尿中の尿素濃度検出のための光学制御マイクロ波センサーの製造および試験

Summary

このプロトコルは、尿素検出のための低コストの光学制御マイクロ波センサーを概説しています。光依存抵抗とフラクタル設計を用いて、尿の光学特性を線形RFインピーダンス応答に変換します。FR4ベースの設計はポイントオブケアでの利用に有望ですが、今後の研究には低損失材料と携帯型システムの臨床検証が必要です。

Abstract

尿中の尿素濃度のモニタリングは、腎機能や水分補給状態を評価する上で非常に重要です。現在の方法は、侵襲的で高コスト、または時間のかかる生化学的アッセイに依存しており、ポイントオブケアや継続的なモニタリングには理想的ではありません。このプロトコルは、尿素レベル検出用に設計された新規で低コストかつ高感度のマイクロ波センサーの製造と試験を説明しています。このセンサーは、FR4基板上に円形スパイラルインダクタ(CSI)、インターデジタルコンデンサ(IDC)、光依存抵抗(LDR)を統合し、共振周波数1.22 GHzで動作します。この技術の重要な革新は、尿サンプルを通じて固定光源に照射されると、尿素濃度に対してセンサーの挿入損失(S₂₁)を線形かつ定量的に変調するLDRによる光学制御です。設計には回折効果を最小限に抑えインピーダンスマッチングを強化するためにバックループトレースとヒルベルトフラクタルスタブが組み込まれており、測定精度の向上につながります。CSTマイクロ波スタジオを用いたセンサーの数値シミュレーション、化学エッチングによる製造、そして人間の尿サンプルを用いた実験的検証について詳述します。結果は、尿素レベルの変化に伴うS₂₁パラメータの一貫性と再現性のシフトを示しており、データ分類のためのニューラルネットワークモデルによって確認されました。このセンサーは、非侵襲的でリアルタイムの生物医学診断に有望なツールを提供します。

Introduction

マイクロ波センシング技術は、接触要件が最小限で、非破壊的浸透性があり、非電離電磁波の安全性により、生物材料の非侵襲的な特性評価に強力なツールとして登場^{しました。}尿のような体液の誘電特性は、尿素濃度を含む化学組成によって影響を受け、マイクロ波伝播の変化によって検出されます^。従来のマイクロ波センサーは存在しますが、尿3のような複雑な流体の微細な変化を検出するための感度、小型化、品質係数(Qファクター)の最適化に課題がしばしば直^{面しています。}

近年の進歩では、補完的なスプリットリング共振器(CSRR)やフラクタル構造など、さまざまな共振器形状が用いられ、^{センサー性能の向上}が図られています。しかし、シンプルで低コストな設計で高感度を達成することは依然として大きなハードル^5です。ここで説明するセンサーは、CSIとIDCを組み合わせ、独自の光学制御機構6を組み合わせることでこれらの制限を解消^{しています。}LDRの搭載により、尿サンプルの光学的透明性によってセンサーのRF性能が変調され、尿素濃度⁷と相関されます。これにより、生化学的性質を測定可能なマイクロ^波信号に変換する新しいトランスデューシング機構が生まれます。

この記事では、この光学制御マイクロ波^{センサー9}の構築と運用に関する詳細なステップバイステップのプロトコルを提供します。設計の根拠、シミュレーション設定、製造プロセス、キャリブレーション手順、データ解析手法をカバーし、結果解釈のための機械学習アルゴリズムの使用も含まれ^ます。代表的な結果は、ヒト尿サンプル中の尿素検出におけるセンサーの有効性を示し、ポイントオブケア^{診断応用の可能性}を強調しています。

本研究を通じて、尿素濃度はmg/mol^/cm³ の単位で表されており、センサーのトランスダクション機構から導き出された正規化濃度指標を反映しています。これは、単位経路長(cm)あたりの光学的減衰と質量(ミリグラム)で正規化された尿素(mol)濃度を関連付けています¹²。標準的な臨床文献との比較を容易にするため、この単位は従来型単位に換算できます。尿素濃度1 mg/mol^/cm3 は、標準測定経路長を考慮すると約1 mg/dLに相当し、尿素の分子量(60.06 g/mol)を用いると同等の0.166 mmol/Lに相当します¹³。本研究で調査された濃度範囲(150–450 mg/mol/^cm3)は、臨床的に関連性の高い尿素レベル150–450 mg/dLに対応し、正常な生理値(約200–400 mg/dL)および軽度の上昇¹⁴に及びます。この整合により、結果が標準的な生物医学実践の文脈で解釈可能であることが保証されます¹⁵。

提案されたセンサー設計は、既存のマイクロ波センシング手法の限界に対応する、低コストで非侵襲的かつリアルタイムの尿素検出法の必要性に動機づけられており、既存のマイクロ波センシング手法は通常誘電率変動のみに依存し、複雑な較正を必要とすることが多い¹⁶。本研究の新規性は、3つの異なる設計要素の統合にあり、これにより直接的かつ線形の光学からマイクロ波へのトランスダクション機構が統合^{されています。}まず、円形螺旋インダクタ(CSI)とインターデジタルコンデンサ(IDC)の組み合わせにより、検出領域の電磁場を集中させる高Q共振構造が形成され、周囲媒体の微細な変化に対する感度が高^{くなります。}次に、CSI-IDC接合部にヒルベルトフラクタルスタブを組み込むことで回折効果を最小限に抑え、インピーダンスマッチングを最適化し、測定の安定性と再現性を向上させます¹⁹。第三に、そして最も重要な点として、光学制御トランスデューシング素子としてのLDRの導入は、従来のマイクロ波センサーからの逸脱を示しています。LDRは試料の誘電特性のみに依存するのではなく、尿サンプルの光学的透明性によってセンサーのRF応答を変調させることを可能にします。これは尿素濃度²⁰と相関します。これにより、生化学的性質を固定された共振周波数²¹でのS₂₁の定量的なシフトに直接変換するハイブリッド光学・マイクロ波トランスダクション経路が生まれます。私たちの知る限り、この研究はLDRとCSI-IDCフラクタル強化共振器を組み合わせて直接線形読み取りを実現する、尿素検出用の光学制御マイクロ波センサーの初の実証であり、提案されたセンサーを非侵襲的リアルタイムのポイントオブケア診断の有望なプラットフォームとして位置づけ^{ています。}

センサーのトランスダクション機構は、LDRが尿の光学的透明性を尿素濃度と逆相関して定量的なシフトに変換するハイブリッドな光学・マイクロ波経路に依存しています。S₂₁|円形スパイラルインダクタ-インターデジタルコンデンサ(CSI-IDC)共振器²³のインピーダンス負荷を変調することで、この線形関係により校正が簡素化され、リアルタイムの読み出しが可能となり、誘電率変動のみに依存する従来のマイクロ波センサーとは異なる設計が提案されています。臨床的には尿尿素が腎機能と水分状態の重要なバイオマーカーであり、正常レベルは200〜400 mg/dLの範囲です。逸脱は脱水、腎障害、代謝障害を示すことがあります。このセンサーは、実験室インフラと訓練を受けた人員を必要とするゴールドスタンダードの酵素アッセイの限界を解消し、マイクロリットルスケールのサンプルを用いた迅速(<30秒)、低コストかつ非侵襲的な測定を提供し、ポイントオブ^{ケア用途の可能性}を支えています。

Protocol

倫理的承認はIATRC審査委員会から得られました。ヒト尿サンプルを含むすべての手続きはヘルシンキ宣言の原則に準拠していました。すべての参加者から書面によるインフォームドコンセントが取得され、すべてのサンプルは機密保持のため匿名化されました。

センサー設計と数値シミュレーション

センサー設計の最初のステップは電磁シミュレーションを実行することです。CSTマイクロウェーブスタジオがレイアウトを作成し、円形スパイラルインダクタ(CSI)とインターデジタルコンデンサ(IDC)が直列に組まれた共振器を用いています。これらのパーツ間には遠距離交配用の接続ポイントがあり、^{光学的に連携}できます。性能向上のため、CSI-IDC接合部に2つのヒルベルトフラクタルオープンスタブを追加し、電磁場のフリンジや歪みを低減します。また、バンドリジェクトフィルター応答をより安定させ、^{測定精度を向上させる}ために、グラウンドプレーンにバックループ構造が追加されています。この設計は標準的で低コストのFR4基板(ε_r≈ 4.3、厚さ1.6mm)で最もよく機能し、主共振周波数は1.22 GHzです。ソフトウェアを用いて、同等の集会素子回路モデルを作成・解析し、シミュレーションされたSパラメータを検証しました。これにより、全波電磁および回路シミュレーションの結果^{が同じであること}が保証されました。LDRが光学トランスダシング素子として選ばれたのは、この特定のマイクロ波センシングアーキテクチャにおけるLDRの明確な利点によるものでした。複雑なバイアス回路を必要とし、非線形の電流と光の関係を持つフォトダイオードやフォトトランジスタとは異なり、LDRは入射光の強度に応じて受動的、線形的、広範囲の抵抗変調を提供します。この抵抗の直線シフトは、能動回路ノイズを導入したり追加の信号調整を必要とせず、隣接するマイクロ波共振器のS₂₁ を直接変調します。さらに、LDRの低コストでコンパクトなフットプリント、FR4基板とのシームレスな統合(外部バイアスライン不要)は、シンプルで低コストかつ非侵襲的なポイントオブケアセンサーという設計目標に合致しています。

提案されたセンサーを尿素検出技術の広範な領域の中で文脈化するために、既存の手法との簡単な比較が必要です。酵素ウレアーゼ法のような生化学的アッセイは臨床のゴールドスタンダードであり、高い精度と感度(検出限界は1〜5 mg/dL)を提供しますが、専門的な検査機器、訓練を受けたスタッフ、そして通常30〜60分の対応時間を必要とし、現場での有用性は限られています。酵素テストストリップは、家庭での使用に適した迅速(2〜5分)低コストかつ半定量的な代替手段を提供します。しかし、これらは比色解釈に依存しており、これは主観的であり、正確な濃度測定の感度は限定的です。アンペロメトリックおよびポテンショメトリック尿素バイオセンサーを含む電気化学センサーは高感度を達成しリアルタイム検出を可能にしますが、複雑な電極製造や酵素固定化が必要で、時間経過による酵素分解による安定性の問題を抱えています。これに対し、提案された光学制御マイクロ波センサーは独自の特性の組み合わせを提供します。非侵襲的な光学結合により検知要素との直接接触がなくなり、汚染リスクを低減します。測定時間は30秒未満です。低コストのFR4基板上での製造はコストを最小限に抑えます。尿素濃度と挿入損失の線形関係(S₂₁)により、校正が簡素化されます。現在の感度(1.42 × ^10-4 / mg/mol/^cm3)は臨床的に関連性の高い尿素範囲(150–450 mg/dL)の分類に適していますが、さらなる最適化により電気化学的検出限界を同等に向上させる可能性があります。全体として、このセンサーは単純さ、速度、携帯性を重視し、実験室レベルの精度が必須でないポイントオブケア用途に向けた補完的なニッチを担っています。

センサーの製造

標準的なフォトリソグラフィーでは、完成した設計を片面銅メッキのFR4ボードに移します。高解像度フォトマスクを用いて、フォトレジストでラミネートされた基板上にセンサーパターンを作成します。その後、パターンを現像し、塩化鉄(FeCl₃)溶液にエッチングします。エッチングと清掃後、サブミニチュアバージョンA(SMA)コネクタを入力および出力のマイクロストリップポートに慎重にはんだ付けし、測定機器を²⁸番に接続できるようにします。このプロセスにより、テストに適した低プロファイルな動作センサーが作られます。

実験装置と校正

高品質な同軸ケーブルを使い、この自作センサーはアジレントPNAシリーズのようなベクトルネットワークアナライザー(VNA)に接続されます。機械式校正キットを用いて、ケーブルの端で2ポート(オープン、ショート、ロード、スルー)を完全に校正し、系統的な測定誤差を除去します。センサーのSパラメータを測定するために、VNAは0.1 GHzから4 GHzまで、出力出力は-10 dBm²⁹に設定されています。

尿サンプルの準備と測定手順

尿サンプルの提供に同意した参加者には、提供するよう求められます。測定用に固定されたテストプラットフォームが設置されます。LDRはセンサーの活性領域の中央にあるクリーンなガラススライドの真下に設置されます。まず、一定の強度でLDRを照らし、サンプルを含まない状態で基準S₂₁ の測定を行います。その後、0.01mLの尿滴をガラススライドの中央にピペットで送ります。同じ量の光で再びS₂₁ スペクトルが記録されます。尿素に依存する試料の光学特性はLDRの抵抗を変化させ、それがセンサー|の|S₂₁|1.22GHz³⁰。交差汚染を防ぐため、ガラススライドは各試料測定の間には蒸留水とエタノールで洗浄されます。新鮮な尿サンプルは、健康なボランティア10名(男性5名、女性5名、年齢25〜45歳)から採取されました。臨床化学分析装置で測定された基準尿素濃度は150から450 mg/dLの範囲でした。管理された検査範囲を確立するために、サンプルは低濃度(150–250 mg/dL)、中間濃度(251–350 mg/dL)、高濃度(351–450 mg/dL)の3つの濃度群に分類され、各カテゴリーに10サンプルが投入されました。すべてのサンプルは採取後2時間以内に分析され、使用していない時は4°Cで保存され、測定前に室温に平衡化されました。各検査ごとに0.01mLのアリコートをクリーンなガラススライドに適用し、測定間には70%エタノールと蒸留水で洗浄し、交差汚染防止のため³⁰。

データ取得と解析

各測定から得られる主な情報は、1.22 GHz共鳴におけるS₂₁ (dB単位)の大きさです。このデータセットは、MATLABのようなプログラムで動作するK近傍(KNN)アルゴリズムを教えるために使用されます。このモデルはS₂₁ の等級を用いて尿素レベルを「低」、「中間」、「^高」といったグループに分類しています。また、センサーの集中感度は| の変化をプロットすることで測定できますS₂₁|(Δ|S₂₁|)尿素濃度(ΔC)の変化に対して。この線形関係の傾きC = ΔS / ΔCは感度を示します。センサーの堅牢性と測定信頼性を評価するため、尿素濃度カテゴリーごとに45回の測定(最低値:150–250 mg/dL、中間値:251–350 mg/dL、最高値:351–450 mg/dL)を用いて、3日間独立して再測定を行い、合計135回の測定を行いました。変動係数はすべてのカテゴリーで0.67%から1.07%の範囲にあり、優れた測定再現性を示しました。測定不確実性は、Type A不確実性(繰り返し測定による統計的変動)と、VNA校正によるタイプBの寄与(±0.05 dB)、温度変動(±0.01 dB/°C)、試料位置変動(±0.02 dB)を組み合わせた「測定における不確実性表現ガイド(GUM)」フレームワークに従って定量化されました。拡張された不確実性(k=2、95%信頼区間)は濃度カテゴリに応じて±0.38 dBから±0.56 dBの範囲でした。Δ|の線形回帰から導かれる濃度感度S₂₁|ΔCに対しては1.42 × ^10-4 per (mg/mol/cm³)と計算され、95%信頼区間は1.35 × ^10-4 〜 1.49 × ^10-4 per (mg/mol/cm³)、決定係数(R²)は0.94でした。感度の相対的な拡大不確実性は±6.2%(k = 2)であり、報告された感度が統計的に堅牢であり、センサーがポイントオブケア用途に適した再現可能な性能を示していることが確認されました。

Results

図1に設計・示された製造後、センサーの性能はまず図2参照で製造され、サンプルなしで検証されました。測定されたSパラメータはシミュレーション結果と非常に一致し、一次共振は1.22 GHz、S₂₁は-27 dBに達しました(図2参照)。わずかな不一致(<5%)は、製造公差やはんだ付けの影響に起因します。

センサーの尿素濃度の変化に対する反応は明確に観察できた。図3は、異なる尿サンプルごとに1.22 GHzでS₂₁ の大きさが測定可能なシフトを示しています。結果は表1にまとめられ、尿素濃度が高いほど|の変化が大きくなるという一貫した傾向を示しています。S₂₁|。

Discussion

このプロトコルは、ヒト尿中の尿素検出に特化した革新的な光学制御マイクロ波センサーの開発に成功した例を示しています。プロトコルの重要な側面は、電磁場の分布を最適化し、LDR上のガラススライド上に尿サンプルを一貫して配置することで再現可能な光学結合を促進するためのヒルベルトフラクタルスタブの綿密な設計にあります。結果は、尿素濃度⁷に伴う光学特性を変化するRFインピーダンスに変換するLDRの有効性を強調しています。注目すべき発見は、S₂₁の大きさと尿素濃度の線形相関であり、センサーの機能的特性を示しています。

このセンサーはバックループ構造を採用しており、共振器の応答をバンドリジェクト構成に変換することで、パスバンド共振に比べて安定性と精度が向上しています。しかし、神経ネットワーク評価によって示されているように、中間尿素濃度範囲内での分類誤差の増加という制限が生じます。この欠点は、将来の機械学習応用のための訓練データセットを拡充することで解決できる可能性があります。さらに、...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CSTマイクロ波スタジオ	ダッソー・シス&グレイヴ;MES	2023	全波電磁シミュレーション
デジタルマルチメーター	フルーク	87V	抵抗検証のために
蒸留水	現地サプライヤー	該当なし	サンプル希釈と洗浄のために
エッチング浴	ジェネリック	該当なし	温度管理、50度、C
エタノール(70%)	メルク	100983	ガラススライドの掃除用
塩化鉄(FeCl3)	シグマ・オルドリッチ	157740	0.5 M溶液、エッチング剤
FR4銅被覆積層	ジェネリック	該当なし	片面、厚さ1.6mm、およびイプシロン;r 4.3
ガラススライド	コーニング	2947-75X25	75mmと時間;25mmと時間;1 mm、サンプル配置用
ホットプレート	ジェネリック	該当なし	開発と硬化のために
光源	ジェネリックLEDです	該当なし	白色LED、色温度6000K、強度1000ルクス固定強度
光依存抵抗(LDR)	ジェネリック(GL5528)	GL5528	耐性:10 kΩ(ライト)、1 M&オメガ;(暗い);直径5mmです
MATLAB	マスワークス	R2023b	データ分析とKNN分類;統計と機械学習ツールボックス
機械的校正キット	アジレント	85052D	2ポートキャリブレーション用のオープン、ショート、ロード、スルー(OSLT)
マイクロピペット	エッペンドルフ	3120000062	0.5–10 & micro;Lボリューム範囲
Microsoft Excel	マイクロソフト	Office 365	データ記録と解析
オシロスコープ	テクトロニクス	TBS1052B	整流器出力電圧測定用
フォトマスク	習慣	該当なし	センサーパターン付き高解像度クロムマスク
フォトレジスト	微生物化学	SU-8 2000	フォトリソグラフィー用のネガフォトレジスト
ピペットの先端	エッペンドルフ	30015.119	0.01–10 & micro;L、無菌
ポリプロピレンサンプル容器	サーモ・フィッシャー	342020-0030	30mLの滅菌容器
RF整流回路	習慣	該当なし	ショットキーダイオードベース;RFを直流電圧に変換します
SMAメスエッジローンチコネクター	アンフェノールRF	132169	50 & Omega;、マイクロストリップ接続用
尿素(スパイク効果)	シグマ・オルドリッチ	U5128	医薬品グレード、そして純度99.5%
紫外線曝露システム	カール・ズス	MA6	露光時間:120秒
ベクターネットワークアナライザー(VNA)	アジレント	PNAシリーズ	周波数帯域:0.1–4 GHz、IF帯域幅:100 Hz、スイープポイント:1001