione elettromagnetica a onda completa
Multimetro digitale	Fortuna	87V	Per la verifica della resistenza
Acqua distillata	Fornitore locale	N/A	Per diluizione e pulizia del campione
Bagno per acquaforte	Generico	N/A	Temperatura controllata, 50&º; C
Etanolo (70%)	Merck	100983	Per pulire le vetrine
Cloruro ferrico (FeCl3)	Sigma-Aldrich	157740	Soluzione 0,5 M, agente di incisione
Laminato FR4 rivestito in rame	Generico	N/A	A faccia singola, spessore 1,6 mm, ε r 4.3
Vetri in vetro	Corning	2947-75X25	75 mm e tempi; 25 mm e tempi; 1 mm, per il posizionamento del campione
Piastra riscaldante	Generico	N/A	Per sviluppo e polimerizzazione
Sorgente luminosa	LED generico	N/A	LED bianchi, temperatura colore di 6000 K, intensità fissa di 1000 lux
Resistenza dipendente dalla luce (LDR)	Generico (GL5528)	GL5528	Resistenza: 10 kΩ (luce), 1 MΩ (scuro); Diametro 5 mm
MATLAB	MathWorks	R2023b	analisi dei dati e classificazione KNN; Cassetta degli attrezzi per statistica e machine learning
Kit di calibrazione meccanica	Agilent	85052D	Aperto, corto, carico, attraverso (OSLT) per la calibrazione a due porte
Micropipetta	Eppendorf	3120000062	0.5– 10 & micro; Gamma dei volumi L
Microsoft Excel	Microsoft	Ufficio 365	Registrazione e analisi dei dati
Oscilloscopio	Tektronix	TBS1052B	Per la misurazione della tensione di uscita del raddrizzatore
Fotomaschera	Consuetudine	N/A	Maschera cromata ad alta risoluzione con pattern sensore
Fotoresist	MicroChimica	SU-8 2000	Fotoresist negativo per fotolitografia
Punte per pipette	Eppendorf	30015.119	0.01– 10 & micro; L, sterile
Contenitori per campioni di polipropilene	Thermo Fisher	342020-0030	Contenitori sterili da 30 mL
Circuito raddrizzatore RF	Consuetudine	N/A	Schottky a diodo; converte la tensione RF in DC
Connettore di lancio a bordo femmina SMA	Amphenol RF	132169	50 Ω, per la connessione microstrip
Urea (per spiccare)	Sigma-Aldrich	U5128	Grado farmaceutico, ≥ Purezza del 99,5%
Sistema di esposizione UV	Karl Suss	MA6	Tempo di esposizione: 120 s
Analizzatore di rete vettoriale (VNA)	Agilent	Serie PNA	Gamma di frequenza: 0,1 e linea; 4 GHz, larghezza di banda IF: 100 Hz, punti di sweep: 1001