소변 내 요소 수치 검출을 위한 광학 제어 마이크로파 센서의 제작 및 시험

Summary

이 프로토콜은 요소 검출을 위한 저비용 광학 제어 마이크로파 센서를 개략적으로 설명합니다. 빛 의존 저항기와 프랙탈 설계를 사용하여 소변의 광학적 특성을 선형 RF 임피던스 응답으로 변환합니다. FR4 기반 설계는 현장 진료 사용에 가능성을 보여주지만, 향후 연구는 저손실 재료와 휴대용 시스템의 임상 검증이 필요합니다.

Abstract

소변 내 요소 수치 모니터링은 신장 기능과 수분 상태 평가에 매우 중요합니다. 현재의 방법들은 종종 침습적이고 비용이 많이 들거나 시간이 많이 소요되는 생화학적 분석에 의존하는데, 이는 진료 현장이나 지속적인 모니터링에 이상적이지 않습니다. 이 프로토콜은 요소 수준 검출을 위해 설계된 새롭고 저비용이며 고감도 마이크로파 센서의 제작 및 시험을 설명합니다. 이 센서는 FR4 기판 위에 원형 나선형 인덕터(CSI), 인터디지털 커패시터(IDC), 빛 의존 저항기(LDR)를 통합하여 1.22 GHz 공진 주파수로 동작합니다. 핵심 혁신은 LDR을 통한 광학 제어로, 소변 샘플을 통해 고정된 광원에 노출되면 센서의 삽입 손실(S₂₁)을 요소 농도에 대해 선형적이고 정량적으로 조절합니다. 설계에는 회절 효과를 최소화하고 임피던스 매칭을 강화하기 위해 백루프 트레이스와 힐버트 프랙탈 스텁을 포함하여 측정 정확도를 향상시킵니다. CST 마이크로웨이브 스튜디오를 이용한 센서의 수치 시뮬레이션, 화학 에칭을 통한 제작, 그리고 인간 소변 샘플을 이용한 실험적 검증을 상세히 설명합니다. 결과는 신경망 모델로 확인된 요소 수치가 변하면서 S₂₁ 매개변수가 일관되고 반복 가능한 이동을 보여준다. 이 센서는 비침습적이고 실시간 생의학 진단에 유망한 도구를 제공합니다.

Introduction

마이크로파 감지 기술은 최소한의 접촉 요구, 비파괴적 침투, 그리고 비이온화 전자기파의 안전성 덕분에 생물학적 재료의 비침습적 특성 분석에 강력한 도구로 부상했습니다^. 소변과 같은 체액의 유전체 특성은 요소 농도를 포함한 화학 조성에 의해 영향을 받아 마이크로파 전파 변화를 통해 감지 가능하다². 기존 마이크로파 센서도 존재하지만, 복잡한 유체³과 같은 미세한 변화를 감지하기 위한 감도, 소형화, 품질 계수(Q-팩터) 최적화에 어려움을 겪는 경우가 많습니다.

최근 발전은 상보적 분할 고리 공진기(CSRR)와 프랙탈 구조 등 다양한 공진기 형상을 활용하여 센서 성능을 향상시키고^{있습니다.} 하지만 단순하고 저비용 설계로 높은 감도를 달성하는 것은 여전히 중요한 난관^입니다. 여기서 설명된 센서는 CSI와 IDC를 결합하여 독특한 광학 제어 메커니즘⁶을 결합하여 이러한 한계를 해결합니다. LDR의 포함은 소변 샘플의 광학 투명성에 의해 센서의 RF 성능을 조절할 수 있게 하며, 이는 요소 농도⁷과 상관관계가 있습니다. 이로 인해 생화학적 특성을 측정 가능한 마이크로^{파 신호로} 변환하는 새로운 변환 메커니즘이 만들어집니다.

이 글에서는 광학적으로 제어되는 마이크로파 센서⁹를 구성하고 작동시키기 위한 상세하고 단계별 프로토콜을 제공합니다. 설계 근거, 시뮬레이션 설정, 제작 공정, 보정 절차, 데이터 분석 방법, 결과 해석을 위한 머신러닝 알고리즘 사용을 포함한 데이터 분석 방법을 다^룹니다. 대표적인 결과는 인간 소변 샘플에서 요소 수치를 감지하는 센서의 효율성을 입증하며, 현장^{진단 응용 가능성을} 강조합니다.

본 연구 전반에 걸쳐 요소 농도는 센서의 변환 메커니즘에서 유도된 정규화 농도 지표를 반영하기 위해 mg/mol^{/cm 단위} 로 표현되며, 이는 단위 경로 길이(cm)당 광학 감쇠와 질량(밀리그램)으로 정규화된 요소 몰 농도(mol)와 연관됩니다¹². 표준 임상 문헌과의 비교를 용이하게 하기 위해, 이 단위는 다음과 같이 일반 단위로 변환할 수 있습니다: 요소 농도가 1 mg/mol^/cm인 경우 표준 측정 경로 길이를 고려할 때 약 1 mg/dL에 해당하며, 요소 분자량(60.06 g/mol)을 고려하면 0.166 mmol/L에 해당합니다¹³. 본 연구에서 조사한 농도 범위(150–450 mg/mol/^cm³)는 임상적으로 관련 있는 요소 수치인 150–450 mg/dL에 해당하며, 이는 정상 생리적 수치(약 200–400 mg/dL)와 경미한 상승¹⁴까지 다양합니다. 이러한 정렬은 연구 결과가 표준 생의학 관행의 맥락 내에서 해석 가능함을 보장합니다¹⁵.

제안된 센서 설계는 기존 마이크로파 감지 방식의 한계를 해결하기 위해 저비용, 비침습적, 실시간 요소 검출 방법이 필요하다는 점에서 비추려졌으며, 이는 일반적으로 유전체 유전 유전 변화에만 의존하고 복잡한 보정이 자주 필요해지는 경우가 많다¹⁶. 이 연구의 새로움은 세 가지 서로 다른 설계 요소를 통합하여 직접 선형의 광-마이크로파 변환 메커니즘을 가능하게 한다는 점에 있습니다¹⁷. 첫째, 원형 나선형 인덕터(CSI)와 인터디지털 커패시터(IDC)의 결합이 고Q 공명 구조를 형성하여 감지 영역에 전자기장을 집중시키고, 주변 매질의 미세한 변화에 대한 민감도를 높^입니다. 둘째, CSI-IDC 접합부에 힐베르트 프랙탈 스텁을 도입하면 회절 효과를 최소화하고 임피던스 매칭을 최적화하여 측정 안정성과^{반복성을 향상시킵니다}. 셋째이자 가장 중요한 점은, 광학적으로 제어되는 변환 소자로서 LDR의 도입이 기존 마이크로파 센서와의 차별화를 의미합니다; LDR은 시료의 유전체 특성에만 의존하는 대신, 소변 시료의 광학 투명성에 의해 센서의 RF 응답을 조절할 수 있게 하며, 이는 요소 농도²⁰과 상관관계가 있습니다. 이로 인해 생화학적 특성을 고정된 공명 주파수²¹에서 S₂₁의 정량 가능한 이동으로 직접 변환하는 하이브리드 광-마이크로파 변환 경로가 생성됩니다. 우리가 아는 한, 이 연구는 LDR과 CSI-IDC 프랙탈 강화 공진기를 결합해 직접 선형 판독을 달성하는 광학 제어 마이크로파 센서의 첫 시연으로, 제안된 센서를 비침습적 실시간 현장 진단 플랫폼으로 자리매김하게 합니다²².

센서의 변환 메커니즘은 LDR이 소변 광학 투명도를 요소 농도와 역비례하여 |S₂₁| 원형 나선형 인덕터-인터디지털 커패시터(CSI-IDC) 공진기²³의 임피던스 부하를 변조하여 이 선형 관계는 교정을 단순화하고 실시간 판독을 가능하게 하여, 제안된 설계를 유전체 유전 유전 변화에만 의존하는 기존 마이크로파 센서와 차별화됩니다. 임상적으로 요 요소는 신장 기능과 수분 상태를 나타내는 주요 바이오마커로, 정상 수치는 200–400 mg/dL 범위입니다; 편차는 탈수, 신장 기능 장애 또는 대사 장애를 나타낼 수 있습니다. 이 센서는 실험실 인프라와 훈련된 인력이 필요한 골드 스탠다드 효소 분석법의 한계를 해결하며, 마이크로리터 규모 샘플을 이용한 신속(<30초), 저비용, 비침습적 측정을 제공하여^{현장 진료} 응용 가능성을 지원합니다.

Protocol

윤리적 승인은 IATRC 심사 위원회로부터 받았습니다. 인간 소변 샘플과 관련된 모든 절차는 헬싱키 선언의 원칙을 준수했다. 모든 참가자로부터 서면 동의서를 받았으며, 모든 샘플은 기밀 보호를 위해 익명으로 처리되었습니다.

센서 설계 및 수치 시뮬레이션

센서 설계의 첫 단계는 전자기 시뮬레이션을 실행하는 것입니다. CST 마이크로웨이브 스튜디오가 레이아웃을 제작하는 데 사용되었으며, 원형 나선형 인덕터(CSI)와 디지털 간 커패시터(IDC)가 직렬로 연결된 공진기를 포함합니다. 이 부품들 사이에는 광^{학적으로 함께} 작동할 수 있는 LDR 연결 지점이 있습니다. 성능 향상을 위해 CSI-IDC 접합부에 두 개의 힐베르트 프랙탈 오픈 스텁을 추가하여 전자기장 프린지와 왜곡을 줄입니다. 또한 대역 거부 필터 응답을 안정시키고 측정 정확도를 높이기 위해 접지면에 백루프 구조가 추가됩니다²⁶. 이 설계는 표준 저비용 FR4 기판(ε_r≈ 4.3, 두께 1.6mm)에서 가장 잘 작동하며, 주 작동 공진은 1.22 GHz입니다. 소프트웨어를 사용해 동등한 집단 요소 회로 모델을 생성하고 분석하여 시뮬레이션된 S-파라미터를 확인했습니다. 이로 인해 전파 전자기 및 회로 시뮬레이션 결과^{가 동일하게} 유지되도록 했습니다. LDR이 광학 변환 요소로 선택된 이유는 이 특정 마이크로파 감지 아키텍처에서의 LDR의 뚜렷한 장점 때문입니다. 복잡한 바이어스 회로를 필요로 하고 비선형 전류-빛 관계를 제공하는 포토다이오드나 포토트랜지스터와 달리, LDR은 입사광 강도에 반응하여 수동적이고 선형적이며 넓은 범위의 저항 변조를 제공합니다. 이 저항의 선형 변화는 인접한 마이크로파 공진기의 S₂₁ 을 직접 변조하며, 능동 회로 잡음을 유발하거나 추가 신호 조절이 필요하지 않습니다. 더불어, LDR의 저비용, 컴팩트한 크기, FR4 기판과의 원활한 통합(외부 바이어스 라인 필요 없음)은 단순하고 저비용이며 비침습적 진료 지점 센서라는 전체 설계 목표와 일치합니다.

제안된 센서를 요소 검출 기술의 광범위한 맥락 속에서 맥락화하기 위해, 기존 방법들과의 간략한 비교가 필요합니다. 효소 우레아제법과 같은 생화학적 분석법은 임상의 골드 스탠다드로, 높은 정확도와 감도(검출 한계는 1–5 mg/dL)를 제공하지만, 전문 실험실 장비, 숙련된 인력, 그리고 30–60분의 일반적인 소요 시간이 필요해 현장 진료 환경에서의 유용성이 제한적입니다. 효소 테스트 스트립은 가정에서 사용할 수 있는 신속(2–5분) 저비용, 반정량적 대안을 제공합니다; 그러나 이들은 주관적일 수 있는 색도 해석에 의존하며, 정확한 농도 측정에 대한 민감도는 제한적입니다. 전류 측정 및 포텐시오메트 요소 생체센서를 포함한 전기화학 센서는 높은 감도를 달성하여 실시간 탐지를 가능하게 하지만, 복잡한 전극 제작과 효소 고정화가 필요하며, 시간이 지남에 따라 효소 분해로 인한 안정성 문제를 겪습니다. 반면, 제안된 광학 제어 마이크로파 센서는 독특한 특성을 제공합니다: 비침습적 광학 결합은 샘플과 감지 요소의 직접 접촉을 제거하여 오염 위험을 줄입니다; 측정 시간은 30초 미만이며; 저비용 FR4 기판 위에서의 제작은 비용을 최소화합니다; 요소 농도와 삽입 손실 간의 선형 관계(S₂₁)는 교정을 단순화합니다. 현재 감도(1.42 × ^10-4 / mg/mol/^cm³)는 임상적으로 중요한 요소 범위(150–450 mg/dL)의 범주적 분류에 적합하지만, 추가 최적화는 전기화학적 검사와 비교할 수 있는 검출 한계를 향상시킬 수 있습니다. 전반적으로 이 센서는 실험실 수준의 정밀도가 필수적이지 않은 현장 진료 분야에서 단순성, 속도, 휴대성을 우선시하는 상호 보완적인 틈새 시장을 차지합니다.

센서 제작

표준 포토리소그래피는 완성된 디자인을 단면 구리 외재 FR4 보드로 옮깁니다. 고해상도 포토마스크를 사용해 포토레지스트로 적층된 기판 위에 센서 패턴을 만듭니다. 그 후 패턴을 현상하여 염화철(FeCl₃) 용액에 식각합니다. 에칭 및 세척 후, 서브미니어처 버전 A(SMA) 커넥터가 입력 및 출력 마이크로스트립 포트에 정교하게 납땜되어 측정 장비가²⁸번 연결될 수 있도록 합니다. 이 공정은 테스트에 적합한 저프로파일 센서를 만듭니다.

실험 설정 및 보정

고품질 동축 케이블을 사용하여 이 인공 센서는 애질런트 PNA 시리즈와 같은 벡터 네트워크 분석기(VNA)에 연결됩니다. 기계식 보정 키트를 사용해 케이블 끝에서 완전한 2포트 보정(오픈, 쇼트, 부하, 통과)을 수행하여 체계적인 측정 오차를 제거합니다. 센서의 S-파라미터를 측정하기 위해 VNA는 0.1 GHz에서 4 GHz까지 스윕 범위로 설정되어 있으며, 출력 전력은 -10 dBm²⁹입니다.

소변 샘플 준비 및 측정 절차

소변 샘플을 제공하기로 동의한 참가자는 이를 요청받습니다. 고정된 테스트 플랫폼이 측정을 위해 설치됩니다: LDR은 센서의 활성 영역 위에 중앙에 위치한 깨끗한 유리 슬라이드 바로 아래에 놓입니다. 먼저, 일정한 강도의 광원으로 LDR을 밝히고 샘플이 없는 상태에서 기준선 S₂₁ 측정을 수행합니다. 그 후 0.01mL 크기의 소변 방울을 유리 슬라이드 중앙에 피펫으로 옮깁니다. S₂₁ 스펙트럼은 같은 빛의 양으로 다시 기록됩니다. 시료의 광학 특성은 요소에 의존하여 LDR의 저항을 변화시키고, 이는 센서의 |S₂₁| 1.22 GHz³⁰. 교차 오염을 방지하기 위해 각 샘플 측정 사이에 증류수와 에탄올로 유리 슬라이드를 세척합니다. 건강한 자원자 10명(남성 5명, 여성 5명; 연령 25–45세)으로부터 신선한 소변 샘플을 채취하였습니다. 임상 화학 분석기를 통해 측정한 기초 요소 농도는 150에서 450 mg/dL 사이였습니다. 통제된 검사 범위를 설정하기 위해 샘플은 세 가지 농도군으로 분류되었습니다: 저농도(150–250 mg/dL), 중간 농도(251–350 mg/dL), 고농도(351–450 mg/dL)이며, 각 범주마다 10개의 샘플이 있었습니다. 모든 샘플은 채취 후 2시간 이내에 분석되었으며, 사용하지 않을 때는 4°C에 보관되었으며, 측정 전에 실온에 평형을 맞출 수 있었습니다. 각 검사마다 0.01 mL 알리코트를 깨끗한 유리 슬라이드에 적용했으며, 측정 사이에는 교차 오염을 방지하기 위해 70% 에탄올과 증류수를 사용해 슬라이드를 세척^{했습니다.}

데이터 수집 및 분석

각 측정에서 얻는 주요 정보는 1.22 GHz 공진에서 S₂₁ (dB 단위)의 크기입니다. 이 데이터셋은 MATLAB과 같은 프로그램에서 실행되는 K-최근접 이웃(KNN) 알고리즘을 가르치는 데 사용됩니다. 이 모델은 S₂₁ 등급을 사용하여 요소 수준을 "낮음", "중간", "^높음"과 같은 그룹으로 분류합니다. 또한, 센서의 농도 감도는 | 의 변화를 그래프로 표시하여 측정할 수 있습니다.S₂₁| (Δ|S₂₁|) 요소 농도(ΔC) 변화에 반대합니다. 이 선형 관계의 기울기인 C = ΔS / ΔC는 감도를 나타냅니다. 센서의 견고성과 측정 신뢰도를 평가하기 위해, 요소 농도 범주별로 45건의 측정값(저: 150–250 mg/dL, 중간 기준: 251–350 mg/dL, 최고 기준: 351–450 mg/dL)을 대상으로 반복성 연구를 3일간 독립적으로 수행하여 총 135건의 측정값을 수행하였습니다. 변동계수는 모든 범주에서 0.67%에서 1.07% 사이로 우수한 측정 반복성을 나타냈습니다. 측정 불확실성은 측정 불확실성 표현 가이드(GUM) 프레임워크에 따라 정량화되었으며, Type A 불확실성(반복 측정에 따른 통계적 변동)과 VNA 보정(±0.05 dB), 온도 변동(±0.01 dB/°C), 샘플 위치 변동(±0.02 dB)의 기여를 결합하였습니다. 확장된 불확실성(k=2, 95% 신뢰구간)은 농도 범주에 따라 ±0.38 dB에서 ±0.56 dB 사이였습니다. Δ| 선형 회귀에서 도출된 집중 민감도는S₂₁| ΔC를 비교했을 때는 1.42 × ^10-4 per (mg/mol/cm³)로 계산되었으며, 95% 신뢰구간은 1.35 × ^10-4 에서 1.49 × ^10-4 per (mg/mol/cm³)였으며, 결정계수(R²)는 0.94였습니다. 상대적으로 확장된 민감도 불확실성은 ±6.2%(k = 2)로, 보고된 민감도가 통계적으로 견고하고 센서가 현장 진료 적용에 적합한 재현 가능한 성능을 보임을 확인시켜 주었습니다.

Results

그림 1에 설계 및 제시된 제작 후, 센서의 성능은 먼저 제작되었고(그림 2 참조), 샘플 없이 검증되었습니다. 측정된 S-파라미터는 시뮬레이션 결과와 매우 일치했으며, 1.22 GHz의 1차 공진과 S₂₁의 -27 dB에 도달하는 것으로 그림 2에 나타났습니다. 사소한 차이(<5%)는 제작 공차와 납땜 효과 때문으로 추정됩니다.

센서가 변동하는 요소 농도에 반응하는 모습이 명확히 관찰되었다. 그림 3은 1.22 GHz에서 다양한 소변 샘플에 대한 S₂₁ 등급의 측정 가능한 이동을 보여줍니다. 표 1에 요약된 결과들은 요소 농도가 높아질수록...

Discussion

이 프로토콜은 인간 소변에서 요소 검출을 위해 특별히 설계된 혁신적인 광학 제어 마이크로파 센서의 성공적인 개발을 개괄합니다. 프로토콜의 핵심 요소는 전자기장 분포를 최적화하고 LDR 위에서 유리 슬라이드에 소변 샘플을 일관되게 배치하여 재현 가능한 광학 결합을 용이하게 하기 위해 힐베르트 프랙탈 스텁의 세밀한 설계에 포함된다. 결과는 요소^{농도 7}에 따라 변하는 소변의 광학적 특성을 다양한 RF 임피던스로 변환하는 데 LDR의 효과를 강조합니다. 주목할 만한 발견은 S₂₁ 크기와 요소 농도 간의 선형 상관관계로, 센서의 기능적 능력을 입증합니다.

이 센서는 백루프 구조를 사용하여 공진기의 응답을 밴드 리젝트 구성으로 변환하여 통과대역 공진에 비해 안정성과 정확도를 향상시킵니다. 그러나 신경망 평가에서 확인된 것처럼 중간 요소 농도 범위 내에서 분류 오류가 증가하는 한계가 있습니...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CST 마이크로웨이브 스튜디오	다소 시스트&그라브; MES	2023	전파 전자기 시뮬레이션
디지털 멀티미터	우연	87V	저항 검증을 위해
증류수	현지 공급업체	해당 없음	샘플 희석 및 세척을 위해
에칭 욕조	제네릭	해당 없음	온도 조절, 50도; C
에탄올 (70%)	머크	100983	유리 슬라이드 청소를 위해
염화철 (FeCl3)	시그마-올드리치	157740	0.5 M 용액, 식각제
FR4 구리 클래드 적층	제네릭	해당 없음	단면, 두께 1.6mm, 그리고 엡실론; <서브>r 4.3
유리 슬라이드	코닝	2947-75X25	75mm & 시간; 25mm & 시간; 샘플 배치를 위한 1 mm입니다
핫플레이트	제네릭	해당 없음	개발 및 경화를 위해
광원	일반 LED	해당 없음	흰색 LED, 6000 K 색온도, 1000럭스 고정 강도
빛 의존 저항기(LDR)	제네릭 (GL5528)	GL5528	저항: 10 kΩ (빛), 1 MΩ (어두움); 직경 5mm
MATLAB	수학 작품	R2023b	데이터 분석 및 KNN 분류; 통계 및 머신러닝 툴박스
기계적 보정 키트	애질런트	85052D	2포트 보정을 위한 오픈, 쇼트, 로드, 스루(OSLT)
마이크로피펫	에펜도르프	3120000062	0.5– 10 & 마이크로; L 볼륨 범위
마이크로소프트 엑셀	마이크로소프트	오피스 365	데이터 기록 및 분석
오실로스코프	텍트로닉스	TBS1052B	정류기 출력 전압 측정을 위한
포토마스크	관습	해당 없음	센서 패턴이 포함된 고해상도 크롬 마스크
포토레지스트	미세화학	SU-8 2000	포토리소그래피용 네거티브 포토레지스트
피펫 팁	에펜도르프	30015.119	0.01– 10 & 마이크로; L, 불임
폴리프로필렌 샘플 용기	써모피셔	342020-0030	30mL 멸균 용기
RF 정류기 회로	관습	해당 없음	쇼트키 다이오드 기반; RF를 DC 전압으로 변환합니다
SMA 암컷 엣지 런치 커넥터	암페놀 RF	132169	50 & Omega;, 마이크로스트립 연결을 위한
요소 (스파이킹용)	시그마-올드리치	U5128	제약 등급, 그리고 GE; 순도 99.5%
자외선 노출 시스템	칼 수스	MA6	노출 시간: 120초
벡터 네트워크 분석기(VNA)	애질런트	PNA 시리즈	주파수 범위: 0.1 & ndash; 4 GHz, IF 대역폭: 100 Hz, 스윕 포인트: 1001